行星探测（精选五篇）
行星探测 篇1
为便于分析和验证设计结果, 本文以第五届全国空间轨道设计竞赛的求解为基本实例, 对所提出的载人小行星探测轨迹优化设计方法进行了阐述全国空间轨道设计竞赛由中国力学学会和清华大学航天航空学院发起并主办首届竞赛[1]. 按照惯例, 本届冠军队主办下届竞赛. 第五届 (2013 年) 全国空间轨道设计竞赛由中国力学学会、国防科技大学航天科学与工程学院以及航天飞行动力学技术重点实验室联合主办.
本文阐述了第五届全国空间轨道设计竞赛冠军团队 —— 宇航动力学国家重点实验室团队对本次竞赛题目的求解方法. 内容包括基于星历匹配法的发射窗口与探测序列初值求取、特定序列的脉冲转移全局优化以及脉冲转移轨道的小推力转化[2]3 个解题基本步骤和方法.
1 竞赛题目任务概述与基本设计方法
1.1 探测任务概述
任务背景为载人小行星探测任务. 探测器将于规定时间2035 年1 月1 日∼ 2065 年12 月31 日中的任意时刻从地球出发, 出发时刻认为探测器的日心位置和速度在误差允许范围内与地球相同. 从主办方提供的小行星中随意选择2 颗不同的目标依次交会. 交会时探测器的日心位置速度在允许的误差范围内与交会目标相同, 驻留时间不得小于规定的最小驻留时间 (10 d) . 从每颗小行星离开时刻探测器均释放前期生活废弃物 (注:包括驻留期间的废弃物, 设消耗品全部转化为废弃物, 按20 kg/d计算) .从第二颗小行星出发时, 释放质量为6.7 t的小行星探测器. 探测2 颗小行星后返回地球, 要求探测器的位置在允许误差范围内与地球相同, 相对地球速度小于5 km/s. 返回地球时剩余质量不少于36 t. 探测器的所有飞行任务必须在5 年内完成.
探测器飞行轨道只受太阳引力影响, 不考虑小天体与大行星引力 (地球引力辅助除外) . 仅考虑地球引力辅助效应, 飞越地球时要求探测器的位置在允许的误差范围内与地球相同, 速度不同, 即飞越的瞬时获得大行星引力辅助所产生的速度增量.
性能指标是最小化探测器质量, 即
关于竞赛题目的其他具体约束条件与说明可参阅《第五届全国空间轨道设计竞赛题目描述》.
1.2 基本设计方法
对于上述载人小行星探测小推力轨道设计与优化, 本文总结的设计方法基础是圆锥曲线拼接法, 基本流程注重解析分析, 以实现在单机上快速解算, 不单纯依靠高性能服务器的大数据量仿真. 如图1所示, 基本流程是: (1) 发射窗口初值与探测序列的确定:结合最小化起始质量的指标, 利用星历匹配法确定发射窗口初值与探测星体的序列; (2) 特定序列的脉冲转移全局优化:利用遗传算法对特定探测序列的探测时间节点等参数进行优化求值; (3) 各段轨道的最优小推力实现:利用基于庞德里亚金极大值原理的同伦法进行小推力转化以求得小推力转移轨道的最优控制律并生成轨道; (4) 轨道数据的验算:代入控制律与状态初值, 利用积分方法对轨道进行递推, 检验其是否满足最优性必要条件.
2 发射窗口初值与探测序列确定方法
宇航动力学国家重点实验室团队没有对序列进行大规模的盲目搜索, 而是利用星历匹配法计算并找到最优发射窗口初值及其候选最优探测序列. 下面对星历匹配法基本理论进行详细介绍.
2.1 Lambert转移特性研究
2.1.1 Lambert问题
Lambert问题是航天动力学中经典的两点边值问题[3], 在空间交会、星际航行等领域中有广泛的应用. Lambert问题可以表述为给定空间中的两个位置P1和P2 (对应的矢量分别为r1和r2) 以及飞行时间 (tf) 和飞行方向 (顺时针或逆时针) , 求出飞行器由位置P1经过时间tf飞行到位置P2的开普勒轨道. 目前, 解决Lambert问题已经有相当成熟的理论和方法.
解决Lambert问题有很多方法, 比较常用的有Lambert--Euler方法、Gauss方法、以及Battin方法以上都是以Lambert定理为基础的解法, Lamber定理可以表述为:在Kepler轨道上运行一段弧线所需要的时间只取决于3 个量 —— 轨道半长轴a, 弧起点和终点到引力中心的距离之和 (r1+ r2) , 以及连接弧起点和终点的弦长c. 即
至于Lambert问题的详细求解步骤和公式可参阅文献[3].
2.1.2 Lambert转移特性仿真
当把地球看做一个质点时, 假设地球上的一个物体, 比如某一石块, 附着在地球上没有移动, 即石块与地球的位置偏置为0, 那么不管时间∆T =tf- t0为多长, 石块都不需要消耗任何速度增量∆v, 即可从t0时刻的地球位置rp0跟随地球一起飞到tf时刻的地球位置rpf. 由此, 不难理解, 航天器由t0时刻星体位置rp0附近的rs0通过Lamert转移飞往tf时刻星体位置rpf附近rsf时, 其转移所耗速度增量∆v与出发和到达时刻航天器与星体的位置偏置与速度偏置有直接关系, 如式 (3) ∼ (4) 所示
其中rp0, rpf分别为星体p在t0与tf时刻的位置矢量, vp0, vpf分别为星体p在t0与tf时刻的速度矢量;rs0, rsf分别为航天器在t0与tf时刻的位置矢量, vs0, vsf分别为航天器出发与到达时刻的实际速度, 而vl0, vlf则为lambert转移求解出的航天器出发与到达速度矢量;∆v为航天器完成转移所耗的总速度增量.
为了研究Lambert转移所需速度增量随出发时刻和到达时刻位置与速度偏置的变化特性, 本文利用固定其他变量, 只考查其中某一变量的方法进行了仿真分析. 即在仿真时, 只有其中的某一个偏置量不为零.
(1) Lambert转移所需速度增量∆v随到达时刻tf位置与速度偏置的变化特性
仿真场景的出发时刻不妨设为t=72480 (MJD) 航天器从地球出发, 飞行时间∆T分别为40120, 200, 280 d后, 到达目标位置. 目标位置相对∆T时间后的地球位置X, Y, Z坐标偏置范围为[-108, 108]km, 速度Vx, Vy, Vz坐标偏置范围为[-10, 10]km/s, 仿真结果如图2 所示.
(2) Lambert转移所需速度增量∆v随出发时刻t0位置与速度偏置的变化特性
同样地, 仿真场景的出发时刻不妨设为t =72480 (MJD) , 航天器从地球出发, 飞行时间∆T分别为40 d, 120 d, 200 d, 280 d后, 到达目标位置. 航天器出发位置相对出发时刻的地球位置X, Y, Z坐标偏置范围为[-108, 108] km, 速度Vx, Vy, Vz坐标偏置范围为[-10, 10] km/s, 仿真结果如图3 所示.
2.1.3 仿真结果分析
从图2 与图3 中可看出, 不论出发还是到达, 当位置和速度偏置 δx = 0 时, 即位置和速度与该时刻的行星p相同时, 其完成Lambert转移所需速度增量∆v为零, 说明航天器不需要耗费能量即可滑行到目标位置.
而当位置和速度存在偏置 δx = 0 时, Lamber转移所需速度增量∆v随偏置量绝对值|δx| 的增加而增加, 且是偏置量绝对值的单调增函数.
2.2 星历匹配法
2.2.1 基本概念
从2.1 节的分析中可知, 当出发时刻t0或到达时刻tf目标星pt与匹配星p (此处指地球) 的位置越接近 (相当于偏置 δx越小) , 则航天器由匹配星p通过Lambert转移tf飞往目标星pt所耗能量越少, 由此通过考查目标星pt各个时刻与匹配星p的星历 (位置与速度) 接近程度 (或匹配程度) , 即可衡量匹配星与目标星之间航天器转移所耗能量∆v的相对大小.
数学模型表述为
其中f (·) 是单调增函数;rp, vp分别为匹配星p的位置与速度矢量;rpt, vpt分别为目标星pt的位置与速度矢量;τ 指时间节点t0与tf.
星历匹配法的目标是找出满足最小∆v的发射窗口和目标小行星, 这等价于求出满足以下条件的解
其中, k为小行星序号;∆t为针对某一时间点t进行距离计算与比较的时间段;∆Tstay m为最小交会驻留时间;Tp为匹配星 (此处指地球) 的轨道周期.
由此给出星历匹配法 (ephemeris matching method) 的基本计算流程:首先通过轨道星历递推找到任务允许时间段内对应任意时间节点距离匹配星最近的目标星;然后通过对比所有时间节点处的最小距离, 找出整个任务允许时间段内距离匹配星最近的目标星及其对应的时间节点;最后, 根据Lam bert特性可知距离匹配星最近的即为转移耗能最少的目标星, 由此即找到了最优的发射窗口初值与候选最优探测序列.
2.2.2 仿真分析
为了考查许可任务期间内距离地球最近的小行星, 需要编程实现仿真计算, 使用轨道递推的方法对每个行星的星历进行递推, 并与此刻地球位置进行对比. 考虑到要对小行星进行交会探测, 因此必须考虑小行星与地球偶然相遇的情况, 即如果某一小行星与地球只是短期 (< 36.5 d = Tp/10) 位置特别靠近, 则此颗小行星必定与地球速度相差较多, 因此不能成为Lambert转移较省能量的小行星候选对象. 所以在仿真时, 限定小行星必须在某一历元的前后46.5 d = ∆Tstay m+ Tp/10 时间以内都距地球较近, 本文利用这46.5 d时间内距离的最大值作为比较对象, 从而找出此历元处, 各小行星46.5 d内距地球的最大值为最小的小行星序号. 这样即排除了小行星与地球偶然相遇的情况, 由此得到此小行星即为真正的位置与速度都与地球靠近的小行星, 即Lambert转移所耗能量为最少的小行星. 图4 给出了特定时刻距匹配星 (此处指地球) 前后46.5 d中最近的目标行星序号及其距离.
在仿真计算中, 为方便起见, 行星序号是包含九大行星在内的 (1∼9 号) , 且9 号以后的小行星按倾角从小到大排序.
从图4 可以清晰地看到, 在整个许可任务期间内, 距离地球最近的是行星10 (即编号为2000 SG344的行星) 在历元72480 (MJD) 附近处. 考虑到对于同样的速度增量, 航天器起始质量越大则完成此次机动所耗的推进剂越多. 因此, 在进行探测时, 应把最省速度增量的探测目标作为第一探测目标, 等到完成第一次探测, 航天器质量减少后, 再考虑耗速度增量较小的小行星做为第二探测目标. 由此可知历元72480 (MJD) 附近即为最优的发射窗口初值, 且行星10 即为探测任务的第一颗小行星.
需要声明的是, 在历元72480 (MJD) 附近处距离地球最近的行星始终是10 号小行星, 因此图4 中此历元处有很多点对应于同一个10 号小行星. 所以为找到第二个小行星, 需要顺序地往后找, 直到出现不同的小行星. 可喜地是, 一个小行星不可能一直与地球相距最近, 因此在历元72480 (MJD) 后侧不远处即找到了第二个距离地球最近的另一个小行星. 通过寻找发现, 在行星10 后的行星140、行星63、行星121 三颗星分别是对应特定历元距离地球最近的小行星, 也是最有可能成为第二颗探测目标的行星. 由此可得候选最优探测序列为3-10-140-3, 3-10-63-3 以及3-10-121-3. 其中行星140, 63, 121 的编号分别为2012 BB14, 2009 YF, 2012 UW68. 至于上述3 个序列哪一个是最优的, 则需要利于特定序列的脉冲转移全局优化[4,5]进行优化后的对比选择来决定.
3 特定序列的脉冲转移全局优化
通过第2 节, 已经把候选的最优探测序列和最优发射窗口初值求出. 这可以大大减小全局优化算法的计算量[6,7,8], 并可以避免算法陷入非全局最优的局部最优.
为简单地说明算法流程, 下面只以序列:3-1063-3 (地球--2000SG344-2009YF- 地球) 为例进行特定序列的脉冲转移全局优化求解说明.
如图5 所示, 探测器在t1时刻以质量m1从地球出发, 于t2时刻交会小行星2000SG344, 停留一段时间后, 于t3时刻离开此星, 于t4时刻交会小行星2009YF, 停留一段时间后, 于t5时刻离开此星, 最后于t6时刻返回地球.
通过对竞赛题目的分析, 可知全局优化的目标函数为
其中m0为探测器出发质量, ti为探测器到达和离开各星体的时间点, Ispi为每段飞行时所用的比冲大小. 利用遗传算法、蚁群算法等全局优化算法, 可以求出最优函数值和最优变量值, 由此优化出来的结果如表1 所示.
由表1可知, 序列3-10-63-3对应的探测器起始质量是最小的, 因此为最优序列.尽管此处脉冲优化出的质量与后面小推力转化后的探测器起始质量会有所差异, 但这不会影响对最优序列的判断和选择.本文也对添加地球甩摆的序列进行了搜索和计算, 但结果较差, 因为题目中具有每天消耗20kg消耗品的因素, 整个探测任务时间不易拉得过长.
4 脉冲转移轨道的小推力转化
本团队对直接法中的伪谱法[8,9]和间接法中的同伦法[10,11]都进行了小推力转化研究. 结果发现伪谱法对60 d以上转移轨道的较复杂问题优化效果不好. 因此此处只给出同伦法对序列 “地球-2000SG344-2009YF- 地球” 的优化结果.
由极大值原理不难得到小推力最优交会的两点边值问题[12], 但是此两点边值问题比较难以求解, 特别是对于燃料最优交会问题, 发动机推力曲线是Bang--Bang控制类型.针对此类型两点边值问题, 国内外学者发展了一系列求解方法, 其中同伦方法是较多得到关注与应用的方法.同伦方法 (也称延拓方法) , 相当于建立一个和原问题类似的结构, 此结构易于求解, 通过新结构的求解来获得原结构的解.
同伦方法的详细内容可以参考文献[11-12]. 限于篇幅, 本文只给出对第五届全国空间轨道设计竞赛的优化结果. 图6 (a) ∼ 图6 (c) 为3 段轨道小推力转化后的推力大小曲线, 图6 (d) 为小推力转化完的三维航天器飞行轨道.
小推力转化出来的探测器初始质量为53 656.00 kg, 返回质量为36 000.13 kg, 推力模式为定比冲10 000 s, Bang--Bang控制, 交会行星2000SG344 和2009YF, 驻留时间都为10 d, 发射时刻为历元72484.4289 (MJD) , 返回时刻为历元72778.0024 (MJD) .
5 结语
本文以第五届全国空间轨道设计竞赛的求解为基本实例, 对所提出的载人小行星探测轨迹优化设计方法进行了阐述. 内容包括基于星历匹配法的发射窗口与探测序列初值求取、特定序列的脉冲转移全局优化以及脉冲转移轨道的小推力转化3 个基本解题步骤和方法. 首先利用星历匹配法求出最优发射窗口与探测序列初值, 然后利用遗传算法对特定序列的时间节点等参数进行优化并确定最优发射窗口和探测序列, 最后利用基于庞德里亚金极大值原理的同伦法进行小推力转化以求得最终探测轨道及其推力控制规律. 星历匹配法以半解析的方法替代大规模的数值搜索, 结果显示该方法可以快速准确地求解出最优发射窗口初值与候选最优探测序列, 其求解效率远高于分支定界法等大数据量遍历搜索方法, 这大大提高了第五届全国空间轨道优化竞赛以及其他多目标交会探测问题的求解效率.
摘要：对基于星历匹配法的载人小行星探测轨迹优化问题解法进行了研究.提出星历匹配法的概念, 利用其求出最优发射窗口初值与候选最优探测序列, 然后利用遗传算法对特定探测序列的时间节点等参数进行优化, 最后利用基于庞德里亚金极大值原理的同伦法进行小推力转化以求得最终探测轨道及其推力控制律.结果 显示星历匹配法可以快速准确地求出最优发射窗口初值与候选探测序列, 这大大提高了载人小行星探测等多目标交会探测问题的求解效率.
关键词：轨道设计竞赛,轨道优化,星历匹配法,探测序列
参考文献
[1] 高扬, 祝开建, 李恒年等.第二届全国深空轨道设计竞赛总结.力学与实践, 2011, 33 (2) :116-123
[2] 李俊峰, 宝音贺西.深空探测中的动力学与控制.力学与实践, 2007, 29 (4) :1-8
[3] 唐国金, 罗亚中, 雍恩米.航天器轨迹优化理论、方法及应用.北京:科学出版社, 2012
[4] 黄国强, 陆宇平, 南英等.多目标连续小推力深空探测器轨道全局优化.系统工程与电子技术, 2012, 34 (8) :1653-1659
[5] 尚海滨, 崔平远, 乔栋.基于微分进化的星际小推力轨道全局优化方法.北京理工大学学报, 2010, 30 (11) :1276-1280
[6] 李俊峰, 祝开建.2005～2009年国际深空轨迹优化竞赛综述.力学与实践, 2010, 32 (4) :130-137
[7] 罗宗富, 连一君, 蒋小勇等.2010年国际深空探测轨道优化竞赛的国防科技大学解法.力学与实践, 2011, 33 (3) :106-110
[8] Rao Anil V, Benson David A, Darby Christopher, et al.Algorithm 902:Gpops, a Matlab software for solving multiple-phase optimal control problems using the Gauss pseudospectral method.ACM Transactions on Mathematical Software, 2010, 37 (2) :1-39
[9] Christopher L Darby, William W Hager, Anil V Rao.An hp-adaptive pseudospectral method for solving optimal control problem.Optimal Control Applications and Methods, 2011, 32 (4) :476-502
[10] 蒋方华, 陈杨, 刘跃聪等.2010年国际深空轨道优化竞赛的清华大学解法.力学与实践, 2011, 33 (3) :103-105
[11] Jiang Fanghua, Baoyin Hexi, Li Junfeng.Practical techniques for low-thrust trajectory optimization with homotopic approach.Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2012, 35 (1) :245-258
《出发吧小行星探测器》阅读答案 篇2
②小行星探测器“尼尔·苏梅克”号访问的是433号小行星，这颗小行星更为人所知的名字是“爱神”。“爱神”是人类发现的第一颗近地小行星，它原是火星和木星之间的小行星带成员，后来在木星和其他行星引力的扰动下，才进入了现在这个较靠近地球的轨道，成了一颗近地小行星。“爱神”是一块大石头，长约32千米，形状像长形的马铃薯，又像一粒未去壳的花生，人们还称它为“胖香蕉”。
③“尼尔·苏梅克”号的目的是近距离靠近一颗小行星，对这种小行星的形状、重力、质量、密度、磁场强度和化学组成进行全面的研究，从而丰富人们对小行星的认识，并回答有关地球和太阳系起源的一些问题。，“尼尔·苏梅克”号与“爱神”的约会终于成功了，它被“爱神”所俘获，成了一个环绕“爱神”运行的人造天体，那一天恰恰是西方的情人节。
④“尼尔·苏梅克”号围绕“爱神”飞行了一年时间，从不同的高度、角度为“爱神”拍摄了16万张照片。在燃料即将告罄的时候，科学家们将没有着陆装置的“尼尔·苏梅克”号降落到“爱神”上，使其成为不仅是人类第一颗围绕小行星旋转的探测器，也是第一颗降落在一颗小行星上的探测器。
⑤“尼尔·苏梅克”号证实“爱神”的表面主要成分为硅酸盐和金属铁。它的上面有许多碎石，也布满了陨石坑。科学家们对此进行了命名，如一个5.5千米宽的陨石坑被命名为“普赛克”，在希腊神话中，普赛克是伊洛斯至死不渝的恋人。他们还将“爱神”上的两个陨石坑分别命名为“林黛玉”和“贾宝玉”。
⑥“爱神”的重量高达7万亿吨，假若砸中了地球将是非常可怕的。我们知道，近地小行星是太阳系中的“不守纪律者”，由于轨道的奇异特性，它们常常窜到地球附近，令天文学家们大感紧张。
⑦现在，人们已经发现了越来越多的这种近地小行星，其中大约有1500颗被认为是对地球有潜在威胁的小行星，它们都有可能撞上地球，因此受到科学家们的严密监视。由于小行星撞击地球的事件在地球的历史上曾经存在，未来同样的.事情肯定也会发生。人们必须尽可能赶在这种事情发生以前找到应对的方法。这是一场和时间进行的比赛，也许人类还有充足的时间，也许时间已经不多了。
(选自20xx年3月《百科知识》，有删改)
【材料二】
有望飞出太阳系的卫星探测器
名称
意义
工作情况
“先驱者”10号
人类发射的第一个深空探测器
1978年6月12日,飞出了海王星的轨道,发回大量太阳风和宇宙辐射的测量数据。
“先驱者”11号
第一个造访土星的探测器
1979年9月1日，第一次拍摄到了土星照片;1990年2月，越过冥王星轨道，正在向天鹰座前进。
“旅行者”1号
迄今飞离地球最远的探测器
9月13日，美国宇航局正式宣布“旅行者”1号已经进入星际空间。
“新地平线”号
迄今发射的初始速度最快的探测器
将于7月14日从距冥王星约1万千米处飞过，拍摄的冥王星照片质量会超过“哈勃”太空望远镜。
【材料三】
①航天科技取得的成果有许多已经应用于人们的日常生活，如天气预报要靠气象卫星，行车找路、精确定位需要导航卫星，电视节目也大都依靠通信卫星。
②据介绍，至今我国先后20多次利用返回式卫星和神舟飞船，搭载了上千种作物种子、试管苗、生物菌种等，获得了大量产生变异的新性状品种。其实，隐藏在人们身边的航天科技还有很多，如北京奥运会、残奥会期间，航天人完成的海陆空立体化安保科技系统，为7个赛区的94个场馆保驾护航……
③航天科技在为人类造福的同时也给人类带来了隐忧。目前，各国发射的航天器已经形成了3000多吨围绕地球飞行的太空垃圾，而且这一数量还在不断增加。这些太空垃圾不仅破坏星际空间环境，也对地球构成了不小的威胁，清理太空垃圾已迫在眉睫。
星辉中学为了普及科学知识，培养学生的实践能力，提高学生的科学素养，特举办“20校园科技节”活动。初三(1)班吴硕同学收集到了以上资料，准备制作一部微电影参加活动。可是有几个问题一直困扰着他，作为吴硕的好朋友，希望你能为他分忧。
17.根据材料一的内容，你觉得吴硕在影片中可以从哪些方面向同学们介绍“爱神”这颗近地小行星。(4分)
答：
18.吴硕对材料一第⑦段中画线句“这是一场和时间进行的比赛，也许人类还有充足的时间，也许时间已经不多了”不太理解，请你简单给他解释一下。(2分)
答：
19.吴硕想通过此片让同学们明白人类发射航天器的重要意义。请你根据以上三则材料内容，帮助吴硕编写一段简短的解说词。(4分)
答：
20.微电影的片名吴硕还没有想好，请你根据以上三则材料内容帮他拟一个影片名。(2分)
影片名：《 》
17.要点示例：
(1)名称 (2)成因 (3)外形 (4)主要成分 (5)重量 (6)“不守纪律”的特性
(共4分。每个要点1分。答出其中任意4点即可)
18.示例：
小行星不断威胁着地球，撞击地球的事件迟早会发生，只是时间长短的问题，所以我们要抓紧时间尽可能赶在小行星撞击地球之前找到应对方法。
(共2分)
19.示例：
人类发射航天器是为了丰富对行星的认识，探索宇宙无穷的奥秘，解除天体撞击地球的威胁，为人类造福。
(共4分)
20. 示例：
星际之旅 太空漫游 飞天 航天之旅的喜与忧
小行星探测:揭示地球起源 篇3
探测小行星的意义
小行星是太阳系内类似于行星环绕太阳运动的一种天体，但它的体积和质量比行星小得多，大多数小行星的直径小于100千米。小行星数目庞大，至今已发现的小行星仅是太阳系内的一小部分，其数目已达70万颗。绝大多数的小行星都集中在火星与木星轨道之间的小行星带，在地球周围也有一些小行星，曾有某些小行星与地球发生过碰撞的报道。
为什么地球人对小行星的探测这样感兴趣呢？主要因为通过对它的研究可以了解太阳系的过去和地球的未来命运。小行星是太阳系中的重要成员，它们保存着太阳系形成初期的原始成分和演化历史，是研究太阳系起源的“活化石”。目前在地球上收集到的陨石绝大部分来自小行星，在一些小行星尘埃中发现的有机物可能与地球生命起源有关，通过对小行星的深空探测将能获得地球生命起源的直接证据。科学家们正在试图通过对小行星的深空探测解答一系列关键的科学问题：如早期小行星中有机物的本质和起源是什么？它们对形成生命起源所必需的分子有何影响？地球上的生命是否来自小行星或彗星？小行星中是否含有太阳星云中的原始物质？在太阳系早期行星形成时发生的物理过程是什么？
小行星会带来灾难吗？
在地球历史上，多次出现小天体撞击地球，导致地球的气候环境灾变和生物灭绝。现在很多科学家都认为，6500万年以前恐龙的灭绝很有可能与外星球撞击地球有关。科学家们推测那是一颗直径10千米的小行星，撞击位于墨西哥尤卡坦半岛的海域，其释放的能量相当1000万亿吨TNT爆炸产生的能量，约为广岛原子弹威力的500亿倍。强大的冲击波破坏了地面上的一切物体，燃烧迅速蔓延全球，大量的烟尘、二氧化碳进入大气层，屏蔽了太阳辐射，使地面降温8℃～20℃，海水降温2℃～3℃。漫长寒冷的冬季降临，地面的冰盖增大、海水退缩、盐度上升，导致部分海洋生物灭绝，地面植物的光合作用受到抑制，以植物为食的动物大量饿死。根据计算表明，由此引起的寒冷气候约维持了几十万年，生物遭到空前的打击，约有60％～80％的生物种类在白垩纪末从地球上消失。新生代以来，约3400万年前、1500万年前、240万年前、110万年前，都曾发生过直径为1～5千米的陨星撞击。虽说其能量都明显小于白垩纪末的那次撞击，但都造成了不同程度的生物毁灭。
科学研究表明，如果直径大约为130米的小行星碰撞地球，就相当于1.5亿吨的TNT的爆炸力，或者是日本广岛原子弹爆炸威力的1万倍。如果直径约为300米的小行星击中地球，将产生相当于11万颗广岛原子弹爆炸所产生的能量，整个纽约市及其周围区域的地方都会瞬时毁灭。如果直径超过1千米的小行星撞击地球，海啸、地震、火山爆发等等的灾害会随之而来，地球陆地大气被迫坏。因此，近地小行星的存在直接威胁到人类的生存和发展。通过对近地小行星的探测，可以了解掌握小行星的特性及运动规律；系统地研究和评估小天体撞击地球的可能性和灾害程度，可以为未来规避小行星的威胁而采取有效的防范措施提供重要的科学依据。
小行星：未来的资源
此外，科学家们建议可以将小行星作为未来的地球资源来使用，如果在小行星上发现地球上罕见原料，可以到那里采集，为地球上人类造福。另外，科学家还提出将小行星作为深太空探测的中继站和材料提供站，以后一些很笨重和昂贵的材料可能不必要再从地球上发射，而由设在小行星上的太空工厂制造和开采，直接供应航天器。
最新的小行星探测计划
小行星探测可分为飞越探测、环绕着陆探测、采样返回探测、载人登陆探测几个阶段。小行星探测首选目标是近地小行星。迄今为止人类仅进行了几次专门针对小行星的深空探测计划：1996年2月17日，美国NASA发射了“近地小行星交会”探测器，携带了相机、激光测距仪等仪器前往小行星爱神星(Eros)，于2000年2月14日飞抵爱神星，对其进行了近距离、多种手段的全面观测，探测了爱神星的大小、形状、质量、重力、磁场、自转、化学成分和主要矿物的分布。2003年5月9日，日本宇宙航空研究开发机构发射的“隼鸟号”探测器飞往丝川小行星，实现人类首次从小行星采集回收岩石样品的任务。2007年美国国家航空航天局发射了“黎明号”太空船，对小行星谷神星和灶神星进行探测。
最近，美国宇航局宣布：他们将于2016年向小行星1999RQ36发射一个探测器，绘制这颗小行星的表面图，并用机器人手臂采集样本，带回地球。这些样本也许可以更好地解释太阳系形成和生命的起源，并通过对小行星的探测，了解其碰撞地球的概率。
被探测的小行星1999 RQ36是1999年由林肯近地小行星研究小组发现的，其平均直径大约为560米，近似5个足球场的尺寸。这颗小行星在距太阳1.33亿千米至2.03亿千米的轨道上飞行，与地球轨道大约相距45万千米。在漫长的岁月里，这颗小行星几乎没有什么改变，有可能储存了我们太阳系婴儿期的一些信息。它还富含生命有机分子的关键元素—碳，有机分子曾经在陨石和彗星中被发现，表明生命的组成部分可以在太空中被合成。科学家们想要知道1999RQ36上是否也含有这些元素。
美国宇航局科学家乔 • 努思说：“如果该小行星表面存在有机物质，那么1999RQ36小行星可作为未来人类探索太阳系外部宇宙空间的‘加油站’。未来有一天，或许我有生之年已看不到，这种类型的小行星或许是通往太阳系之外的‘绿洲’，人类可在该小行星上驻留，获取水资源和其他资源。”
行星探测 篇4
任务概述任务背景为载人小行星探测任务。探测器将于规定时间窗口2035年1月1日∼2065年12月31日中的任意时刻从地球出发, 出发时刻认为探测器的日心位置和速度在误差允许范围内与地球相同.从组办方提供的792颗小行星中随意选择2颗不同的目标依次交会.交会时探测器的日心位置速度在允许的误差范围内与交会目标相同, 驻留时间不得小于规定的最小驻留时间 (10 d) .从每颗小行星离开时刻探测器均释放前期生活废弃物 (注:包括驻留期间的废弃物, 设消耗品全部转化为废弃物, 按20 kg/d计算) .从第二颗小行星出发时, 释放小行星探测器质量6.7 t (1t=1 000 kg) .探测2颗小行星后返回地球, 要求探测器的位置在允许的误差范围内与地球相同, 相对地球速度小于5 km/s.返回地球时有效剩余质量不少于36 t.探测器的所有飞行任务必须在5年内完成.探测器飞行轨道只受太阳引力影响, 不考虑小天体与大行星引力 (地球引力辅助除外) .仅考虑地球引力辅助效应, 飞越地球时要求探测器的位置在允许的误差范围内与地球相同, 速度不同, 即飞越的瞬时获得大行星引力辅助所产生的速度增量.
行星探测 篇5
灶神星直径约为525公里，是太阳系小行星带中质量第二大的天体。在过去两个世纪中，科学家通过地面以及太空望远镜拍摄了灶神星大量图片，但对其详细状况却知之甚少。最新数据显示，灶神星形成于约45.6亿年前，是目前已知唯一经历过太阳系早期岁月的小行星；它具有以铁元素为主要成分、半径为110公里的内核；表面一些陨坑形成于非常陡峭的斜坡上，滑坡情况可能比较频繁。
数据还显示，地球上发现的一组独特陨星确实如推测的那样来自灶神星，这些陨星中的辉石与灶神星表面的岩石相符。“黎明”号的数据表明灶神星是地球陨星的最大单一来源。
“黎明”号2007年9月发射升空，去年7月进入灶神星轨道，它将对灶神星进行为期一年的观测，以帮助科学家更好地理解太阳系的早期历史。随后，它将“赶往”谷神星，预计在2015年抵达目的地。如果不辱使命，“黎明”号将成为第一个环绕两颗不同天体运行的无人探测器。
