首个造访矮行星的探测器:黎明号进入谷神星轨道|轨道|黎明|飞船_科学探索_新浪科技_新浪网
首个造访矮行星的探测器:黎明号进入谷神星轨道
　　3月1日由黎明号拍摄的谷神星，此时距离飞船进入谷神星的轨道仅有不到一周的时间了。拍摄这张图像时飞船距离谷神星约4.8万公里
　　由于黎明号采用创新的离子发动机，其轨道捕获过程也显得相当“诡异”。这是捕获发生时飞船的飞行轨迹
NASA确认黎明号已经进入谷神星轨道
　　新浪科技讯&北京时间3月6日晚间消息，从美国宇航局传来的消息显示，根据NASA&深空网接收到的信号数据分析确认，黎明号飞船目前已经安全地进入了谷神星的轨道。这也就标志着“黎明”号飞船成为了有史以来首个造访一颗矮行星并进入其轨道运行的探测器。
　　美国东部时间3月：6日07:39(北京时间20:39)，黎明号开始被谷神星引力场捕获，此时飞船距离谷神星约6.1万公里。美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的任务控制人员在美国东部时间8:36(北京时间21:36)接收到来自飞船发回的信号，在经过分析之后确认黎明号飞船状况一切正常，其安装的离子发动机也工作正常，飞船已经进入谷神星轨道。
　　1801年，意大利西西里岛的天文学家皮亚齐神父(Father&Giuseppe&Piazzi)最早发现了谷神星，并在当时被认为是发现了一颗新的大行星，尽管它相比其他大行星来说似乎显得太小了。但很快，随着在同一区域其他许多类似天体的陆续发现，人们意识到谷神星可能并非一颗大行星，于是它被归入了小行星的行列——尽管它似乎显得太大了。一直到2006年，在布拉格召开的国际天文学会议(IAU)上，谷神星与遭受降级的冥王星和新发现的阋神星一起被归入一个新设立的分类：矮行星。
　　除了是首个探访一颗矮行星的探测器之外，黎明号还开创了先后围绕两颗天体进行考察的新纪录。黎明号于2007年9月份发射升空，经过4年多的漫长飞行之后于2011年抵达它此行的首个目标灶神星，并在围绕灶神星的轨道上进行了为期一年的科学考察工作。灶神星(Vesta)和谷神星一样，都位于火星与木星之间的小行星带内围绕太阳公转。之所以黎明号能够做到这一点是因为它采用了创新的离子发动机，其安装的3台离子发动机相比传统的化学发动机，其工作效率要高得多。
　　在3月1日拍摄的最新图像上，谷神星呈现一轮弯月，大部分区域处于阴影之中，这是因为飞船轨道规划使其进入了视野背向太阳的方向，这一状况将一直持续到四月中旬才会逐渐改观。届时黎明号将从谷神星的阴影中走出来并开始拍摄极高分辨率的谷神星地表图像。
　　在得到飞船成功入轨的消息后，黎明号项目首席科学家，加州大学洛杉矶分校的克里斯·拉塞尔(Chris&Russell)表示：“我感到非常兴奋。在接下来的一年半时间里我们将有大量的工作要去做，但我们干劲十足，并且制定了完善的获取科学数据的计划。”
　　黎明号项目由美国宇航局喷气推进实验室(JPL)负责管理，其属于美国宇航局马歇尔空间飞行中心负责管理的“发现”项目旗下任务之一。加州大学洛杉矶分校则负责整个任务的科学探测工作。总部设在弗吉尼亚州的Orbital&ATK&Inc公司负责飞船本身的设计和建造工作。
　　德国航天局，马克斯普朗克太阳系研究所，意大利航天局以及意大利国家天体物理研究所作为国际合作伙伴都参与了黎明号探测项目。(晨风)
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星际探测中小推力转移轨道设计与优化方法研究.pdf 148页
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国内图书分类号：V448.2
国际图书分类号：629.78
工学博士学位论文
星际探测中的小推力转移
轨道设计与优化方法研究
栾恩杰教授
崔平远教授
申请学位级别： 工学博士
飞行器设计
飞行器动力学与控制研究所
2007 年7 月
授予学位单位：
哈尔滨工业大学
Classified Index: V448.2
U.D.C.: 629.78
Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
DESIGN AND OPTIMIZATION OF
LOW-THRUST INTERPLANETARY
TRANSFER TRAJECTORY
Candidate ：
Supervisor：
Prof. Luan Enjie
Associate Supervisor ：
Prof. Cui Pingyuan
Academic Degree Applied for ：
Doctor of Engineering
Speciality：
Spacecraft Design
Affiliation ：
Spacecraft
and Control
Date of Defence ：
July, 2007
Degree-Conferring-Institution ：
Harbin Institute of Technology
二十一世纪，迎来了深空探测技术研究与计划实施的新高潮，远日行星
探测、重返月球、小行星及彗星探测等相关深空探测任务都已经开始实施或
提上日程。由于在星际探测任务中，通常需要巨大的速度增量来实现轨道转
移，因此具有高比冲的小推力推进系统在深空探测任务中的应用已经受到了
广泛的关注。小推力推进系统的应用极大的增加了有效载荷的质量百分比、
缩减了任务成本，增大了科学回报，但同时也对轨道设计技术提出了新的要
求和挑战。
本学位论文结合 863
计划项目“深空探测自主技术与仿真演示系统”、
“星际高速公路的低能量转移轨道设计技术研究”以及国家自然科学基金资
助项目“深空探测转移轨道机理与优化方法研究”，针对深空探测中的小推
力轨道设计与优化技术进行了研究，主要研究内容包括以下几个方面：
针对小推力星际巡航段轨道设计和优化问题，提出一种用于初始轨道设
计和性能预估的“标称轨道法”和一种可用于复杂巡航段小推力轨道精确设
计的“退火遗传-混合优化算法”。标称轨道法通过引入标称轨道的概念，并
利用开普勒轨道的特性对轨道优化模型进行转化，从而加快了计算速度，克
服了传统方法在收敛性方面存在的问题，可用于小推力轨道的性能预估和轨
道搜索。退火遗传-混合优化算法从分析轨道优化问题对共轭状态敏感的原
因入手，对共轭状态猜测方法做出改进从而降低轨道优化问题对初值猜测的
敏感度，适合用于优化复杂的小推力巡航段轨道。
针对近行星
正在加载中，请稍后...电火箭如何驰骋在空间
导读：▲最早使用电推进系统的美国“深空1号”。
▲美国“黎明”号小行星探测器上的氙离子推力器。
▲我国研制的霍尔推力器（左）和离子推力器。
日前，中国航天科技集团五院502所成功研制出我国首个磁聚焦霍尔推力器。它采用新一代霍尔推力器技术，代表着目前国际上的主流发展方向，较国外同类产品，在比冲、效率等方面性能指标可提升20%以上。
到了太空上，电火箭独具优势
霍尔推力器，名字听上去很高冷，其实它是电推进系统中的一种，而电推进系统又是火箭的一种。它
▲最早使用电推进系统的美国“深空1号”。▲美国“黎明”号小行星探测器上的氙离子推力器。▲我国研制的霍尔推力器（左）和离子推力器。谢博日前，中国航天科技集团五院502所成功研制出我国首个磁聚焦霍尔推力器。它采用新一代霍尔推力器技术，代表着目前国际上的主流发展方向，较国外同类产品，在比冲、效率等方面性能指标可提升20%以上。到了太空上，电火箭独具优势霍尔推力器，名字听上去很高冷，其实它是电推进系统中的一种，而电推进系统又是火箭的一种。它有个很通俗的名字，叫电火箭。电火箭与目前发射航天器用的化学火箭不同。化学火箭是通过推进剂催化反应或氧化剂燃烧剂反应产生高温，将推进剂加热后喷出；电火箭不使用化学燃料，而是用电能加热或电离推进剂，使其加速喷射而产生推力。或者这么说吧，化学火箭是推进剂本身发生化学反应产生能量，并利用这种能量推动火箭。而电火箭，推进剂本身是不产生能量的，它是利用外部电能转换为推进剂喷射动能，并推动火箭。两种火箭都要消耗推进剂，不过消耗量有很大区别。对于同样的宇航任务，电火箭效率高，它消耗的推进剂约为化学火箭的1/10甚至更少。其电能由飞行器提供，一般由太阳能、核能或化学能经转换装置得到，目前主要是用太阳能，所以又叫太阳能电火箭，有些国家正在研制核能电火箭。推进剂常用氢、氮、氩或碱金属的蒸气等。还有一个与此相关的概念叫比冲，就是消耗单位质量推进剂所能产生的冲量，比冲越大，意味着推进技术性能越高，其大小则主要取决于推进剂的喷出速度。如前所述，电火箭的比冲要比化学能火箭大得多，此外，它还有高效率、省燃料、振动小、低成本、长寿命和较安全等一系列优点。电火箭发动机更是具有寿命长的优点，可起动上万次，累计工作上万小时。电火箭有这么多优点，但也有一个巨大的缺点，就是推力小，一般小于100牛。所以，如果指望用电火箭把航天器从地面发射到太空上，是万万不可能的，目前发射航天器还只能是化学火箭显身手的地方。但是一旦到了太空上，情况就大大不同了，对于航天器的姿态控制、位置保持、变轨和星际航行等工作，电火箭有着化学火箭不可比拟的优势，不过，利用电火箭变轨时所需要的时间比化学火箭长许多。研发几十年，全电推进已成熟应用其实，电推进理论早在20世纪初期就已问世，但由于技术比较复杂，所以直到20世纪50年代末，一些国家才开始电推力系统的工程研究。至今，全世界约有数百颗人造地球卫星和空间探测器等，使用过或正在使用电推进系统。化学火箭喷射动能受限于推进剂化学内能的约束，推进剂喷出速度有限，约为2～4千米/秒；电火箭打破了这一约束，喷出速度可达15～80千米/秒，很容易实现比化学推进高一个量级的比冲性能。理论和实践都证明，电火箭比目前标准的化学火箭的效率大10倍，它完成同样任务所需的推进剂就少，从而可以增加航天器的有效载荷，或者增加推进剂携带量以延长航天器的使用寿命。它能将航天器的有效质量提高到90%左右，是目前世界最先进的空间推进技术。目前，1颗15年寿命的高轨道通信卫星大约重5吨，其中化学燃料重量就达3吨，若采用全电推进方案，就能使卫星“瘦身”至2.5吨，让通信卫星用更小、更便宜的火箭发射。另外，全电推技术可大大延长通信卫星的寿命，燃料携带量将不再成为卫星寿命的约束，通信卫星的设计寿命将普遍突破目前15年的上限，达到18～20年。近些年来，电推进系统发展很快，仅就2015年来说，中国航天科技集团五院510所研制的首个星载200毫米离子电推进系统地面寿命及可靠性试验累计工作时间已超过11000小时，具备卫星在轨可靠运行15年的能力，这标志着我国自主研制的电推进系统达到国际先进水平，将全面迈入工程应用阶段，能够满足我国通信卫星系列平台、高轨遥感平台以及深空探测器的发展需求。2015年最重要的电推进系统成果是，3月2日，由美国制造的世界首批全电推进商业通信卫星成功发射，卫星用离子推力器完成了全部轨道转移和位置保持等任务，这标志着全电推进技术实现成熟应用，也意味着卫星的技术发展和应用空间正发生着重大变革。电能转动能，两种推进方式更受青睐根据把电能转换为推进剂动能的加速方式不同，电火箭可以分为电热式、静电式、电磁式三大类，每一类还可分为多种型式。电热式推力器是利用电能加热推进剂（如肼、氨、氢等）使其气化，经喷管膨胀加速、喷出产生推力。其比冲为700～1000秒。静电式推力器是把推进剂（如汞、铯、氢等）从贮箱经过电离室电离成离子，在静电场力作用下加速形成射束，喷射而产生推力。其比冲为秒。电磁式推力器是利用电磁场对等离子体产生洛伦兹力的原理，使处于中性等离子状态的推进剂加速以产生推力。其比冲为秒。当前，应用比较广泛并比较成熟的电推进系统有两种，即电磁式推力器中的霍尔推力器和静电式推力器中的电子轰击式离子推力器。这两种推力器在本质上是一样的，都是用电能将惰性气体氙气电离，形成由离子和电子组成的等离子体，离子在电场作用下加速喷出，产生推力。不同的是，离子推力器的电离区和加速区分离，所以推力器效率更高，比冲更高，消耗推进剂更少，缺点是技术复杂，电源种类多，尺寸、重量较大；霍尔推力器的电离区和加速区是合一的，因而技术简单，电源种类少，尺寸、重量较小，可靠性更高，缺点是比冲低。两者各有优势。目前，美国波音公司和日本卫星主要采用离子推力器，美国劳拉、洛马和欧洲泰雷兹-阿莱尼亚、空客等公司主要采用霍尔推力器。核能电火箭未来新趋势目前，电推进系统已得到广泛应用。当前在轨运行的应用电推进系统的航天器大约有100个左右，其中离子推力器累计工作时间约20万小时，霍尔推力器累计工作时间约近10万小时。它们主要应用于包括地球静止轨道卫星的位置保持、空间探测器的变轨等方面。2001年7月，欧洲发射的“阿特米斯”卫星因发射它的运载火箭故障，卫星没有进入预定轨道，最后靠卫星上的电火箭经过18个月的轨道转移最终到达预定轨道。2010年8月美国发射的先进极高频卫星1号也因卫星化学火箭出现故障，最后靠卫星上的电火箭在14个月内完成了几乎全部的轨道转移任务。2003年5月，日本发射的“隼鸟”号小行星采样探测器在化学火箭出现故障的情况下，用4台离子推力器完成对近地小行星的采样返回。2007年9月，美国发射的“黎明”号小行星探测器用3台离子推力器作为主发动机，先后对灶神星和谷神星进行了探测。我国从1967年就开始了电火箭研究。1978年，中国航天科技集团五院510所研制的LIPS-80离子推力器获得国家科技进步一等奖。2012年10月，我国实践9号卫星发射升空，对多种电推进技术方案的正确性、在轨工作性能、与航天器的相容性以及长期在轨工作能力进行了成功验证，这意味着我国全电推进系统已经初步具备在轨应用能力。未来，我国的电火箭可用于地球静止轨道卫星位置保持和轨道转移、空间探测器和载人深空探测的主推进、低轨卫星的轨道维持、航天器的姿轨控等许多方面。国外目前正在研制采用核能电火箭的核动力载人火星飞船，以减少载人火箭来往火星的时间，减少宇宙辐射、长期失重对身体的影响，同时可以少带生命保障物质。
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中国研发新型电推力器 可送300吨级飞船到火星
　　随着长征五号运载火箭整流罩的缓缓下落，该火箭最近在天津圆满完成了所有部段的进塔工作。中国新一代大型运载火箭首次向世人展示其全貌。目前，该型火箭全面进入全箭模态试验阶段。
作为我国在研运载能力最大、尺寸最大的火箭，长征五号全箭模态试验在试验资源、试验周期、试验难度等方面均打
　　长征五号运载火箭芯二级氢箱运抵中国航天科技集团公司六院101所低温区贮箱台，准备进行液氢工况内压合格试验、液氢轴弯内联合使用载荷合格试验以及整箱内压破坏试验等研制任务。
新一代大火箭长征五号“腹中”
长征五号火箭部件
长征五号火箭箭体
长征五号火箭整流罩
长征五号火箭整流罩
　　新华网北京6月9日电(记者喻菲)吹一口气产生的力，可以熄灭一支蜡烛，也可以在太空中送航天器去火星，只要不断地“吹”，让速度随时间累积。
　　尽管电推力器产生的推力目前仍十分轻微，却可以让人类以更低的成本进入太空，因而被国际宇航界列为未来十大尖端技术之一，成为人类进军更遥远深空的利器。
　　推进系统是人类航天发展的基石。国际上电推进技术严格保密。继美、俄、欧、日后，中国依靠自主研发，已经掌握这项当前最先进的空间推进技术，并希望进军国际电推进通信卫星市场。
　　中国空间技术研究院通信卫星副总设计师王敏在接受新华社记者专访时说，中国将在2020年前后发射第一颗全电推进通信卫星，为国土及周边区域提供宽带通信数据传输服务。
　　在此之前，中国预计将在2016年底发射一颗混合推进通信卫星，其中化学推进用于转移轨道变轨，电推进用于同步轨道定点位置保持。此外，在未来的中国空间站上，也会使用电推进系统。
　　专家介绍，电推力器主要包括离子和霍尔两种推力器，它们在本质上是相同的，都是用电能将惰性气体氙气电离，形成由离子和电子组成的等离子体，其中离子在电场作用下加速喷出，产生推力。
　　王敏说，电推进消耗的推进剂仅为化学推进的十分之一。一颗典型的5吨重的化学推进通信卫星，其中3吨是燃料，2吨有效重量;如果换成全电推进，则只需300公斤推进剂。
　　“如此带来的好处显而易见，卫星重量减轻后，可以一箭双星发射，也可以用便宜的小火箭发射，大大节省了发射费用，或者可安装更多有效载荷，增强卫星功能。”王敏说。
　　采用全电推技术后，燃料携带量将不再成为卫星寿命的约束，通信卫星的设计寿命将突破目前15年的上限，达到18至20年。
　　专家说，全电推进的主要不足是推力小，目前仅为化学推进的几千分之一，一般不会应用到诸如运载火箭、快速入轨航天器等领域，但作为卫星、飞船、星际探测器的姿态、轨道控制的推力器，以及星际航行的动力，其优势无可比拟。
　　电推进更具商业价值的应用是在通信卫星领域。此外，由于更省燃料，电推进在深空探测中的应用越来越受到重视。电推进探测器可以飞得更远，探测更多目标。
　　目前国际上已发射5颗电推进深空探测器。其中，日本“隼鸟”号是世界上第一个到达小行星采样并返回地球的航天器。正在探测谷神星的美国“黎明”号是世界上第一个能对两颗小行星详细探测的航天器。
　　目前，中国电推力器的功率达到1千瓦至5千瓦量级。中国空间技术研究院计划在2020年完成50千瓦量级大功率推力器的关键技术攻关。如果将40个这样的推力器组成阵列，可让300吨量级的飞船在200天左右到达火星。
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