木星探测轨道分析与设计

研究了与木星探测相关的轨道设计问题.重点关注木星探测轨道与火星、金星等类地行星探测轨道的不同及由此带来的轨道设计难点.首先分析了绕木星探测任务轨道的选择.建立近似模型讨论了向木星飞行需要借助多颗行星的多次引力辅助,对地木转移的多种行星引力辅助序列,使用粒子群算法搜索了2020年至2025年之间的燃料最省飞行方案并对比得到了向木星飞行较好的引力辅助方式为金星-地球-地球引力辅助.结合多任务探测,研究了航天器在飞向木星途中穿越主小行星带飞越探测小行星的轨道设计.最后,给出2023年发射完整的结合引力辅助与小行星多次飞越的木星探测轨道设计算例.     

“嫦娥二号”平动点和小行星探测试验中的轨道计算

正论文以CE-2(嫦娥二号)平动点飞行试验、小行星探测试验以及YH-1火星探测任务为背景,对深空探测测定轨技术开展研究.相关研究成果直接为小行星图塔蒂斯探测试验的拍照成像提供了高精度的轨道支持.针对YH-1火星探测开展了先期的测定轨研究,研究成果虽未能直接应用于火星探测任务,但积累的理论知识可服务于我国后续深空探测.论文的研究可以概括为以下几个方面:(1)回顾统计定轨理论,简单介绍了时空参考系、动力学模型、估值方法及考察协方差理论.     

使用体积离散方法计算不规则小天体表面重力场

在小行星探测任务中,航天器轨道设计需要充分考虑到小行星的非球形引力场的影响.太阳系中大部分小行星具有形状不规则、密度不均匀的特点,因此,在没有绕飞轨道数据的情况下,精确计算其引力场非常困难.利用不规则小行星的多面体模型,采用体积离散方法通过直接积分计算小行星引力场球谐系数和表面重力场分布情况.将该方法与多面体方法进行了比较,并以(433)Eros为例,通过该方法计算得到的结果与NEAR(Near-Earth Asteroid Rendezvous)探测器的轨道数据反演结果比较,C20项误差不超过2%,使用该方法对我国小行星探测任务拟探测的(1996)FG3小行星的重力场进行了计算.以嫦娥二号探测器飞越的(4179)Toutatis小行星为例,结合相应的雷达观测数据提供的小行星形状模型,计算其表面引力势情况,为通过飞越任务获取的光学图像分析其表壤的分布、流向等提供了相应的理论依据.该方法适用于密度不均匀天体,可为小行星探测任务轨道设计和着陆提供可靠的小行星引力场数据.     

小行星YORP效应的可探测候选体

YORP (Yarkovsky-O''Keefe-Radzievskii-Paddack)效应是小行星长期动力学演化的机制之一. 与碰撞、引力摄动等因素相比, YORP效应作用量级小, 短时标观测效应不明显, 这给直接测量YORP效应带来了很大的困难. 利用小行星光变数据库中已知的小行星数据, 统计了小行星的自转速率分布, 使用核密度估计以及Kolmogorov-Smirnov检验分别分析了近地小行星和主带小行星自转速率的分布特性, 分别给出了在近地小行星和主带小行星中寻找受YORP效应影响减速自转的最佳样本群; 基于7颗已被探测到YORP旋转加速度的近地小行星, 利用YORP强度估计方法和光变探测条件建立了筛选模型, 给出了未来可直接通过光变数据探测\lk YORP效应的10颗近地小行星.     

深空探测中的轨道设计和轨道力学

深空探测相对于地球卫星而言,指探测器脱离地球引力范围,进入行星际空间甚至距离地球更远的空间对太阳系内或者太阳系以外的天体进行探测. 从20世纪末尤其是21世纪以来,随着航天领域科技的进步和提高,对月球和太阳系其他大行星的探测,越来越多地得到世界各国的关注.近几年,我国也加快了对月球的探测步伐.2007年10月24日,我国成功发射了第1个月球探测器 嫦娥一号月球探测器,实现了精确变轨、成功绕月的预定目标,获取到大量科学数据和全月影像图,并成功实施受控撞月任务.2010年10月1日,我国又成功发射嫦娥二号月球探测器,获取了分辨率更高的全月影像图和虹湾区域高清晰影像,并成功开展环绕拉格朗日L2点等多项拓展性试验,为深空探测后续任务的实施奠定了基础.     

基于二叉树的太阳系小天体数值历表建立方法

在小天体深空探测任务中,经常需要调用力模型较完备的精确小天体数值历表,然而由于部分小天体可能有较大的轨道偏心率以及存在近距离飞越大行星的可能,导致传统的等区间分段切比雪夫多项式插值方法不适用于构建这些小天体的数值历表.在传统方法基础上采用结合误差自适应的二分法对原始轨道进行分段,并采用二叉树结构来组织所有的分段区间,能解决历表读取中的系数反查问题.以大偏心率近地小行星4179 Toutatis和3200 Phaethon、大偏心率彗星2P/Encke以及将近距离飞越地球的99942 Apophis小行星为例,通过数值仿真证实了该算法的有效性.由于该方法没有对小天体的轨道性质做任何要求,因此能够作为构建太阳系小天体数值历表的通用方法,可应用于大量目标小天体的精确轨道设计中.     

小行星(469219) Kamo`oalewa轨道的确定与误差分析

作为一颗与地球共轨道的小行星,(469219)Kamo'oalewa是一个具有很高研究价值的近地小天体,也是中国首次小行星探测计划的目标天体之一.针对其轨道特性,建立了兼顾太阳、地球和月球非球形引力作用的小行星动力学模型.并在该模型的基础上,利用国际小行星中心(Minor Planet Center,MPC)提供的2004|2018年间的光学观测数据对该小行星的轨道进行确定.拟合后观测残差的均方根误差约为0:2″(与美国喷气推进实验室的Horizons在线历表系统相当),其中2004年期间数据的观测残差有所改进.最后,对小行星(469219)Kamo'oalewa的轨道误差进行了详细分析,并预报了2020-2025年期间该小行星的轨道误差.     

摄动分析法在小推力轨道优化中的应用

在对太阳系近地小行星的多目标多任务探测中,从大量小行星中快速筛选出可到达目标小行星是小推力轨道设计中一直在努力解决的问题.考虑了小推力作用下的探测器在行星际空间中的轨道运动,通过借鉴天体力学中摄动分析法的思想将小推力作为摄动力来考虑,给出了1阶意义下给定时间内两条开普勒轨道在小推力作用下得以转移成功的必要条件.该条件形式上为几个始末轨道根数差的简单组合,计算量极小,可以用来迅速剔除掉许多无法在给定时间和小推力作用下直接到达的小行星,数值结果验证了近地小行星探测情况下该条件的有效性.     

近地小行星(10302) 1989 ML和(4660) Nereus的轨道特征及演化分析

近地小行星(10302) 1989 ML和(4660) Nereus作为下一代深空探测的候选目标一直备受关注. 在考虑太阳系主要天体的动力学背景下, 通过计算最大Lyapunov指数(MLE)及MEGNO (Mean Exponential Growth factor of Nearby Orbits)指数讨论它们的稳定性. 同时, 对每个小行星, 在其观测误差范围内按多元正态分布各选取1000个克隆粒子, 通过统计分析显示这两个小行星在10万年内可能的运动范围, 给出半长径-偏心率空间中的出现次数分布图, 并统计小行星与地球或其他大行星之间的密近交汇及碰撞的概率. 此外还对这两个小行星的标称轨道进行长期共振、Kozai共振及平运动共振的动力学分析. 综上得出结论, 1989 ML处在平运动共振主导的区域, 发生密近交汇的概率较小, 从而其轨道相对较稳定; 而Nereus处在地球的密近交汇区域, 轨道极不稳定.     

一种载人小行星探测轨道优化设计方法

给出了一种基于变比冲核电推进载人飞船探测小行星的轨道优化设计方法.首先基于双脉冲单圈Lambert轨道转移,对地球出发段和返回段进行搜索剪枝,再从两个可行区域中优选最佳飞行路径.设定"推进-滑行-推进"的分段飞行策略,以工质消耗最少为指标,利用混合法优化核电推进飞行轨迹,最后以分段优化参数为初值,基于整体任务约束将全飞行过程转化为非线性优化问题,将各飞行段进行拼接,获得整体参数优化解,并给出了数值和图形结果.     

New approximate forms for theH-function for isotropic scattering

Three new approximate forms for theH-function for isotropic scattering have been developed. Each of the forms involve three unknown functions of albedo .     

Corrections for the Lutz-Kelker bias for Galactic masers

Based on published data, we have collected information about Galactic maser sources with measured distances. In particular, 44 Galactic maser sources located in star-forming regions have trigonometric parallaxes, proper motions, and radial velocities. In addition, ten more radio sources with incomplete information are known, but their parallaxes have been measured with a high accuracy. For all 54 sources, we have calculated the corrections for the well-known Lutz-Kelker bias. Based on a sample of 44 sources, we have refined the parameters of the Galactic rotation curve. Thus, at R ₀ = 8kpc, the peculiar velocity components for the Sun are (U _⊙, V _⊙, W _⊙) = (7.5, 17.6, 8.4) ± (1.2, 1.2, 1.2) km s^?1 and the angular velocity components are ω ₀ = ?28.7 ± 0.5 km s^?1 kpc^?1, ω ₀′ = +4.17 ± 0.10 km s^?1 kpc^?2, and ω₀″ = ?0.87 ± 0.06 km s^?1 kpc^?3. The corresponding Oort constants are A = 16.7 ± 0.6 km s^?1 kpc^?1 and B = ?12.0 ± 1.0 km s^?1 kpc^?1; the circular rotation velocity of the solar neighborhood around the Galactic center is V ₀ = 230 ± 16 km s^?1. We have found that the corrections for the Lutz-Kelker bias affect the determination of the angular velocity ω ₀ most strongly; their effect on the remaining parameters is statistically insignificant. Within themodel of a two-armed spiral pattern, we have determined the pattern pitch angle $i = - 6_.^ \circ 5$ and the phase of the Sun in the spiral wave χ ₀ = 150°.     

Proposal for Creating a Device for Deorbiting Low-Earth-Orbit CubeSats

The article discusses proposals for creating a standard unit based on CubeSat technology, an independent autonomous aerobraking device based on inflatable balloons or a solar sail cone section. The proposed devices have a simple start-up system and are an additional component in the CubeSat assembly for deorbiting from low-Earth orbits.     

Position calibration methodology for scanning sky monitor for ASTROSAT

Scanning Sky Monitor (SSM) on ASTROSAT is an X-ray sky monitor which has a large Field of View (FOV) and scans the sky to detect and locate X-ray transient sources in the energy range 2 to 10 keV. Experiments are carried out to calibrate SSM detectors for position response and to verify the calibration constants derived. In this paper we discuss the methodology of position calibration of proportional counters for SSM and results from various experiments.     

Steps for Building a Calibrated Flux-Transport Dynamo for the Sun

Given the complexity involved in a flux-transport-type dynamo driven by both Babcock – Leighton and tachocline α effects, we present here a step-by-step procedure for building a flux-transport dynamo model calibrated to the Sun as a guide for anyone who wishes to build this kind of model. We show that a plausible sequence of steps to reach a converged solution in such a dynamo consists of (i) numerical integration of a classical α – ω dynamo driven by a tachocline α effect, (ii) continued integration with inclusion of meridional circulation to convert the model into a flux-transport dynamo driven by only a tachocline α effect, (iii) final integration with inclusion of a Babcock – Leighton surface α effect, resulting in a flux-transport dynamo that can be calibrated to obtain a close fit of model output with solar observations.     

POLIS: A spectropolarimeter for the VTT and for GREGOR

The polarimetric Littrow Spectrograph POLIS is designed for vector polarimetry at high angular and spectral resolution. It measures the magnetic field simultaneously in the photosphere and the chromosphere of the sun. Both branches of the polarimetry unit are dual beam systems with a single rotating modulator for both wavelengths and polarizing beam splitters in front of each CCD camera. POLIS has been installed at the VTT on Tenerife and has seen First Light on 17 May 2002. A modified version of POLIS will be developed for the balloon mission Sunrise . That version will have UV capabilities down to 200 nm.     

Instructions for authors

Research in Astronomy and Astrophysics publishes original research papers and reviews on all branches of astronomy and astrophysics.Reviews are by invitation only.Important new results that require rapid publication can be submitted as a Letter(Letters must be restricted in length to 6 printed pages).