北理故事

揭秘小天体 ——北京理工大学深空探测之掠影

  北京理工大学有着航空航天研究辉煌的历史。上世纪50年代在国内率先设立飞行器设计专业,开展飞行器总体设计、发射、动力学与控制、导航与制导等方面的研究工作,为我国“两弹一星”事业做出了重要贡献。进入二十一世纪,学校面向国际宇航技术发展前沿和国家航天科技发展主战场,广泛参与和承担了国家重大工程项目,培养了大量航天科研领军人才,从载人航天工程到嫦娥工程都体现了北京理工大学执着不息的探索。学校于2006年成立了宇航科学技术学院,2008年重组宇航学院(包括“航空宇航科学与技术”和“力学”两个一级学科博士学位授权点和博士后流动站,下设飞行器工程系、飞行器控制系、发射与推进工程系和力学系)。同时为加速深空探测领域研究工作的开展,成立了深空探测技术研究所,重点开展小天体探测相关技术的研究。

  探测小天体,揭秘太阳系


  小天体是指围绕太阳运转但不符合行星和矮行星条件的天体,主要包括小行星、彗星等,探测小天体可对研究太阳系形成、行星演化、地球和生命起源等提供重要线索;同时对掌握小天体运动规律、避免小天体碰撞地球具有重要意义。6500万年前,一颗直径约10公里、质量为100亿吨的小行星撞击到地球表面,造成当时全球气候、环境、生态的灾变,使恐龙及其他生物种类灭绝。未来的某一天小天体很有可能再撞向地球,从而改变地球的命运。目前美国国家航空航天局(NASA)、欧洲空间局(ESA)和一些相关机构都在对那些可能危及地球的小天体加强监测跟踪,寻找避免小天体碰撞地球的解决方案。

  我国开展低成本、高回报、更远深空目标小天体的探测历史不长,但在这一过程中,北京理工大学科研人员针对深空探测中的小天体目标,开展了轨道设计与优化、自主导航与控制、小天体轨道改变方案等关键技术攻关,并于2010年初通过国家航天局,向国际“近地天体问题工作组”提交了我国在小天体领域开展研究工作的进展报告,为深空探测研究做出了贡献。
 

  构想一探三,路遥目标笃


  小天体探测是21世纪深空探测活动的主要内容之一,北京理工大学研究者基于新技术试验和高科学回报并举的原则,考虑国内航天技术发展的实际情况,提出了我国开展小行星探测的多目标多任务探测方案总体思路——即选择Ivar小行星为主要环绕或着陆探测目标,在到达Ivar小行星之前,中途从两颗小行星附近飞过,通过携带的科学仪器对其进行遥感和遥测,这是我国第一个“一探三”的小行星探测总体方案构想。

  为实现 “一探三”小天体探测,研究人员对飞行历程进行了周密规划:

  2016年9月,小天体探测器从地球出发,进入星际飞行轨道,2017年7月,到达Reiji小行星,进行相应的科学探测;之后探测器上携带的发动机点火,进行一次深空机动,使探测器于2018年7月回到地球附近,利用地球引力的作用,改变探测器的飞行轨道,使其于2019年7月飞过Ivashov小行星;之后再次进行发动机点火,改变探测器的飞行方向,使其可以在2020年6月与目标小行星Ivar交会,并进行减速制动,进行环绕探测或着陆探测(下图为设计的探测器飞行路线图)。另外对于选择的Ivar小行星,在2021年9月还会出现一次较佳的探测器发射机会。
 



“一探三”方案飞行路线示意图

 

  勇破技术关,穰穰科学路

  众里寻她千百度——寻找小天体。如何从为数众多的小天体中选择出目标小行星并设计可行的探测轨道呢?北京理工大学研究者深入研究了小天体在太阳系内多个天体共同作用下的运动规律,制定了小天体可接近性的评价体系和目标选择的准则与方法,提出了新的理论方法与实现算法,设计研制了具有多功能的“寻找小天体”软件系统,成功地完成了我国首个“一探三”小行星探测系统方案的目标选择和轨道优化设计。相关成果刊登于Earth,Moon and Planets、Journal of Guidance Control and Dynamics、Advance in Space Research和《中国科学》等杂志。

  路遥万里道难寻——奔向小天体。在茫茫的宇宙中飞行,如何实现小天体探测器准确地确定其目前所处的位置和姿态,并控制其按照设计的轨道自主地飞向目标?美国喷气推进实验室(JPL)和欧洲空间操作中心(ESOC)等都展开了此问题的研究和试验。在国家863计划重大项目和国家自然科学基金重点项目的支持下,北京理工大学与兄弟单位合作,突破了处于国际前沿领域的小天体目标成像与快速处理、小天体接近自主状态估计等多项关键技术,研制了深空飞行自主导航系统,正在进行小天体探测过程中多种自主导航与控制技术的试验与验证。

  体小场弱难近身——登陆小天体。在接近形状不规则、质量分布不均匀、物理参数不确知的小天体时,如何安全、准确地登陆到目标表面呢?国家国防科技工业局科技委主任栾恩杰院士形象地将其归结为“双零条件”,即 ,“登陆”小天体时探测器和目标小天体的相对速度和相对距离需要同时趋于零。日本于2003年发射的“隼鸟”号小行星探测器经过七年的艰难太空旅行,于2010年6月13日返回地球,完成了人类首次小行星采样返回任务。由于“登陆”小行星时没有满足“双零条件”,导致“隼鸟”号没能按照计划于2007年夏季返回地球。北京理工大学科研人员针对小天体的体积小、引力场弱等特点,从不规则弱引力场中的运动理论入手,研究“登陆”小天体时“双零条件”的实现问题,完成了可进行“登陆”过程模拟与演示的半物理仿真试验系统。在下一个五年计划,北京理工大学将提出我国首个登陆小行星采样的“生物之星”任务目标与轨道方案。
 

  谱写新篇章,任重信心足

  月球探测的成功实施迈出了中国开展深空探测的第一步,进行更远深空目标(火星、小行星和彗星等)的探测是中国航天事业发展的必然选择。北京理工大学将密切结合《国家中长期科学和技术发展规划纲要》,以我国未来第一个小天体探测任务的设计与实施为目标而继续努力。

  目前,北京理工大学正在与国内外相关研究机构开展合作,对多任务多目标小行星探测方案、火星与小行星联合探测方案、基于我国月球探测工程后续任务的小行星探测方案开展论证工作。在本文即将完成编撰工作之时,崔平远教授又收到了参加2011年国际宇航科学院行星防御会议规划委员会的邀请。我们相信在不远的未来,作为“登陆小天体”的重要成员,我国的小天体探测之梦一定会实现。
 

发表时间:2017-07-15 供稿: 宣传部
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