小小立方星也能做大科学——以美国立方星科学探索的实践为例

 空间科学是以航天器为主要平台，研究发生在地球空间、日地空间、行星际空间乃至整个宇宙空间的物理、天文、化学以及生命等自然现象及其规律的科学①。目前，航天器正朝着越来越大和越来越小的两个方向发展，即一方面研制综合型、高功率的大型卫星，如美国航空航天局（NASA）将于2020年之后发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST），质量为6.2吨，主反射镜口径达到6.5米；另一方面研制质量轻、微型化的小型卫星。其中，立方星是采用国际通用标准的微纳卫星，以U为单位，1U体积为10 cm×10 cm×10 cm，1U重量一般不超过1.33 kg。根据任务的需要，可将立方体卫星扩展为2U（10 cm×10 cm×20 cm）、3U、甚至16U或更大。     

弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟

 低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击。这些撞击损伤航天器飞行的关键系统,进而导致航天器发生灾难性失效。为了保证航天员的安全及航天器的正常运行,微流星体及空间碎片防护结构设计是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击防护屏所产生碎片云的SPH法数值模拟,给出了二维及三维模拟结果;研究了防护屏厚度、弹丸形状、撞击速度以及材料模型等对碎片云的影响。模拟结果同高质量实验研究的结果进行了比较,模拟的碎片云形状和碎片云特征点的速度同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

弹丸超高速撞击铝靶成坑数值模拟

 低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击,损伤航天器飞行关键系统,进而导致航天器发生灾难性的失效。微流星体及空间碎片防护结构设计,是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击铝靶成坑的数值模拟,给出了二维及三维模拟结果。研究了弹丸密度、弹丸形状、板厚度、弹丸速度、弹丸直径和弹丸撞击入射角等对靶成坑的影响。模拟结果同实验结果进行了比较,模拟的成坑形状和特征尺寸同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

高空科学气球

 六十年代以来,随着空间技术的发展,空间科学研究日益成为当代科学活动中最活跃、最激动人心的前沿领域。从卫星的发射成功到载人航天飞行,从阿波罗登月到轨道空间站的建立,从航天飞机往返大气层到实现人类太空行走,在短短二三十年中空间技术的发展真可谓日新月异令人目不暇接.与此同时,空间科学研究,不仅作为空间技术发展的受益者,而且作为空间技术发展的源动力,其发展速度更是一日千里.各种具有广泛发展前景的新兴科学不断问世,如:空间物理、空间天文学、空间化学和地质学、空间生命科学、空间材料学、空间遥感学以及它们重多的分支学科及交叉领域.     

航天器空间静电效应研究进展

航天器在轨运行过程中面临的空间环境复杂多变,高能电子、等离子体环境、低气压、大温差等环境因素会引起航天器发生静电带电和放电效应,对航天器的安全运行造成严重影响。基于国内外试验数据和案例分析了空间环境引起的航天器故障,从数值仿真软件、地面模拟技术、强场诱发放电以及防护技术等方面介绍了空间环境作用下航天器充放电效应研究进展,对我国目前研究差距和未来研究方向进行了展望。研究表明:我国航天器充放电效应防护技术研究取得了进步,下一步重点针对空间站、深空探测、探月工程等新任务,进一步拓展空间环境作用下航天器充放电效应机理和防护新技术研究,为提升我国航天器的安全性和可靠性提供技术支撑。     

NASA将在太空站测试用于激光通讯科学的光学有效载荷

据美国NASA网站近日报道,NASA将使用国际太空站测试一种新的通信技术,这种技术可以极大地提高航天器通信,增强商业任务,加强科学数据的传播。“用于激光通讯科学的光学有效载荷”（OPALS）是一项光学技术演示验证实验,可以将NASA未来航天器通信的数据率提高10倍至100倍。OPALS已经从加州喷气推进实验室（JPL）抵达佛罗里达州肯尼迪航天中心,将于2013年下半年搭乘SpaceX公司的“龙”（Dragon）货运飞船前往国际太空站。     

空间碎片问题的现状和未来

自1957年10月4日前苏联发射世界上第一颗人造地球卫星Spulnik1算起,人类进入太空时代已有50年,从此大约又进行了4500次太空发射。人造航天器大体可分为两类。一类是无人航天器,包括人造地球卫星和各种空间探测器。人Z造地球卫星是一种环绕地球在空间轨道上运行的无人航天器。按用途可分为科学卫星、技术试验卫星和应用卫星,应用卫星直接为国民经济和军事服务,因而用途也最广。在人类发射的人造卫星中,90％以上是应用卫星。应用卫星按其用途又可具体分为空间物理探测卫星、通信卫星、天文卫星、气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星等。     

星-地无线电掩星技术探测火星大气和电离层

历史上几乎所有的行星探测任务都开展了无线电掩星实验,以探测行星的大气、电离层、行星环以及磁场,并取得了很多重要的科学成果.掩星发生时刻前后,测量航天器发出的信号穿过行星电离层和大气层时被遮掩而引起的信号频率、相位、幅度或极化等物理特性的变化,通过某种反演技术,可以得到大气的折射率廓线,推出中性大气的密度、温度、压强廓线以及电离层的电子浓度廓线.文章嗣绕中国"萤火1号"火星探测器(YH-1)火星探测计划中将要开展的星-地无线电掩星实验,介绍了该技术用于探测火星大气和电离层的相关情况.     

空间运输航天器故障诊断系统架构研究

故障诊断技术不仅是提高空间运输航天器的安全性和可靠性的重要手段,而且可以节约航天器整个寿命周期的运行维护成本,因此研究航天器故障诊断技术,特别是处理紧急故障的在轨故障检测和诊断技术是非常必要的。在分析国外航天器故障诊断系统发展趋势的基础上,提出了基于天地一体化设计思想的空间运输航天器故障诊断系统架构,阐明了设计原则,以及具体功能需求。介绍了在轨故障诊断系统和地面故障诊断系统,提出了地面故障诊断系统软件的组件模型构成。地面系统对航天器在轨故障诊断有较强的辅助作用,能有效补充故障分析、诊断、预测、处理能力。给出的系统架构对航天器故障诊断系统研制具有一定的参考价值。     

科学天空一颗璀璨的星

<正>我国著名理论物理学家、核物理学家、我国氢弹研制的探路先锋和我国核武器物理问题研究的主要负责人之一、曾任中国原子能所(中国原子能科学研究院前身)副所长、我们尊敬的黄祖洽院士于2014年9月7日与世长逝,永远地离开了我们.我们深感十分悲痛.黄祖洽院士是为我国原子能事业和战略核武器设计立下不朽功勋的理论物理学家.他和彭桓武先生一起奠定了我国核反应堆理论和设计的基础;为     

表面科学技术在空间的应用

介绍了表面科学技术在空间的应用、内容包括航天器表面与空间环境的相互作用,空间材料表面改性,空间薄膜以及涂镀层技术。     

我国建成世界一流航天器空间试验设备

 据《科技日报》报道,我国第一套大型空间环境试验设备,已经在北京完成研制并通过了研制鉴定．据了解,飞船在研制过程中需进行多项复杂的地面试验验证,其中空间环境模拟试验是耗资最多、时间最长的一项试验,这一试验的设备主要通过模拟空间的真空、冷黑、太阳辐照等环境条件,达到载人航天器设计合理性和制造质量的目的．该试验设备是国际上三大载人航天器空间环境设备之一,是国际上最好的五大典型特大型空间环境试验设备之一,达到国际先进水平．目前世界上只有美国、欧洲、日本等少数航天大国,才拥有这类大型空间环境试验设备．     

基于脉冲激光的空间碎片移除技术:综述与展望

近年来,近地轨道的空间碎片问题对航天应用的威胁日益严峻。通过主动移除技术手段减少在轨空间碎片的数量,从而保障空间资源的可持续开发和航天器的安全运行,已成为相关领域研究的热点。溯源了空间碎片问题的产生及沿革,分析基于不同技术途径的主动移除方案的特点。重点研究了脉冲激光主动移除空间碎片的关键技术与科学问题,总结了现阶段的技术发展情况,并对未来天基激光移除空间碎片的发展方向给出了建议。     

模块化航天器电源系统仿真研究

模块化航天器快速响应对迅速提高我国空间信息支援能力具有重大意义,所以为了快速增强我国空间实力,以快速响应为背景,对模块化航天器进行研究,首先介绍了模块化航天器及其快速集成测试方法,之后,以模块化航天器电源系统为例,通过数学模型搭建了其Simulink模型,主要对帆板面积,蓄电池容量,以及卫星在轨功率进行分析,最后,通过仿真结果验证了所建模型的准确性,为模块化航天器快速响应奠定了基础,同时提出了模块化航天器电源系统的快速响应应用模式。     

双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面的充电效应

空间等离子体在有些情形下,并非单麦克斯韦分布,而是双麦克斯韦分布。为了研究双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面的充电效应,基于等离子体动理学理论,建立表面充电平衡方程,综合考虑双麦克斯韦分布等离子体的粒子参数、航天器的单位电容、二次电子发射及光照等因素,得出了双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面充电电位的计算表达式,给出了表面充电电位随时间的变化规律。研究结果表明:当等离子体为双麦克斯韦分布时,航天器表面充电电位低于单麦克斯韦分布等离子体环境下的表面充电电位,单麦克斯韦分布的等离子体假设会过高估计航天器表面的充电效应;双麦克斯韦分布的第二分布函数中,对最终的表面充电平衡电位影响较大的主要是离子成分;双麦克斯韦分布等离子体的粒子数密度或温度越高,则表面充电达到平衡所需的时间越长;单位电容仅影响表面充电电位达到稳定所需的时间,对最终的充电平衡电位值影响不大。     

微重力科学和应用

微重力科学是研究微重力环境中流体介质运动规律的一门新兴学科，它包括微重力流体科学、空间材料科学和空间生物技术三个主委部分．在微重力环境中，浮力驱动的对流极大地减弱，沉淀几乎消失，流体内部的静压梯度接近于零，由此而发展了无容器过程．理解和利用这些过程就可以充分开发微重力资源，可以进行地面实验室难于进行的基础科学研究以及生产昂贵的药物和材料．空间站和空间平台的建立为微重力研究提供了理想的实验条件．     

物理学与发展中的航天能源技术

 在人类开发太空、利用太空资源的航天活动中,航天能源是不可缺少的。无论是航天器的发射,在空间进行的姿态控制、轨道修正,还是航天器上各种电子设备的正常运行,都需要能源。由于航天器的特殊工作环境和工作性质,军事航天能源必须具有重量轻、无振动、寿命长、性能稳定等特点。物理学为航天能源的发展奠定了重要的理论基础。目前,人们正在不断地提高航天能源的利用效率,开发新的航天能源。一、火箭发动机火箭发动机是利用反作用推进原理产生推力的,是运载火箭的动力系统。可根据航天器在不同的运行过程需要的不同推力和工作环境,选取不同类型的火箭发动机。     

非线性科学促进科学观和科学方法的转变

 非线性科学本身是研究自然界中复杂现象和规律的一门学科,被誉为与相对论、量子力学相齐名的２０世纪三大科学理论之一．但在过去很长一段时间内,非线性并不被重视,直到２０世纪６０年代中期,随着科学家们在两个极端方向取得突破,一是发现了“孤子”是一类非线性方程的解,二是发现相对简单的系统中存在着对初值极为敏感的复杂运动,大大加快了非线性科学的研究步伐．目前非线性科学逐渐发展成为以混沌理论、分形理论、协同学等为代表的系统科学．其贯穿信息科学、生命科学、空间科学、地球科学和环境科学等研究领域．一方面非线性科学中各门学科空前地交叉与渗透,研究中解析、计算、实验三种方法并用,其研究方法达到空前地交互与综合．     

锥形弹丸超高速撞击防护屏的碎片云特性参数研究

空间碎片在撞击航天器防护结构时会产生碎片云,而碎片云又将对航天器造成二次损伤,因此很有必要针对不同形状的空间碎片超高速撞击产生的二次碎片云特性进行研究。选取航空材料Al 2017-T4、Al 2A12作为弹丸和防护屏材料,采用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D结合光滑质点流体动力学方法,对不同长径比的锥形弹丸分别以锥底和锥尖超高速正撞击单层防护屏薄板所产生的碎片云特性进行数值模拟,得到了碎片云的前端轴向速度、径向直径、轴向长度及穿孔直径等特性参数随弹丸撞击部位及长径比变化的规律。     

电子束发射诱发航天器充电的数值模拟研究

通过发射电子束测量空间地磁场是一种新的有效的地磁场高精度测量方法,但电子束发射对在轨航天器自身状态和安全存在影响。为了研究这一影响,从同步轨道充电机制出发,基于轨道限制机制和朗缪尔方程研究了航天器发射高能电子束时的诱发充电模型,推导了不同初始电位情况下束流发射的平衡电位公式,并编制程序研究了这一过程中粒子束电流、能量、光照等因素对航天器充电电位的影响,得到了航天器对外发射高能电子束时诱发航天器自身或平台的充电电位随时间变化规律,并通过部分解析解对比验证了模拟结果的正确性。