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近地小天体防御与利用

近地小天体防御与利用

书籍作者:李东旭 ISBN:9787030747099
书籍语言:简体中文 连载状态:全集
电子书格式:pdf,txt,epub,mobi,azw3 下载次数:1155
创建日期:2024-04-07 发布日期:2024-04-07
运行环境:PC/Windows/Linux/Mac/IOS/iPhone/iPad/Kindle/Android/安卓/平板
内容简介

近地小天体灾害预警防御与资源勘探利用是保障地球安全、人类可持续发展等必须直面的重大问题。《近地小天体防御与利用》主要总结了《近地小天体防御与利用》团队近十年的研究工作,包含了对国内外相关研究进展的分析讨论以及部分阶段性研究成果,并以作者的视角和研究方式构造了《近地小天体防御与利用》的体系构架。《近地小天体防御与利用》首先介绍了近地小天体防御与利用的相关基本概念,作为理解《近地小天体防御与利用》其他内容的基础;然后分别介绍了近地小天体观测系统与探测方法、小天体轨道干预技术、近地小天体附着探测技术、近地小天体资源利用技术、星际转移轨道设计技术、深空探测电推进技术、行星际飞行自主导航技术、行星际测控通信技术、多功能薄膜航天器结构技术、用于近地小天体防御的小卫星集群技术等;最后,对未来可能的各种任务、可能发展的新概念航天器、可能的近地空间协同观测系统、人工智能技术应用等,提出了一些发展建议和展望,也提出了未来的小目标。《近地小天体防御与利用》的一些成果为近地小天体防御与利用提供了一些新的思路和解决方案。

目录
目录
第1章 近地小天体防御与利用的基本概念 1
1.1 银河系-太阳系-行星际空间 1
1.1.1 广袤的银河系 1
1.1.2 孕育生命的太阳系 2
1.1.3 行星际空间 5
1.2 天体运动的理论基础 7
1.2.1 万有引力定律与N体问题 7
1.2.2 二体问题 11
1.2.3 限制性三体问题 13
1.3 太阳系小天体 20
1.4 近地小天体 24
1.4.1 近地小天体的大小和质量 24
1.4.2 近地小天体轨道类别 25
1.4.3 近地小天体的命名 27
1.4.4 潜在威胁小天体 28
1.4.5 资源小天体 35
1.5 潜在威胁小天体防御 38
1.5.1 寻找潜在威胁小天体 38
1.5.2 跟踪潜在威胁小天体 39
1.5.3 表征潜在威胁小天体 40
1.5.4 偏转潜在威胁小天体 41
1.6 资源小天体利用 42
1.6.1 资源小天体利用的意义 42
1.6.2 资源小天体利用的步骤 46
1.7 小天体防御与利用的相关技术 47
1.7.1 共性技术 47
1.7.2 核心技术 50
1.8 相关国际组织及主要研究活动简介 51
1.8.1 联合国和平利用外层空间委员会近地天体行动小组 51
1.8.2 太空探索者协会小行星威胁减缓小组 52
1.8.3 小行星中心 52
1.8.4 太空防卫基金会 52
1.8.5 B612 基金会 53
1.8.6 主要探测任务 53
1.8.7 国际协调和公众普及教育 54
1.9 本章小结 54
参考文献 56
第2章 近地小天体观测系统与探测方法 60
2.1 引言 60
2.2 现有观测系统 61
2.2.1 地基观测系统 61
2.2.2 天基观测系统 64
2.2.3 抵近观测系统 78
2.3 广域探测方法 79
2.3.1 林肯近地小行星探测项目 80
2.3.2 Pan-STARRS光学观测系统 81
2.3.3 NEOWISE近地红外观测系统 83
2.3.4 近地小行星跟踪系统 83
2.3.5 斯隆数字巡天计划 84
2.3.6 卡特琳娜太空搜索项目 84
2.3.7 天基红外观测系统 85
2.4 抵近探测方法 86
2.4.1 “维加号”探测器 86
2.4.2 “先驱号”与“彗星号”探测器 87
2.4.3 “乔托号”探测器 87
2.4.4 “伽利略号”探测器 87
2.4.5 “近地小行星交会”探测器 88
2.4.6 “深空1号”探测器 90
2.4.7 “星尘号”探测器 90
2.4.8 “隼鸟号”探测器 91
2.4.9 “罗塞塔号”探测器 91
2.4.10 “深度撞击号”探测器 94
2.4.11 “黎明号”探测器 96
2.4.12 “嫦娥二号” 97
2.4.13 “隼鸟2号”探测器 98
2.4.14 OSIRIS-REx 探测器 98
2.4.15 小天体撞击与偏转评估任务 99
2.4.16 “赫拉”探测器 100
2.5 近地小天体物理特性感知技术 100
2.5.1 近地小天体轨道确定 100
2.5.2 近地小天体尺寸预估 101
2.5.3 近地小天体反射率预估 101
2.5.4 近地小天体密度预估 102
2.5.5 近地小天体质量计算 102
2.5.6 近地小天体引力场探测 103
2.6 近地小天体观测新路径 104
2.6.1 基于小卫星集群的近地小天体协同观测系统构想 104
2.6.2 抵近探测目标筛选 105
2.6.3 多目标抵近探测任务流程设计 107
2.6.4 分布式智能协同探测与识别 109
2.7 本章小结 112
参考文献 113
第3章 小天体轨道干预技术 118
3.1 引言 118
3.2 相关任务情况 119
3.2.1 深度撞击任务 119
3.2.2 小行星重定向任务 121
3.2.3 双小行星重定向测试 121
3.3 接触式轨道干预方法 133
3.3.1 动能撞击 133
3.3.2 表面物质投射法 136
3.3.3 航天器助推法 136
3.4 非接触式轨道干预方法 137
3.4.1 核爆打击法 138
3.4.2 引力牵引法 138
3.4.3 离子束偏移法 139
3.4.4 表面烧蚀法 140
3.4.5 反射物质喷涂法 141
3.5 其他可能的方法与建议 143
3.5.1 共振轨道序列方法 143
3.5.2 待捕获小行星的筛选方法 143
3.5.3 多个连续小推力推进器轨道优化方案 144
3.6 本章小结 144
参考文献 146
第4章 近地小天体附着探测技术 148
4.1 引言 148
4.2 相关任务情况 149
4.2.1 日本“隼鸟号” 150
4.2.2 “隼鸟 2 号” 153
4.2.3 美国“欧西里斯号” 155
4.2.4 欧洲航天局“罗塞塔号”任务 158
4.2.5 “星尘号” 160
4.3 小天体精确抵近技术 160
4.3.1 小天体动力学建模与运动特性分析 161
4.3.2 不规则暗弱目标自主抵近的导航与控制技术 162
4.3.3 弱引力环境下精确附着的导航与控制技术 164
4.4 小天体自主作业技术 168
4.4.1 弱引力附着采样技术 168
4.4.2 自主作业机器人 172
4.4.3 自主导航与移动规划技术 180
4.4.4 多机器人协同作业技术 183
4.5 采样机器人设计与仿真试验 185
4.5.1 采样机器人设计 186
4.5.2 采样机器人仿真实验 189
4.6 本章小结 193
参考文献 194
第5章 近地小天体资源利用技术 198
5.1 引言198
5.2 原位资源利用的构想与关键技术 200
5.3 基于小行星重定向概念的资源利用技术 204
5.3.1 小行星重定向概念 204
5.3.2 主要关键技术 205
5.4 基于生物学的资源利用技术 207
5.5 本章小结 211
参考文献 212
第6章 星际转移轨道设计技术 214
6.1 引言 214
6.2 连续小推力轨道优化设计 215
6.2.1 连续小推力轨道优化求解方法 215
6.2.2 同伦方法 215
6.3 低能量转移轨道优化设计 216
6.4 行星引力辅助轨道设计 219
6.5 时间*优-燃料*优同伦的小推力转移轨道优化方法 221
6.6 功率受限小推力转移轨道优化 225
6.7 星际转移轨道优化设计发展建议 229
参考文献 230
第7章 深空探测电推进技术 232
7.1 引言 232
7.2 深空探测电推进技术发展情况 233
7.3 霍尔电推进技术 233
7.3.1 国外研究现状 234
7.3.2 国内研究现状 240
7.4 脉冲感应电推进技术 242
7.4.1 PIT电推进技术概述 242
7.4.2 PIT推力器机电模型 244
7.4.3 PIT推力器磁流体动力学模型 246
7.4.4 PIT中的等离子体结构演化及其对推进性能的影响 247
7.4.5 推力器结构对推进性能的影响 249
7.4.6 国内相关研究进展 252
7.5 小功率长寿命霍尔推力器 253
7.5.1 磁屏蔽霍尔推力器设计原则 253
7.5.2 磁屏蔽霍尔推力器性能验证 256
7.5.3 推力器远场羽流特征 259
7.5.4 加速通道壁面溅射腐蚀特性 261
7.6 大功率脉冲感应推力器 264
7.6.1 推力器工作过程数值仿真研究 264
7.6.2 推力器关键组部件研发与系统集成 269
7.6.3 脉冲感应推力器性能测量技术 282
7.7 本章小结 284
参考文献 284
第8章 行星际飞行自主导航技术 287
8.1 引言 287
8.2 不同飞行阶段自主导航任务 287
8.3 导航传感器技术 290
8.3.1 国内外小天体深空探测任务传感器配置 290
8.3.2 典型光学导航传感器系统 296
8.3.3 自主导航技术国内外进展简介 298
8.4 导航信息获取与处理技术 300
8.4.1 导航信息 300
8.4.2 导航天体筛选 302
8.4.3 导航天体成像 308
8.4.4 导航图像的目标检测方法310
8.4.5 导航观测数据提取技术311
8.5 先进导航滤波技术 313
8.5.1 传统的卡尔曼滤波算法314
8.5.2 无迹卡尔曼滤波 315
8.5.3 无迹粒子滤波 317
8.6 姿态确定方法 317
8.7 轨道确定方法 320
8.7.1 天文测角导航 320
8.7.2 脉冲星测距导航 327
8.7.3 多普勒测速导航 328
8.8 近地小天体撞击任务自主导航方案构想 329
8.8.1 近地小天体撞击系统组成 329
8.8.2 各任务飞行阶段简介 330
8.8.3 自主导航关键任务 333
8.9 本章小结与发展建议 338
参考文献 339
第9章 行星际测控通信技术 346
9.1 引言 346
9.2 国内外深空网建设基本情况 347
9.2.1 美国深空网 347
9.2.2 欧洲航天局深空网 348
9.2.3 俄罗斯深空网 349
9.2.4 日本、印度深空测控通信设施 349
9.2.5 印度深空网 350
9.2.6 中国深空网 350
9.3 深空通信中的接收与发射技术 351
9.3.1 深空通信频段选择条件 351
9.3.2 航天器的收发器与天线 351
9.3.3 地基的大功率发射机 355
9.4 光通信技术 355
9.5 天线组阵技术 356
9.6 深空中继通信技术 358
9.6.1 针对特定探测任务的深空中继通信 358
9.6.2 支持太阳系探索的深空中继通信 360
9.7 深空中继通信星座设计 362
9.8 本章小结 364
参考文献 366
第10章 多功能薄膜航天器结构技术 369
10.1 引言 369
10.2 国内外太阳帆航天器发展情况 369
10.2.1 IKAROS太阳帆航天器 369
10.2.2 Nanosail-D太阳帆航天器 370
10.2.3 LightSail 2太阳帆航天器 371
10.2.4 “天帆一号”太阳帆航天器 372
10.2.5 太阳帆航天器结构技术的难点 372
10.3 太阳帆结构技术发展现状 373
10.3.1 总体构型设计 373
10.3.2 薄膜帆面设计 373
10.3.3 太阳帆支撑结构设计375
10.3.4 结构仿真分析技术 375
10.4 太阳帆展开技术 376
10.4.1 太阳帆帆面的展开方式 379
10.4.2 薄膜的折叠与收拢方法 384
10.5 多功能薄膜结构技术 385
10.5.1 多功能薄膜航天器结构系统设计 385
10.5.2 薄膜结构动力学建模与分析 389
10.5.3 支撑结构动力学建模与分析 401
10.6 本章小结 413
参考文献 414
第11章 用于近地小天体防御的小卫星集群技术 416
11.1 引言 416
11.2 弱引力场下的小卫星集群伴飞技术 416
11.3 小卫星集群多点附着方案 424
11.4 本章小结 429
参考文献 429
第12章 展望未来 430
12.1 未来可能的各种任务 430
12.2 新型航天器发展设想与展望 431
12.2.1 太阳帆航天器面临的主要难题 431
12.2.2 其他新型航天器发展建议及主要关键技术 434
12.3 近地空间协同观测体系构想 436
12.4 深空任务中的人工智能技术 437
12.5 我们的未来 439
12.5.1 宇宙中的我们 439
12.5.2 科学装置在宇宙学发展中的重要作用 441
12.5.3 未来的故事 443
参考文献 446
短评

近地小天体防御与利用 近地小天体(Near-Earth Objects,简称NEOs)是指那些轨道接近地球的天体,它们包括小行星和彗星碎片等。近年来,人们对这些小天体的防御和利用问题越来越关注,因为它们可能对地球带来潜在的威胁,同时也蕴含着许多有价值的资源。 首先,我们需要认识到近地小天体对地球构成的威胁。尽管大多数近地小天体会在进入地球大气层时燃烧殆尽,但仍存在一些可能在地球表面产生严重影响的较大天体。历史上,地球上发生过一些大规模的陨石坑事件,如1908年的托永斯卡事件和2013年的车里雅宾斯克事件,这些事件提醒着我们需要关注这个问题。为了防范潜在的灾难,我们需要发展近地小天体的防御技术。 近年来,科学家和工程师们已经提出了一些方法来防御近地小天体的威胁。其中一种方法是使用太空飞行器进行拦截和撞击。通过向即将撞击地球的小天体发送太空飞行器,可以改变其轨道或破坏它们的结构,从而减轻潜在的威胁。另一种方法是使用引力拖曳,即通过将一个较大的天体(如太空飞行器)靠近小天体,利用引力将其轨道稍微改变,使其远离地球。这些防御技术需要进一步研究和开发,以提高其可行性和有效性。 然而,近地小天体不仅仅是威胁,它们也是宝贵的资源库。近地小天体中可能含有丰富的金属、水和其他有用的物质。这些资源对于未来的太空探索和利用是非常重要的。例如,水是一种重要的资源,可以被分解成氢和氧,用于生命维持和燃料制造。此外,金属和其他矿物质可以用于建造和修复太空站或其他太空设施。因此,利用近地小天体的资源可以极大地促进太空探索和开发。 为了实现近地小天体的利用,科学家和工程师们已经提出了一些想法。其中一种是将近地小天体捕获并将其带回地球附近,以便进一步研究和开发。另一种是在近地小天体上建立采矿设施,直接在那里开采和加工资源。这些想法需要克服许多技术挑战,如如何捕获和运输这些小天体,以及如何有效地进行资源开采和加工。 近地小天体防御与利用是一个复杂而多样的领域,需要跨学科的合作和创新。它涉及天文学、物理学、工程学和资源管理等多个领域的知识和技术。未来,随着技术的进步和人类对太空的探索不断深入,我们将能够更好地了解和应对近地小天体的威胁,并实现其潜在的利用。这将为人类的科学研究、资源开发和太空探索带来新的机遇和挑战。

2023-07-10 07:12:06