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| 內容簡介： |
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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。本书主要总结了本研究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本书的体系构架。本书首先介绍了近地小天体防御与利用的相关基本概念，作为理解本书其他内容的基础；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。本书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。
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| 目錄：
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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 时间最优-燃料最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
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第1章 近地小天体防御与利用的基本概念
1.1 银河系-太阳系-行星际空间
1.1.1 广袤的银河系
当我们仰望晴朗的星空时，可以看到一些熟悉的星座图案，它们其实是由离太阳最近、最璀璨夺目的几百颗恒星构成的。如果夜空足够黑暗，那么我们可以凭借肉眼看到几千颗其他恒星和一条横跨整个苍穹的淡淡发光的亮带。这条由众多恒星组成的亮带正是我们所在的银河系（图1-1）。
图1-1 银河系图
我们所在的银河系在宇宙中的地位可以说微不足道。据天文学家估计，在我们可观测的宇宙中，有超过1万亿个星系，银河系只是其中一个而已。但是银河系在我们眼中却是独一无二的。
银河系是我们的家园，也是一个广袤的漩涡星系，由上千亿颗恒星组成，我们的太阳仅仅是其中的一颗。太阳位于银河系半径约中点处的一个小旋臂中，以约200km/s的速度绕银河系中心高速运转，大概每2亿年绕一圈。太阳是中心天体，约占太阳系总质量的99.86％。与成千上万的其他恒星一样，太阳周围环绕着一系列被其引力困在附近的较小天体（就像太阳被银河系的引力捕获一样），这些天体中最大的就是行星，先人根据它们在夜空中的运动变化为其命名。在其他恒星附近探测到的大多数行星都是空旷、炽热的世界，不太可能存在生命迹象。我们的太阳系则不尽然。
1.1.2 孕育生命的太阳系
太阳的质量约占整个太阳系总质量的99.86％，直径约为140万km，相当于地球直径的109倍。太阳只是银河系中一颗普通的恒星，但是其亮度和质量都大大超过了银河系中90％的恒星。
如图1-2所示，太阳系结构以太阳为中心从内向外进行展开，在距离太阳不同远近的地方分布着不同数目的行星、矮行星、小行星、彗星等不同类型天体。
天文单位（Astronomical Unit，简称AU）是计量太阳系内天体间距离的标准单位，它等于地球到太阳的平均距离，即一个天文单位约等于1.5亿km。距离太阳20000～100000AU的地方有一个巨大的球形云团包围着太阳系，是50亿年前形成太阳及其行星的星云残余物质，该云团以荷兰天文学家奥尔特的名字命名，称为奥尔特云，如图1-3所示，其内层呈“甜甜圈”形，外层呈球壳形，分布着冰态的“星子”（有些理论认为这些星子是形成原始行星的基本单元）。这里是太阳引力边界，也是太阳系的尽头。除了引力边界外，太阳系还有磁场边界——“日球层顶”，它距离太阳约100AU。恒星之间的空间并非空无一物，而是充满了低温的星际介质粒子。太阳会不断向外吹出带电粒子，称为太阳风。所谓“日球层”，是太阳风发生作用的最大范围，而日球层的最外层边界被称为日球层顶。有时候，日球层顶也被称为太阳系的边界。2013年9月12日，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在经过反复模型推演后宣布，“旅行者1号”探测器已经穿越了日球层顶，飞出了太阳系。如果将奥尔特云视作太阳系的边界，则我们永远无法看到“旅行者1号”飞出太阳系的那一天，因为这需要30000年，而其携带的同位素电池仅有40多年的寿命，届时它将关闭所有仪器，切断与地球的联系。
图1-2 太阳系结构
图片来源：https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA17046
图1-3 奥尔特云分布示意图
如图1-3所示，太阳系由内到外是已知的八大行星，均围绕太阳以近圆的轨道稳定运转。太阳系行星所覆盖的区域根据距离太阳的远近被分为两个部分，其中距离太阳2AU以内的4颗行星被称为内行星，距离太阳最近的是水星，然后依次是金星、地球、火星。内行星距离太阳近，体积和质量都较小，平均密度较大，表面温度较高，大小与地球差不多，也都是由岩石构成的，因此又称为类地行星或者岩质行星。另外4颗外行星散布在距离太阳5～30AU的宇宙空间中，较近的木星、土星两颗气态巨行星又称类木行星，是不以岩石或其他固体为主要成分构成的大行星，其体积巨大（分别为地球体积的1316倍和764倍），但密度小（分别为地球密度的0.241和0.127），主要由氢、氦、氖等轻元素组成。更远的是天王星、海王星两颗远日行星，较木星和土星离太阳更远，其质量体积处于类地行星和类木行星之间，表面温度最低，均低于.200℃。火星和木星之间分布有小行星带，这些小行星称为主带小行星。需要注意的是，天文学中一般将太阳系中太阳和小行星带之间的区域称为内太阳系。海王星距太阳平均约30AU，是已知距离太阳最远的行星。轨道比海王星更远的太阳系天体被称为“外海王星天体”（Trans-Neptunian Object， TNO），包含柯伊伯带天体和黄道离散天体。除水星、金星外，剩余6颗行星都已发现有自己的天然卫星。例如，地球的卫星是月球，火星的卫星是火卫一和火卫二，木星和土星已知均有超过60颗天然卫星，等等。在太阳系黑暗的边缘，较小的天体很难被观察到，但是它们的数量却更多，有冥王星等矮行星，也有彗星和小行星。
太阳的寿命约等于100亿年，至今已经过去快一半，目前处于稳定而旺盛的中年期。关于太阳系的诞生，目前主流的是星云假说。星云是由星际空间里的气体和尘埃组成的云状物，如图1-4所示，猎户星云（M42）是位于猎户座的一颗弥散星云，距离地球仅1500光年，是距离地球最近的一个恒星形成区。它的亮度相当高，在无光害的地区用肉眼就可观察到。根据星云假说，太阳形成于气体和尘埃。50亿年前，太阳系尚未形成。而那时，我们的银河系已存在80亿年了，其间，一代又一代的恒星诞生和消亡，只把气体和尘埃留在了巨大的暗淡星云中。接着，在银河系的外围，某种物质开始搅动。一颗恒星（超新星）爆炸，挤压附近的暗云，然后暗云在其自身引力的作用下开始坍塌。在暗云深处，较密集的气团开始聚集，并形成千千万万颗原恒星。随着一颗颗原恒星逐渐收缩升温，其核心开始发生核反应，恒星就这样诞生了，太阳就是其中之一。新诞生的太阳周围围绕着由气体和冰冻尘埃构成的旋转盘，起初，太阳在这一圈碎片（即形成太阳的残留物）中闪烁光芒。慢慢地，这些物质从很小的微粒逐渐聚集变大，形成行星、卫星和小行星等天体。星云是太阳系的温床，将危险的太空辐射隔开，初成的太阳系就在巨大的烟云深处不断发展。这些尘埃主要由大爆炸后残留的氢气和氦气组成，其中夹杂着少量濒死恒星喷射出的烟尘和宇宙尘埃。由于温度非常低，甲烷、氨和水蒸气等气体冻结成非常微小的尘埃颗粒。这些极其微小的冰粒围绕着年轻的太阳旋转，它们也成了日后慢慢长成行星的“种子”。在太阳星云的外部寒冷区域，碎片主要由冷结的水、甲烷和氨氢化合物的微小颗粒组成；在太阳系内部，这些物质容易挥发，很难凝结成冰。在靠近太阳的地方，太阳的热量使挥发性化合物蒸发，只留下了岩石和金属微粒。因此，在太阳星云中的不同部位形成的行星由完全不同的物质发展而来。冻线是挥发性化合物在太阳热量中能继续存在的临界点，在冻线以内，岩石碎片产生了四颗含金属内核的小型类地行星。越过冻线后，冰冻碎片合并形成旋转液体热球，并因混入太阳星云中的氢气和氦气而膨胀成巨大的体型。而冻线附近正是主小行星带所在的区域，更小的岩石碎片和冰冻碎片在这里形成了不同形态的主带小行星。
图1-4 猎户星云
图片来源：https://www.telescope.com/M42-The-Orion-Nebula/p/100112.uts
1.1.3 行星际空间
行星际空间（Interplanetary Space， IS）指的是一个恒星系统内本地恒星和行星之间的空间区域，也称为行星际介质。行星际空间延伸到恒星系边缘，与星际空间（即星系中恒星之间的空间）发生碰撞。
对于太阳系而言，行星际空间由太阳风来定义，来自太阳连绵不绝的带电粒子创造了稀薄的大气圈（称为太阳圈），深入太空中数十亿千米。太阳系行星际空间的外部边界为日球层顶，在这里太阳风与星际介质相遇，形成保护球。后文出现的“行星际空间”特指“太阳系行星际空间”。
行星际空间中充满着稀疏的宇宙射线，包括电离的原子核和各种次原子粒子，也有气体、等离子体、小流星体、尘粒以及数十种不同有机分子。行星际空间中的粒子具有非常低的密度，并且密度随着远离太阳而下降。这些颗粒的密度还受到包括磁场在内的其他因素的影响。地球附近的太阳风粒子密度为每立方厘米几个到几十个粒子，以350～400km/s的速度在移动。
行星际空间与行星相互作用的方式取决于行星磁场的性质。一些行星，包括地球，都有自己的磁层，行星的磁场覆盖太阳的磁场。地球的磁场会偏转危险的宇宙射线，否则这些宇宙射线会损害或杀死地球上的生命。没有磁场的行星，像是火星和水星，但是金星除外，它们的大气层都逐渐受到太阳风的侵蚀。
太阳与行星之间的行星际空间包含的主要天体有矮行星和太阳系小天体。国际天文学联合会（International Astronomical Union， IAU）对行星和矮行星给出了明确的定义[1，2]，行星是指围绕太阳运转、具有足够质量、自身引力足以克服刚体力而使天体呈近似圆球状，并且能够清除其轨道附近其他物体的天体，行星卫星是指围绕一颗行星并按闭合轨道做周期性运动的天然天体；同样具有足够质量、呈近似圆球形，但不能清除其轨道附近其他物体的天体被称为矮行星；而将其他围绕太阳运转但不符合上述条件的天体统称为太阳系小天体。可见太阳系小天体的界定范围十分宽泛，也没有直接限定其尺寸，人类对其了解的广度和深度虽然与日俱增，但还是非常有限的。事实上，太阳系中天体的不同种类的划分十分复杂，如图1-5所示，各个天体类别之间可能有交集，其定义和内涵以及包括的天体数目都随着人类对宇宙的观测和研究不断深入而发生变化。
太阳系小天体主要包括小行星和彗星，其中小行星相比于彗星不易释放出气体和尘埃。小行星主要分布在火星与木星轨道之间的主小行星带和海王星外的柯伊伯带，以及木星轨道上的特洛伊小行星带，还有一些靠近地球的小行星称为近地小行星（Near Earth Asteroid， NEA）。图1-6显示了太阳系中不同类型的小行星、彗星的分布区域。太阳系内目前已知的小天体已超百万，而据主流的重检率估计法估计，还有高两个数量级的小天体尚未被发现[4]。
图1-5 太阳系天体分类欧拉图[3]
图1-6 目前太阳系内各种类型小天体（来自JPL/NASA[5]）
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