逆行小行星的未解之谜

首颗与木星成逆行$1:1$共振的小行星——2015 BZ509的发现,点燃了公众对于逆行小行星的好奇心。本文简要介绍太阳系内鲜为人知的逆行小行星及其起源问题,并对与2015 BZ509相关的逆行共振问题提供通俗易懂的讲解。     

近地小行星极短弧定轨的进化算法研究

近地小行星的巡天项目不断涌现, 得到了海量的观测数据.而巡天观测方式使获得的数据弧段过短, 传统方法在定轨和识别上存在极大困难,加之短弧定轨问题本身的病态性,如何有效利用这些短弧数据对于发现、监测和评估小行星的威胁具有重要意义.在进化算法下构建极短弧定轨的计算框架, 选用三变量的$(a,e,M)$优选法,保持维数较低的同时, 使优化结果不再依赖观测量.采用参数较少、操作简便的差分进化算法,利用不同偏心率小行星的轨道模拟数据进行试验,对获得的最优解及其分布聚集区域进行分析, 大偏心率轨道由于其本身的复杂性,会对算法搜索的灵敏度产生影响, 需缩小搜索空间以提高搜索能力.结果表明算法在小偏心率问题中表现较好,可以得到有效结果为后续工作提供参考信息, 大偏心率问题在传统方法失效的情况下,虽然最优解在整体分布中并不明显, 但分布仍包含真实解,可结合分布密度和适值大小进行分析. 未来需要对大偏心率问题作进一步研究,考虑其观测位置和观测时刻对算法产生的影响, 分类计算.      

Forced resonance orbit analysis of binary asteroid system with consideration of solar radiation pressure

The solar radiation pressure is one of the major perturbations to orbits in the study of binary asteroid system, since asteroids have relatively weak gravity fields. In this paper, based on the idea of treating the solar radiation pressure as periodic external excitation, one novel family of orbits due to primary resonance and another novel family of orbits due to both primary resonance and internal resonance have been found by the classical perturbation method. The two types of steady-state orbits due to external resonance with different area-to-mass ratios have been determined and discussed by the frequency–response equations analytically. Four binary asteroid systems, 283 Emma-S/2003 (283) 1, 22 Kalliope-Linus, 2006 Polonskaya-S/2005 (2006) 1 and 4029 Bridges have been taken as examples to show the validity of the proposed mechanism in the explanation of orbits formation due to resonance. The multiple shooting method is applied to obtain the resonance orbits after numerical iterations.

     

HOVERING ORBITS DESIGN FOR PERTURBED ASTEROIDS WITH PARAMETRIC EXCITATION RESONANCE 1)

本文将太阳引力摄动视为受摄不规则小行星系统的组成部分,借鉴非线性振动理论中参数激励共振的概念,创新性地设计了不规则小行星平衡点附近稳定的悬停观测轨道.为了同时考虑不规则小行星引力和太阳引力, 本文采用受摄粒杆模型描述系统.通过对未扰系统平衡点以及固有频率的分析, 给出系统存在参激共振轨道的条件.再以第二类参激主共振和1:3内共振为例,采用多尺度方法求得参数激励共振轨道的稳态解, 并对稳态解的稳定性进行判断.通过受摄小行星系统的幅频响应曲线以及力频响应曲线分析了系统的非线性特性以及参数激励效应.此外, 对内共振引起的长短周期能量转移现象进行了分析.本文的研究成果可以拓展现有小行星系统周期轨道族设计方法.     

THE MEAN MOTION RESONANCE OF THE KUIPER BELT OBJECTS

研究柯伊伯带小行星对理解太阳系的起源和演化有着重要的意义。由于距离海王星较近,柯伊伯带小行星受其影响较大。这其中,又以共振小行星和离散小行星两族受影响最为明显。本文主要讨论了这两族小行星与海王星的共振现象。共振小行星处在共振轨道中,可以避免与海王星的近距离接触,轨道相对稳定,可以长时间保持。离散小行星的演化过程是共振黏滞与引力离散共同作用的结果。本文除了综述共振小行星和离散小行星的研究进展,还进一步分析了相应共振比下共振在大偏心率时的宽度,解释了离散小行星在离散盘大量分布的原因。     

柯伊伯带小行星平运动共振研究

研究柯伊伯带小行星对理解太阳系的起源和演化有着重要的意义。由于距离海王星较近,柯伊伯带小行星受其影响较大。这其中,又以共振小行星和离散小行星两族受影响最为明显。本文主要讨论了这两族小行星与海王星的共振现象。共振小行星处在共振轨道中,可以避免与海王星的近距离接触,轨道相对稳定,可以长时间保持。离散小行星的演化过程是共振黏滞与引力离散共同作用的结果。本文除了综述共振小行星和离散小行星的研究进展,还进一步分析了相应共振比下共振在大偏心率时的宽度,解释了离散小行星在离散盘大量分布的原因。     

基于参激共振的受摄小行星悬停轨道设计方法

本文将太阳引力摄动视为受摄不规则小行星系统的组成部分,借鉴非线性振动理论中参数激励共振的概念,创新性地设计了不规则小行星平衡点附近稳定的悬停观测轨道.为了同时考虑不规则小行星引力和太阳引力, 本文采用受摄粒杆模型描述系统.通过对未扰系统平衡点以及固有频率的分析, 给出系统存在参激共振轨道的条件.再以第二类参激主共振和1:3内共振为例,采用多尺度方法求得参数激励共振轨道的稳态解, 并对稳态解的稳定性进行判断.通过受摄小行星系统的幅频响应曲线以及力频响应曲线分析了系统的非线性特性以及参数激励效应.此外, 对内共振引起的长短周期能量转移现象进行了分析.本文的研究成果可以拓展现有小行星系统周期轨道族设计方法.      

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速($V = 12 ~ 20$km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.      

后临界湍流区间内旋转薄壳结构振动演化与作用机制实测研究

载荷的时变特征可能会对结构振动强度和能量作用机理产生重要影响,火/核电厂最重要的大型建筑结构均为典型的旋转薄壳结构(如冷却塔、烟囱等).为揭示后临界湍流区间内旋转薄壳结构的振动演化特征及其作用机制,实测了后临界雷诺数($Re\ge $3.5$\times $10$^{6}$)条件下8座典型旋转薄壳结构的振动响应.首先,在对实测响应进行降噪滤波处理后进行了不同时距的信号非平稳识别,基于非平稳分析模型对响应的时变均值和极值估计进行研究,并基于多尺度小波变换的演化谱方法开展了响应的频域演变特性研究.在此基础上,探讨了结构风振响应的共振分量占比及其效应,识别了结构的自振频率和阻尼比,并以结构基频为划分依据分别讨论了不同旋转薄壳结构的阻尼作用机制.研究结果表明:(1)旋转薄壳结构在后临界湍流区间内风致振动响应表现为强度非平稳、频率平稳的演化特性;(2)后临界湍流区间内的旋转薄壳结构的风振问题应区分准静力作用点与共振激发点分别进行研究,不同共振激发点的功率谱分布形式较为相近,而准静力作用点的功率谱分布规律差异较大;(3)共振激发点的振动能量分布呈现明显的分段趋势,基于本文大量实测分析结果回归得出适用于共振激发点的三阶段共振谱表达式;(4)借助本文提出的等效阻尼比概念拟合出此类结构的阻尼比预测公式,论证了目前工程中通用的5%阻尼比取值的不合理性.      

Flight dynamics over irregular asteroids

小行星探测是当前深空探测的主要方向之一,具有重要的科学意义.绝大多数小行星引力场极不规则,探测器在小行星附近运动形态复杂多样.由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作用,探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性,包括引力平衡点、局部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等,尝试提出新的研究方向.     

小行星的奇特动力学1）

小行星数以百万计,有着千奇百怪的外形.无论是小行星自身长期演化、还是它们附近的绕飞物体,都有着奇特的动力学现象.介绍小行星研究现状和发展趋势,阐明影响小行星姿态轨道长期演化的重要作用--雅科夫斯基效应和YORP效应.概述小行星不规则引力场描述方法与其中复杂的周期轨道,尝试提炼其中的科学问题和研究方向.     

REVIEW ON OPTIMIZATION OF ASTEROID CAPTURE ORBITS

小行星捕获对研究行星起源、地球生命来源、防御小行星撞击地球和开采行星矿产资源具有重要的意义。由于现有的推进器能力不足,小行星捕获任务中优化小行星捕获所需要的速度增量是任务成败的关键。本文分别从利用引力辅助轨道优化、连续小推力轨迹优化、小行星捕获任务轨道优化设计及小行星临时捕获等4 个方向介绍小行星捕获轨道优化方面国内外研究进展及现状。基于对上述研究现状的分析,尝试展望小行星捕获轨道优化研究的未来发展趋势。     

小行星捕获轨道优化研究综述

小行星捕获对研究行星起源、地球生命来源、防御小行星撞击地球和开采行星矿产资源具有重要的意义。由于现有的推进器能力不足,小行星捕获任务中优化小行星捕获所需要的速度增量是任务成败的关键。本文分别从利用引力辅助轨道优化、连续小推力轨迹优化、小行星捕获任务轨道优化设计及小行星临时捕获等4 个方向介绍小行星捕获轨道优化方面国内外研究进展及现状。基于对上述研究现状的分析,尝试展望小行星捕获轨道优化研究的未来发展趋势。     

Low-thrust trajectory optimization for multiple target bodies tour mission

Spacecraft science missions to planets or asteroids have historically visited only one or several celestial bodies per mission. The research goal of this paper is to create a trajectory design algorithm that generates trajectory allowing a spacecraft to visit a significant number of asteroids during a single mission. For the problem of global trajectory optimization, even with recent advances in low-thrust trajectory optimization, a full enumeration of this problem is not possible. This work presents an algorithm to traverse the searching space in a practical fashion and generate solutions. The flight sequence is determined in ballistic scenario, and a differential evolution method is used with constructing a three-impulse transfer problem, then the local optimization is implemented with low-thrust propulsion on the basis of the solutions of impulsive trajectories. The proposed method enables trajectory design for multiple asteroids tour by using available low thrust propulsion technology within fuel and time duration constraints.     

不规则小行星引力场内的飞行动力学

小行星探测是当前深空探测的主要方向之一,具有重要的科学意义.绝大多数小行星引力场极不规则,探测器在小行星附近运动形态复杂多样.由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作用,探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性,包括引力平衡点、局部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等,尝试提出新的研究方向.     

局域共振型声子晶体板缺陷态带隙及其俘能特性研究

设计了一种由圆柱形散射体嵌入环氧树脂基体而组成的周期阵列局域共振型声子晶体板结构,分析了其平直带区域以及缺陷态的能量集中特性,并研究了其振动能量采集特性.首先基于超元胞法结合有限元方法分析了5×5完美声子晶体结构和缺陷态声子晶体结构的能带曲线和能量传输特性;考虑点缺陷局域共振声子晶体结构的能量集中特性,利用压电材料代替...     

深空探测自主导航技术综述

深空探测自主导航技术在减少地面测控负担, 提高探测器的生存能力和扩展探测器的特殊应用潜力等方面具有独特的优势, 自主导航在国外的深空探测活动中已经成功验证并逐步开始在实际任务中应用, 未来的自主导航技术将成为深空探测技术发展的一种必然趋势. 由于我国测控资源有限, 在我国的深空探测规划中, 发展自主导航技术将显得更为重要. 在我国即将开展火星和小行星探测计划的背景下, 本文综述了国外深空探测自主导航技术研究状况, 以及在一些探测任务中的试验和应用情况, 并对每个探测活动进行了简要概括;其次, 本文调研了国外自主导航系统中所采用的光学敏感器设备;最后, 结合"深空1号"任务巡航段基于小行星的光学自主导航, 分析提出了深空探测自主导航中需要掌握的关键技术, 并对相应的技术在国内外研究情况进行了总结.     

DYNAMIC MODEL OF SELF-OSCILLATING GELS AND THE CONTROLLABILITY ANALYSIS

自振荡凝胶是一类在Belousov-Zhabotinsky化学反应（BZ反应）驱动下能够产生周期性收缩和膨胀大变形的智能软材料,简称为BZ凝胶,在微型激励器、传感器、药物释放、仿生材料等领域有着广泛的应用前景。基于BZ化学反应的Oregonator模型以及凝胶变形的力平衡方程,建立了由二阶微分方程表示的BZ凝胶的简化动力学模型,并通过对BZ凝胶的振荡动力学模型的分析,发现其在动力学相轨迹空间内呈现出稳定的周期性极限环振荡,进而利用改进的打靶法求得了BZ凝胶的振荡周期解,系统研究了反应物浓度、催化剂效率和链状高分子的亲水性等可控系统参数对其振荡形式、周期和幅值的影响。结果表明,只有在特定的系统参数取值下,BZ凝胶才能发生持续的周期性振荡;随着这些参数的改变,BZ凝胶的振荡形式、周期和幅值均产生规律性变化。证明了对自振荡凝胶实施周期性调控在理论上是可行的。     

碎石堆小行星的散体动力学建模与仿真方法综述

探测小行星将是未来几十年内航天界的研究热点. 现有资料表明小行星多为疏松多孔的碎石堆结构,易受探测活动的影响而破碎瓦解,因此对其探测必须先进行动力学建模,研究探测活动与小行星结构的相互作用,确保探测任务顺利执行. 在中国即将开展小行星探测任务的背景下,调研分析了散体动力学的研究和发展情况;并根据国内外的相关研究,对目前碎石堆小行星动力学模型与数值模拟方法的研究进行了综述;最后,结合小行星探测的应用背景,总结了小行星散体动力学模型中需解决的关键问题.      

小行星的奇特动力学

小行星数以百万计,有着千奇百怪的外形.无论是小行星自身长期演化、还是它们附近的绕飞物体,都有着奇特的动力学现象.介绍小行星研究现状和发展趋势,阐明影响小行星姿态轨道长期演化的重要作用——雅科夫斯基效应和YORP效应.概述小行星不规则引力场描述方法与其中复杂的周期轨道,尝试提炼其中的科学问题和研究方向.