一种基于超高速撞击的星体成分探测方法技术

本发明专利技术属于星体矿物成分探测领域，具体涉及一种超高速撞击来探测星体表面成分的方法，具体指：在飞行器上以弹射方式向几十公里外的星体表面投掷一弹丸，利用飞行器和星体间的大相对速度，使弹丸以公里/秒的超高速撞击星体表面并诱发高温高压等离子体。等离子体发出强光，并在膨胀冷却过程中发出离散的原子谱线。在飞行器上设置望远镜和高灵敏度光栅光谱仪，对等离子体原子谱线收集分析，实现远距离的星体表面成分探测。体表面成分探测。体表面成分探测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超高速撞击的星体成分探测方法


[0001]本专利技术涉及星体矿物成分探测领域，具体涉及一种基于超高速撞击的星体成分探测方法。

技术介绍

[0002]在月球、火星探测与资源开发利用和小行星、彗星和巨行星探测任务中，星体成分探测领是其中的重要内容。目前主要星体成分探测方法有两种，一种是采样返回探测，一种是在线原位探测。在线原位探测的一个实例是美国NASA的ChemCam火星车上使用的LIBS(Laser induced breakdown spectrum)探测器。其中，LIBS技术指的是通过聚焦后的高能量密度激光对物体表面进行照射，在辐照位置处形成GW/cm2功率密度，从而诱发多光子吸收过程。电离出的电子在激光电场加速下发生雪崩效应，当电子密度在辐照区超过一定阈值，辐照区的物质就会被击穿或者离解从而形成高温高压的等离子体。等离子可以发光，通过高灵敏度的光谱仪对等离子体光谱进行分析，就可以得到物质组成元素的信息。ChemCam的LIBS探测系统图如下。LIBS方法的主要优势在于对物质成分的探测具有很高的精度。
[0003]采样返回方式需要设计复杂的航天器星体着陆、样品采集以及航天器返回工程方案，耗资巨大且任务周期长。而在线原位探测需要将复杂探测载荷装载于探测车上，需要进行探测车在星体表面的着陆工程设计。并且，利用LIBS探测系统只能探测到探测车周围约几米的距离。显然，无论是采样返回还是在线原位探测，可取得的样品都被限定于只能是在着陆点或探测车周围一定范围内。而探测车的行动范围又通常是非常有限的，这意味着如果想要对星体表面的多个相距很远的不同位置处的矿物成分进行探测仍是一项耗费资源巨大的任务。
[0004]无论是采样返回还是在线原位探测，他们的不便之处是显而易见的。

技术实现思路

[0005]本专利技术基于航天器与星体之间高于1km/s的相对速度，提出在航天器上发射弹丸撞击星体表面激发等离子体，并通过收集等离子可以大尺度范围、多点位高效对星体浅表层物质成分进行远距离探测的方案。
[0006]为达到上述目的，本专利技术通过下述技术方案实现。
[0007]本专利技术提出了一种基于超高速撞击的星体成分探测方法，所述方法包括：
[0008]利用飞行器上的发射装置向目标星体表面发射弹丸，利用飞行器和目标星体间的相对运动速度，使弹丸对星体表面形成超高速撞击，从而产生撞击产生等离子体；
[0009]利用飞行器上的高清望远镜对撞击进行监测，并收集等离子体光谱；
[0010]利用飞行器上的光谱仪对等离子体光谱的原子谱线进行分析，通过分析原子谱线强度即可获得目标星体撞击位置处的各成分含量。
[0011]作为上述技术方案的一种改进，所述发射弹丸时，一次同时发射多个弹丸。
[0012]作为上述技术方案的一种改进，所述弹丸的质量为2.5克
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10000克。
[0013]作为上述技术方案的一种改进，所述弹丸的材质为铜合金。
[0014]作为上述技术方案的一种改进，所述飞行器和目标星体间的相对运动速度，要求达到1公里/秒以上。
[0015]作为上述技术方案的一种改进，所述星体是小行星、行星或卫星。
[0016]作为上述技术方案的一种改进，所述飞行器上的光谱仪为ICCD光栅光谱仪。
[0017]作为上述技术方案的一种改进，所述方法还包括：
[0018]在撞击之前，利用高清望远镜和光谱仪对背景空间光谱进行记录分析；
[0019]通过对比撞击前和撞击后的光谱，将撞击后的等离子光谱剔除背景空间光谱得到等离子体光谱的原子谱线。
[0020]作为上述技术方案的一种改进，所述背景空间光谱来自太阳光和星体反射太阳光的空间背景光干扰。高速飞行的飞行器携带弹丸以高相对速度向星体飞行，在几十公里外向星体投掷一颗或数颗弹丸。弹丸为铜合金等材质，形状不限，质量在2.5
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10000克之间。弹丸以大于1公里/秒的速度撞击星体表面，撞击诱发星体浅表层成分等离子体化，并伴随强光。在等离子体的弛豫过程中，原子由激发态向基态跃迁，发射出原子谱线。利用飞行器上搭载的高清望远镜对撞击事件进行监测，并收集等离子体发光谱线。利用飞行器上搭载的ICCD(Intensified charge
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coupled device，增强电荷耦合器件)高分辨光栅光谱仪对等离子体谱线进行现场分析。通过对比撞击前和撞击后的光谱信号，剔除来自太阳光和星体反射太阳光的空间背景光干扰，得到等离子体光谱中的原子谱线，从而获得星体浅表层成分信息。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的优势在于：
[0022]1.本专利技术充分利用了航天器与星体之间高达1km/s的相对速度，通过发射弹丸形成等离子体实现对星体浅表面物质成分的高精度测试，突破了传统的星体物质成分高精度测量只能局限在航天器抵达区域数米范围的局限，实现对航天器飞掠区域百公里范围内星体物质成分高精度测量的突破，将极大促星体探测的发展；
[0023]2.航天器可以向星体表面发射多颗弹丸，对相距较远的不同位置进行撞击；通过航天器的望远镜系统和ICCD光栅光谱仪收集和分析这些不同撞击位置的光信号，可以对天体实现多目标的在线测量；
[0024]3.弹丸对星体的撞击动能主要来自于探测器与星体之间高达1km/s的相对速度，不需要额外的弹丸加速装置，相对成本较低；
[0025]4.不同于LIBS方案中的激光诱导等离子体，本方案利用合金弹丸对固体表面的超高速撞击来诱导等离子体，本方案针对固态行星(如小行星)表面的撞击形成的等离子体的发光分析；因此，本专利技术具有LIBS技术的高精度和高测量速度的优势，同时解决了LIBS的激光在远距离传输过程中易发散不易聚束的问题，也可实现了一次性对多个点位的撞击；并且，由于等离子体发光具有极高亮度，可在几十公里外对光信号收集分析。
附图说明
[0026]图1是超高速撞击星体及等离子体光谱探测方案示意图；
[0027]图2(a)是激光诱导等离子体发光图，图2(b)是撞击诱导等离子体发光图。
[0028]附图标记
[0029]11.飞行器
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12.弹丸投递装置
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13.弹丸
[0030]14.弹丸飞行轨迹
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15.星体表面
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16.等离子体
[0031]17.等离子体光线
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18.望远镜
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19.光纤
[0032]20.ICCD光栅光谱仪
具体实施方式
[0033]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案进行详细的说明。
[0034]实施例
[0035]本专利技术提出，在航天器上向目标星体(如月球、火星、金星、小行星等)表面投掷一定质量的弹丸，利用航天器与星体间的的相对速度差，实现弹丸对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超高速撞击的星体成分探测方法，所述方法包括：利用飞行器上的发射装置向目标星体表面发射弹丸，利用飞行器和目标星体间的相对运动速度，使弹丸对星体表面形成超高速撞击，从而产生撞击产生等离子体；利用飞行器上的高清望远镜对撞击进行监测，并收集等离子体光谱；利用飞行器上的光谱仪对等离子体光谱的原子谱线进行分析，通过分析原子谱线强度即可获得目标星体撞击位置处的各成分含量。2.根据权利要求1所述的基于超高速撞击的星体成分探测方法，其特征在于，所述发射弹丸时，一次同时发射多个弹丸。3.根据权利要求1所述的基于超高速撞击的星体成分探测方法，其特征在于，所述弹丸的质量为2.5克
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10000克。4.根据权利要求1所述的基于超高速撞击的星体成分探测方法，其特征在于，所述弹丸的材质为铜合金。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏伟，张龙龙，韩建伟，陶孟泽，寇彬，胡紫楠，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：