中国空间科学技术

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木星系科学探测研究与展望

邹昕, 彭兢, 缪远明

2023 (6): 1-10. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0078

摘要 ( 419 )

PDF(3340KB) ( 774 )

为了更好地规划中国首次木星系科学探测任务，对国外历次木星系探测任务的发展状况进行了调研分析，包括7 次飞越探测、2 次环绕探测（伽利略号和朱诺号），归纳总结了木星系探测任务的科学目标、载荷配置及其探测成果情况，分析得到了木星系科学探测任务特点和启示。最后，在上述分析和待解决问题的基础上，提出了中国木星系科学探测任务的初步设想与发展展望。

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月基装备自主路径规划研究与展望

王中旭, 鲁亚楠, 周燕, 文世峰, 周诚

2023 (6): 11-24. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0079

摘要 ( 226 )

PDF(14918KB) ( 318 )

考虑到月面极端环境的复杂性和探月高昂的成本，使用高自动化的月基装备来担任月面探测、物资运输、基地建设等任务是最佳选择。月基装备的自主移动依赖路径规划，因此，基于月面极端环境和复杂地形对月基装备自主移动造成的影响，针对月基装备的自主路径规划问题，阐述了4类全局路径规划的常用算法，即启发式算法、基于采样的算法、基于图搜索的算法和人工智能算法，以及两种主要的局部路径规划方法，即基于视觉的路径规划方法和基于激光雷达的路径规划方法。归纳总结了国内外现有月基装备自主路径规划方法的优缺点与应用场景，展望了月基装备自主路径规划的发展趋势，为未来月基装备自主移动系统的设计和应用提供参考和借鉴。

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小行星物质组成研究新方法探索

程雅苹, 杨勇, 郭万磊

2023 (6): 25-31. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0080

摘要 ( 160 )

PDF(2973KB) ( 248 )

小行星携带着太阳系形成初期原始成分的信息，是研究“一黑两暗三起源”太阳系起源问题的活化石。有些小行星含有稀土、金属等元素，探明小行星的物质组成是展开太空资源利用的前提。目前的天体组分研究手段，例如光谱分析和实验室样品分析等，存在非原位、精度差、易污染等问题。银河系宇宙线诱发伽马谱是一种值得探索的新方法，可用于研究小行星物质组成。通过蒙特卡洛模拟分析，对01s宇宙线辐照下诱发产生的伽马能谱进行了研究，并报告了铁、氧等元素的激发特征伽马谱，与权威核数据库一致。基于极大似然估计数理分析方法，对S型小行星的数值模拟伽马谱进行了反解，并得出与输入的真实值符合良好的结果，元素质量百分比的绝对误差小于5%。这项研究初步论证了基于诱发伽马谱实现S型小行星物质组成原位识别的可行性，并展示了超高的灵敏度，能够检测质量百分比低至3%的元素。该方法还适用于无大气层的天体（例如月球或火星），用于了解天体物质成分，服务太空资源开发利用的工程目标。此外，通过对搭载了伽马谱仪的科学数据进行物理解释，可以了解天体的地质历史，进而回答太阳系起源演化问题。

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月面科研站分布式能源系统研究

袁勇, 赵晨, 曹彦, 刘志强, 胡震宇

2023 (6): 32-42. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0081

摘要 ( 257 )

PDF(3965KB) ( 386 )

月面科研站是月球科研站的月面探测集群，由多个任务单元组成，包括月面的指挥控制中枢、月面/月地通信系统、月面能源系统以及各个探测任务单元。能源系统是月面科研站的重要组成部分，为了高效地配置、调度和运维能源系统，提出了昼间以光伏发电为主、夜间核电系统进行能源补充的分布式能源系统方案。对月面科研站的分布式能源系统开展研究，分析了各个任务平台的发电能力、分析科研站的用电需求和各种载荷用电特点，对月面科研站分布式能源系统的体系构架进行了对比分析，优选星形构架的分布式科研站能源系统方案。提出10kW级长期载荷供电方案和系统构成，对月面科研站能源系统的关键技术和建造方式进行分析，能够应用于后续月面科研站的能源系统建设和组织运维。

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仪器偏振对空间干涉仪高对比度成像的影响

袁沭, 姜爱民

2023 (6): 43-50. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0082

摘要 ( 134 )

PDF(7705KB) ( 155 )

为实现基线运动和相位控制，空间干涉仪中会包含有大量的折轴光路，它们往往具有很强仪器偏振效应。当各干涉支路的仪器偏振不一致时，系统中出现偏振像差，它会劣化干涉仪的成像质量和干涉条纹对比度，因此对干涉仪的光学设计进行偏振分析与优化非常必要。为此，发展了考虑仪器偏振效应的综合孔径系统干涉成像模型，开发了基于偏振光线跟踪技术和矢量傅里叶变换方法的偏振条纹模拟方法。以一个三孔径菲索干涉仪为例，讨论了折轴光路几何结构和镀膜对干涉仪成像特性和消零干涉对比度的影响。结果表明，例子干涉仪的仪器偏振主要来自折轴光路中的延迟线，它由4个共入射面的45°镜构成。在可见光波段，干涉条纹的轮廓和对比度对折轴光路的几何设计非常敏感。将各干涉臂延迟线的反射面设计为相互平行能够降低偏振像差，使合成光束的成像特性基本达到衍射极限的成像质量。但在可见光波段，该方法难以实现地外行星探测所要求的高对比度。综上，仪器偏振是影响空间干涉仪探测性能的重要因素，空间干涉仪必须采用偏振优化设计以达到期望的高分辨和高对比度观测能力。

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小尺度弱强度湍流燃烧地面匹配实验研究

孔文俊, 赵若霖, 袁志伟

2023 (6): 51-57. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0083

摘要 ( 118 )

PDF(5829KB) ( 141 )

小尺度弱强度湍流燃烧研究是中国空间站建造期燃烧柜实验项目之一，开展地面匹配实验，目的是为空间站湍流燃烧实验验证燃烧器接口匹配性，并确定实验工况。报告了空间燃烧实验柜约束条件，设计研制了满足空间站燃烧实验柜中研究小尺度弱强度湍流燃烧实验用的燃烧器，建立了地面实验系统，采用PIV进行了燃烧流场湍流度测量。实验结果表明，当网格目数增大时，出口最大湍流强度减小；来流预混气的速度对火焰中的相对湍流度仅起微弱影响，说明火焰中的这种湍流是一种小尺度旋涡引起的；不同当量比实验结果表明，火焰内湍流强度明显高于来流预混气和燃烧产物区的湍流强度。采用所设计的燃烧器在燃烧实验柜中开展了匹配实验，证明了所设计的燃烧器接口匹配好，能顺利点火燃烧。

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毫米级大光斑熔融月壤粉末床的原位观测研究

沈天闰, 全晓军, 姚伟

2023 (6): 58-65. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0084

摘要 ( 171 )

PDF(9840KB) ( 166 )

由于松散粉末床的导热性很差，直接使用低功率能量束熔融打印时，连续的熔道不易形成。为了提高太阳光聚光熔融月壤打印过程中的能量穿透深度，开展了大尺寸光斑熔化模拟月壤粉末床时，熔池形成过程的原位观测研究。为了模拟太阳光汇聚光斑，将激光的光斑尺寸扩束至数毫米，并直接作用于无基底的厚粉末床表面。基于高速成像技术，原位观测了激光作用过程中的熔滴生长情况。实验发现，部分熔化的表层粉末表现出颗粒间的大规模协同作用，称为“卷吸”过程。在该过程中，粉末床表面依次发生表层卷起、与粉末床分离、融入熔滴，导致了熔滴的不连续生长。基于光斑与粉末床作用的能量守恒关系，分析了熔滴尺寸的生长规律，并与实验结果进行了对比。结果表明，低功率大光斑激光产生的熔滴一般不会超过光斑范围，且功率越高，卷起的粉末层熔化越不完全，此时具有更高的能量利用效率。卷吸机制绕开了低导热性的限制，特别是针对月壤熔融打印技术，使得厚粉末床上直接打印熔道在机制上成为可能。

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模拟月壤3D打印致密化成型研究

刘祎炜, 张弦, 王超, 宋坚, 陈雄, 姚伟

2023 (6): 66-73. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0085

摘要 ( 319 )

PDF(7898KB) ( 559 )

月壤原位3D打印（增材制造）可实现月球基地的原位建造和关键部件的原位制造，大幅降低月球探测任务的成本和风险。搭建了选择性激光熔融模拟月壤实验系统，开展单轨成型实验，探索激光功率，扫描速度、首层粉末厚度对样品致密化的影响，同时测量了每条轨道的宽度和深度。研究结果表明，单轨宽度随着扫描速度的增高而下降，直至几乎不变。同一激光功率下，单轨深度随着首层粉末厚度增加而变深。单轨深度随着扫描速度的升高，先升高后下降。单条熔道密度可以达到2.5g/cm3，此时相对密度为86%。随着扫描速度增加，不同层厚单轨密度均稳定在1.7g/cm3。首层粉末厚度越薄时，单轨密度也是略高于其他层厚。这些数据将为原位建造技术提供重要支撑。

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多模式离子液体推进剂的直流电点火特性研究

陈旭灿, 卓建坤, 王尊, 甘辛, 唐勇, 姚兆普, 李水清, 姚强

2023 (6): 74-82. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0086

摘要 ( 123 )

PDF(9387KB) ( 172 )

直流电点火具备快速点火能力，有望取代传统催化燃烧以实现高含能离子液体推进剂的无催化快速启动。针对新型多模式硝酸羟胺（HAN）基离子液体推进剂，开展了大气条件下直流电点火实验研究。首先，测试了不同输入电压下的牺牲电极（铜和铝）和惰性电极（不锈钢、铂、银、钨、钼和石墨）的电学响应特性，获得了不同电极材料对应的最低点火电压。结果表明，采用钼和铜电极均能在输入电压80V下实现电解点火，且临界电解响应时间小于1s。进而，通过测试不同材料的阴阳电极组合，揭示了铜作为牺牲电极促进电化学反应的规律。最后，使用高速摄影技术捕捉了电解点火过程中气泡的生成和演变，发现阳极表面产生气泡更为剧烈。基于测试的8种电极材料实验结果，发现阳极是咪唑基离子液体电解产生气态产物的主要区域，对于离子液体的点火设计提供了理论支撑。

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基于仿生功能器件的地外水分解制氢技术

张策, 杨金禄, 尹钊, 胡博韬, 熊劲松, 王兆龙, 赵俊凯, 姚伟

2023 (6): 83-90. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0087

摘要 ( 151 )

PDF(9892KB) ( 226 )

针对地外空间水分解反应面临的低制氢效率和微重力环境适应性等关键科学技术问题，采用光合成创新方法优化水分解制氢催化反应和气液分离过程。为解决贵金属基催化剂高成本和难以加工微纳结构电极等问题，设计并制备了一种具有超薄二维网状结构的磷化钴/氢氧化钴（CoPOH）复合催化剂。该复合催化剂在电流密度为10mA/cm2的条件下过电势仅为12mV，Tafel斜率仅为61.2mV/dec，经过1000次循环伏安测试后过电势仅提高26mV。以上结果表明该复合催化剂能够有效提高产氢速率和能量转化效率，并具有良好的稳定性。此外，利用面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术，模仿水黾腿部的超疏水表面制备了一种具有微米结构的亲气疏水仿生Janus功能界面。该界面能够使不同种类气体沿与重力相反的方向快速穿过，平均时间仅为2.4ms。基于该界面优异的气液分离特性制备的水分解制氢功能器件，可克服传统制氢反应中气体扩散和多种产物混合带来的分离难题。在微重力环境下，由于氢气难以快速在电极表面脱附和输运，显著影响析氢反应效率；利用本研究制备的功能界面，气体能够沿重力方向快速穿透，为克服地外环境下多相反应界面上气体脱附与分离难题提供了有效的解决方法。通过制备具有优良催化性能的复合催化剂和适应微重力环境的仿生功能界面，研制了地外水分解制氢功能原理器件，不仅为地外原位资源利用提供了理论和试验基础，还为构建地外碳氢氧闭合物质系统中析氢反应装置设计提供了解决方案。

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绕月应急返回轨道的两参数设计

董畑姗, 韩潮

2023 (6): 91-99. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0088

摘要 ( 130 )

PDF(3128KB) ( 156 )

对于载人月球探测任务，绕月应急返回轨道是地月转移末端保障航天员安全的重要途径。针对绕月应急返回轨道高非线性和高灵敏性的特点，通过引入近月点高度和近月点转移时间两个参数，提出了一种基于伪状态理论和类Lambert问题的绕月应急返回轨道设计方法。该方法建立的模型简单高效，避免了传统方法对整个轨道设计过程的繁重数值迭代，实现了绕月中止轨道的快速高精度设计。利用所提出的两个参数的特点，进一步研究了两参数描述的固定应急点位置和基本再入约束下绕月应急返回轨道的所有可行解，给出了可行绕月应急返回轨道随设计参数变化的规律，并提供了基本约束下参数描述的可行绕月应急返回轨道的全局视图，可为载人月球探测任务顶层任务分析与设计提供参考。

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可持续性月球水资源提取利用设计与分析

杨阳, 王庆功, 王超, 姚伟

2023 (6): 100-111. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0089

摘要 ( 194 )

PDF(9362KB) ( 289 )

月球极区水冰资源开发利用是月球基地建设和可持续性运行的重要支撑技术之一。在对月球南极永久阴影区的工作地点进行选址的基础上，调研了国内外月球极区水冰资源开发利用计划、实施方案和发展趋势。提出了一种可持续性月球极区含冰月壤水资源提取利用方案，由移动式基地载具、原位钻取机器人和可移动式反射镜组三部分组成，具有灵活布置以持续性开采阴影坑内水冰资源的能力。对所设计方案的物质流和能量流进行了计算建模，并进行了程序化分析。计算结果表明，通过提升太阳能传递效率、光电转换效率、热提取加热效率和水电解效率，初始水冰质量含量高于5.0%，可以显著减少系统任务的总能耗。方案设计与分析结果可为中国月球基地任务提供参考。

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陆地生态系统碳监测卫星系统设计与技术创新

曹海翊, 张新伟, 黄缙, 贺涛, 毛一岚, 卢清荣

2023 (6): 112-124. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0090

摘要 ( 308 )

PDF(7752KB) ( 396 )

由国家民用空间基础设施支持的陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”瞄准森林碳汇储量评估的需求，配置了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪和多角度偏振成像仪等4个载荷。卫星采用主被动遥感相结合的体制，综合运用激光、多角度、多光谱、超光谱、偏振等遥感手段，可实现植被生物量、叶绿素荧光、气溶胶分布的高精度定量测量。通过在轨定标和真实性检验，发布了包括森林树高、生物量、叶绿素荧光等反演产品。目前该卫星处于在轨测试阶段，预期在地面坡度小于5°的区域，树高测量精度优于1.5m，区域尺度的生物量反演精度优于85%。该卫星将在碳汇储量监测、生态资源详查、国家重大生态工程监测评价等方向上提供遥感监测服务，为“碳达峰、碳中和”战略发挥遥感力量。

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陆地生态系统碳监测卫星多角度偏振成像仪细粒子气溶胶反演

谢一凇, 范兰兰, 李正强, 洪津, 林军, 郑杨, 董鉴韬, 伽丽丽, 马䶮, 张罗, 王羿, 涂碧海, 朱梦瑶

2023 (6): 125-134. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0091

摘要 ( 185 )

PDF(6710KB) ( 248 )

细粒子气溶胶光学厚度是大气环境监测、气候变化评估所需的关键参数。对2022年8月发射的陆地生态系统碳监测卫星（CM-1）上搭载的多角度偏振成像仪（DPC）进行了较为系统的介绍。DPC/CM1的主要改进是星下点空间分辨率从3.3km提升到2.4km。针对DPC/CM-1载荷及数据特点，发展了基于偏振与光谱特征和空间纹理特征的云检测方法，同时耦合了多角度信息实现较严格的云像元判识。该方法对于沙漠、植被、丘陵，以及海表耀光及非耀光区域等不同下垫面，均有较好的检测效果。发展了基于改进气溶胶模型的细粒子气溶胶光学厚度（FAOD）反演算法，利用全球地基气溶胶观测网（AERONET）数据对FAOD反演结果进行了验证，拟合直线斜率达到0.95以上，且有接近73%的数据分布于期望误差以内，说明了反演算法的可靠性。FAOD反演结果清晰显示出全球FAOD空间分布特征，其中，印度、非洲中部等地区受人口分布、工/农业排放、生物质燃烧等影响，FAOD高值达到0.7~0.9。DPC/CM-1在轨测试期间的初步反演结果表明其在大气环境监测、污染传输分析等方面的潜力，能够提供更精细尺度的大气参数反演结果。

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陆地生态碳卫星植被激光雷达大动态激光探测技术

彭欢, 倪建军, 孙立, 杨居奎, 张靖涛

2023 (6): 135-141. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0092

摘要 ( 161 )

PDF(4926KB) ( 270 )

陆地生态碳卫星搭载了基于脉冲时间飞行法的全波形激光雷达。针对林业高保真大动态的高精度测量需求，激光雷达设计了双增益探测通道，通道带宽优于80MHz，采样率1.2GHz，量化位数12bit，双通道动态范围覆盖超过40dB，实现了对激光主波和回波信号的不失真记录。时间测量单元利用优于10^-8的高稳定恒温晶振作为时间基准，通过高效波形提取和高精度质心提取算法，达到了时间测量精度优于300ps的技术指标。对双通道数据的相对延时进行了测量标定，利用其单次测量延时固定的特性提出了双通道测量数据的融合应用建议。目前激光雷达已在轨运行1年，运行良好，在轨标定测距精度优于0.15m，满足研制要求。

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“句芒”号卫星超光谱探测仪设计与系统验证

井亚舟, 段鹏飞, 李碧岑, 王伟刚, 安宁, 夏晨晖, 崔博伦

2023 (6): 142-149. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0093

摘要 ( 173 )

PDF(4846KB) ( 202 )

随着双碳目标的提出，碳监测定量化遥感技术的发展需求日益迫切，对日光诱导叶绿素荧光定量化的遥感监测可以作为植被实际光合作用效果和碳循环效能评价的重要手段。介绍了“句芒”号卫星的有效载荷之一超光谱探测仪的性能指标、设计方案、系统组成、验证结果及在轨运行情况。超光谱探测仪是面向太阳诱导植被荧光探测的精密光学仪器，系统采用了推扫成像和光栅色散分光的技术方案，经过测试验证，光谱分辨率优于0.3nm，地面像元分辨率达到1.5km，典型输入辐亮度条件下系统信噪比优于500，各项指标均满足和优于探测任务需求，具备高光谱分辨率、高信噪比、高稳定性的探测能力，其良好的表现将在植被监测和碳循环应用等方面发挥重要的作用。

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基于星载双波长偏振探测的大气探测激光雷达系统设计

赵一鸣, 李飞, 潘超, 李静, 于勇, 李凉海

2023 (6): 150-159. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0094

摘要 ( 192 )

PDF(7086KB) ( 214 )

为获取全球大气气溶胶的垂直分布，解决现有大气环境监测受地域限制的难题，提出了星载大气探测激光雷达系统。该系统工作于卫星平台，采用双波长532nm、1064nm激光作为探测光源，结合偏振探测方式，获取大气气溶胶、云的垂直分布、粒子形状、粒子大小信息，实现了全球范围内大气的全天时、立体观测，弥补大气环境监测体系的不足。星载大气探测激光雷达系统提出自洽谐振腔的激光器发射技术，解决了星载大能量双波长激光器长期高效工作难题，实现双波长激光输出能量110mJ；提出了空间平腔标准具滤波技术，解决了空间环境大气回波高效滤波和在轨滤波带宽与激光带宽匹配难题，实现滤波带宽40pm；提出了空间高精度激光指向调整技术，实现指向调整精度优于5μrad。通过研制星载大气探测激光雷达系统对大气气溶胶进行探测，获取15km高度以内的大气垂直廓线，有效识别大气层中底层气溶胶、中层的云以及高空的大气分子的形态和演变过程。

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