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重返月球-月球探测新视角（英文）

Science Bulletin 2024年第13期 2136-2148页

作者：林杨挺杨蔚张辉惠鹤九胡森肖龙刘建忠肖智勇岳宗玉张金海刘洋杨晶林红磊张爱铖郭弟均芶盛徐琳何雨旸张贤国秦礼萍凌宗成李雄耀杜爱民贺怀宇张鹏曹晋滨李献华 Key Laboratory of Earth and Planetary Physics Institute of Geology and Geophysics Chinese Academy of Sciences State Key Laboratory for Mineral Deposits Research and School of Earth Sciences and Engineering Nanjing University State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources School of Earth Sciences China University of Geosciences Institute of Geochemistry Chinese Academy of Sciences Planetary Environmental and Astrobiological Research Laboratory School of Atmospheric Sciences Sun Yat-sen University National Space Science Center Chinese Academy of Sciences Deep Space Exploration Laboratory/CAS Key Laboratory of Crust-Mantle Materials and Environments University of Science and Technology of China Shandong Key Laboratory of Optical Astronomy and Solar-Terrestrial Environment Institute of Space Sciences Shandong University Technology and Engineering Center for Space Utilization Chinese Academy of Sciences School of Space and Environment Beihang University

Lunar exploration is deemed crucial for uncovering the origins of the Earth-Moon system and is the first step for advancing humanity's exploration of deep space. Over the past decade, the Chinese Lunar Exploration Program(CLEP), also known as the Chang'e(CE) Project, has achieved remarkable *** has successfully developed and demonstrated the engineering capability required to reach and return from the lunar surface. Notably, the CE Project has made historic firsts with the landing and on-site exploration of the far side of the Moon, along with the collection of the youngest volcanic samples from the Procellarum KREEP Terrane. These achievements have significantly enhanced our understanding of lunar evolution. Building on this success, China has proposed an ambitious crewed lunar exploration strategy,aiming to return to the Moon for scientific exploration and utilization. This plan encompasses two primary phases: the first crewed lunar landing and exploration, followed by a thousand-kilometer scale scientific expedition to construct a geological cross-section across the lunar surface. Recognizing the limitations of current lunar exploration efforts and China's engineering and technical capabilities, this paper explores the benefits of crewed lunar exploration while leveraging synergies with robotic exploration. The study refines fundamental lunar scientific questions that could lead to significant breakthroughs, considering the respective engineering and technological requirements. This research lays a crucial foundation for defining the objectives of future lunar exploration, emphasizing the importance of crewed missions and offering insights into potential advancements in lunar science.

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基于OpenMP的磁壳参数L值并行计算研究

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中国科学：技术科学 2021年第3期51卷 356-370页

作者：盛红佼张贤国朱昌波中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190

辐射带研究中(L,B)坐标系把三维问题降为二维问题,大大提升了辐射带三维空间有限观测数据的利用率.L值是其中重要的参量之一,在粒子特性分析、航天器轨道辐射环境描述以及辐射带建模等研究领域应用十分广泛.L值由磁力线追踪积分计算而得... 详细信息

辐射带研究中(L,B)坐标系把三维问题降为二维问题,大大提升了辐射带三维空间有限观测数据的利用率.L值是其中重要的参量之一,在粒子特性分析、航天器轨道辐射环境描述以及辐射带建模等研究领域应用十分广泛.L值由磁力线追踪积分计算而得,但地球磁场位型的复杂性导致磁力线追踪步长严格受限,造成单次追踪计算步数多.此外,不同空间位置处磁力线追踪路径和追踪距离随时空变化差异显著,造成多次L值计算之间相互独立、复杂度不一且无法简并,计算速度慢、效率低.为了提高L值的计算效率,本文采用OpenMP对目前广泛应用的L值计算程序实现单机多线程并行化,并分析了并行程序的加速比和效率.结果表明,并行后L值计算效率明显提高,当线程数量设置与系统最大线程数相等时(本文所用计算机系统线程数最大为8),并行效果最优,加速比范围为1.57~2.81,并行效率范围为19.63%~35.13%.计算过程中发现,线程间负载不平衡是影响并行效果的主要因素.为了提高并行加速比和效率,本文提出了一种表征L值计算复杂度的排序因子,并基于此提出了排序和重分配(“sort”和“S”分配)的优化负载算法,对dynamic,sort+“S”,sort+dynamic,sort+“S”+dynamic四种方式优化负载不平衡的效果进行了比对分析,结果表明sort+dynamic的效果最优,加速比范围为2.33~3.30,效率为29.13%~41.25%,优化效率提升了6.12%~9.50%.本文研究表明,OpenMP可以成功实现L值计算程序的并行计算,并提高L值的计算效率,针对负载不平衡的问题,采用sort+dynamic方式调节可获得最好的并行加速比和效率,为空间物理或其他领域类似大数据分析研究中效率提升提供了有益探索.

关键词：磁壳参数L值并行计算 OpenMP 并行加速比并行效率并行优化

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月球空间天气探测与研究进展

深空探测学报（中英文） 2024年第2期11卷 159-168页

作者：罗冰显张贤国孙天然白先勇韦飞林瑞淋李磊张珅毅孔令高王馨悦谢良海彭松武唐斌斌张颖洁徐秋予冷双冯鹏远苏杨甘为群封莉田晖陈林杰颜毅华宋永亮刘四清邓元勇空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190 中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院国家天文台北京100101 中国科学院紫金山天文台南京210023 北京大学地空学院北京100871

稳定的天体地质构造、与地球合适的距离、无稠密大气和全球磁场,使得月球成为日地月空间天气监测和研究的天然优良实验室。回顾了国内外月球空间天气探测和研究进展,梳理了月球空间天气关键科学问题及预报应用问题,提出了建立月球空间... 详细信息

稳定的天体地质构造、与地球合适的距离、无稠密大气和全球磁场,使得月球成为日地月空间天气监测和研究的天然优良实验室。回顾了国内外月球空间天气探测和研究进展,梳理了月球空间天气关键科学问题及预报应用问题,提出了建立月球空间天气监测站的构想,明确了监测站具体科学目标,并介绍了监测站三大系统构成及相互关系,包括监测系统、科学研究系统以及建模与预报系统。建立月球空间天气监测站对研究太阳爆发活动、日地月耦合关系以及月球局地环境的变化具有重要的科学意义,也有利于促进月球空间天气建模和预报技术的发展,提升未来月球科研探索任务空间环境保障能力。

关键词：月球空间天气月球空间天气探测和研究月球空间天气监测站月球空间天气预报

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基于数据网格化方法的低轨辐射带建模技术

北京航空航天大学学报 2015年第12期41卷 2288-2295页

作者：常峥王咏梅田天张贤国中国科学院国家空间科学中心中国科学院大学地球科学学院 61741部队

地球辐射带中的高能带电粒子是引起航天器材料和器件性能退化甚至失效的主要空间环境因素.因此,航天器设计中所采用的辐射带模型的准确程度对于航天器的生存能力和航天任务的完成质量至关重要.在利用我国自主辐射带高能粒子探测数据进... 详细信息

地球辐射带中的高能带电粒子是引起航天器材料和器件性能退化甚至失效的主要空间环境因素.因此,航天器设计中所采用的辐射带模型的准确程度对于航天器的生存能力和航天任务的完成质量至关重要.在利用我国自主辐射带高能粒子探测数据进行的辐射带建模中,探测数据的空间网格化是一项非常重要的工作.介绍了我国辐射带探测数据的情况,以及辐射带建模的方法和步骤;重点研究了不同插值方法在低地球轨道(LEO)空间辐射带建模数据网格化中的应用,并开展了误差分析.研究结果表明:在各种常用的插值方法中,反距离加权法、自然邻点法和最近邻点法适合工程化应用.其中,反距离加权法生成的数据网格对粒子通量的反演结果精度最高,该方法采用低阶距离时得到的反演结果更为合理.

关键词：空间环境辐射带数据网格插值反距离加权法自然邻点法最近邻点法

用于空间中高能离子探测的飞行时间(TOF)质谱仪——发展现状与展望

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地球物理学报 2022年第10期65卷 3743-3758页

作者：张伟杰张珅毅张贤国叶依众中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190

对空间中能量介于几十keV到几MeV的离子进行成分、能谱、通量和角分布等信息的测量,具有十分重要的科研和应用价值.20世纪80年代,一种基于二次电子发射(Secondary Electron Emission, SEE)的TOF×E空间中高能离子探测器(下简称中高能TO... 详细信息

对空间中能量介于几十keV到几MeV的离子进行成分、能谱、通量和角分布等信息的测量,具有十分重要的科研和应用价值.20世纪80年代,一种基于二次电子发射(Secondary Electron Emission, SEE)的TOF×E空间中高能离子探测器(下简称中高能TOF质谱仪)问世,直到今天,仍然被广泛应用于各类空间任务.本文将重点介绍中高能TOF质谱仪的技术原理,发展历史,当前发展现状和未来趋势.另外还对中高能TOF质谱仪的质量分辨率和抗干扰能力两项关键参数的影响因素进行分析,并探讨通过引进石墨烯薄膜和金刚石探测器改善两项性能的可能性.该项技术目前我国仍未掌握,但随着我国多项深空探测项目即将开展,已对该技术提出了科研和应用需求.针对未来不同的空间任务需求,我国对中高能TOF质谱仪的研发应涵盖单方向高精度和多方向多要素两种类型,并研究通过引进石墨烯薄膜和金刚石探测器等新技术,进一步提升其探测性能和空间任务适应性.

关键词：飞行时间法中高能离子磁层探测行星探测太阳探测深空探测

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三维Hall MHD数值模拟中初始载流子对场向电流分布的影响

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中国科学：E辑 2008年第3期38卷 361-374页

作者：张贤国濮祖荫马志为周煦之北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所北京100871 中国科学院等离子体研究所合肥230031 浙江大学理学院聚变理论与模拟中心杭州310027

用Hall MHD数值模拟的方法研究了Hall等离子体中不同初始粒子载流情形下磁场拓扑形态结构的改变以及场向电流与Alfvén波的产生.在考虑了初始离子载流子的影响后,模拟结果中磁场的拓扑形态结构更加复杂.模拟结果中除了传统的By四极结构... 详细信息

用Hall MHD数值模拟的方法研究了Hall等离子体中不同初始粒子载流情形下磁场拓扑形态结构的改变以及场向电流与Alfvén波的产生.在考虑了初始离子载流子的影响后,模拟结果中磁场的拓扑形态结构更加复杂.模拟结果中除了传统的By四极结构以外,还出现了一个与传统By四极结构相反的反四极结构,这种结构的出现使Hall MHD理论能解释完全电子载流情形下不能解释的观测现象,作为事例给出了Cluster卫星观测事例.同时还得出以下几个非常有意义的结果:1)受Hall效应影响的区域(空间变化尺度小于或相当离子回旋半径的区域)电子与离子分离.在非Hall效应影响的大部分区域,受初始离子+y方向运动的影响整个磁结构向+y方向偏移;而在受Hall影响的较小区域,受电子运动影响磁力线向+y方向弯曲.随之,By产生;2)由于By的出现,场向电流(FACs)产生.与完全电子载流的情形相比,结果中场向电流分布的中心随离子载流比例的增加向+y方向偏移,场向电流主要分布在y>0的区域;3)模拟结果中Ae≈0.76,Ai≈1.36,Ae×Ai≈1.03,完全符合Hall等离子体中的瓦伦关系,证实了Alfvén波的存在.

关键词：无碰撞磁重联 Hall—MHD数值模拟场向电流 Alfven波 Hall效应

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一种低能量远焦距电子枪技术

空间科学学报 2023年第1期43卷 144-155页

作者：吴伟刘超张贤国张爱兵孙越强中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学天文与空间科学学院北京100049 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190

针对可移动非接触式月球表面电位探测器的电位无扰动测量单元对低能远焦电子束的需求,设计了低能远焦电子枪。以平板二极管电子枪为电子源,匹配两个静电聚焦透镜,将电子源引出的发散电子束聚焦为需要的形状,并加速至所需能量。优化电子... 详细信息

针对可移动非接触式月球表面电位探测器的电位无扰动测量单元对低能远焦电子束的需求,设计了低能远焦电子枪。以平板二极管电子枪为电子源,匹配两个静电聚焦透镜,将电子源引出的发散电子束聚焦为需要的形状,并加速至所需能量。优化电子枪的几何参数以及施加在电极上的电位,电子枪引出的电子束能量在5~500 eV内,并且具有良好的电子光路特性。电子束能量为5 eV时,初始半径r为5 mm,束腰至电子枪出口的距离p约为133 mm。随着能量增加,r逐渐减小至500 eV时的3 mm左右,p逐渐减小至105 mm。电子束经月球表面电场反射被电子收集平极接收,仿真数据和理论分析结果均表明,电子枪的工作距离为400~600 mm,平板接收的电子占发射电子比例在96%以上。电子枪结构质量仅408 g,满足探测器对电子枪的质量需求。

关键词：月球表面电位探测器低能远焦电子枪静电透镜数值仿真

2011—2015年辐射带电子动态FY-3B卫星实测结果

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地球物理学报 2021年第6期64卷 1831-1841页

作者：王春琴张贤国沈国红张珅毅张效信黄聪李兴冀中国科学院国家空间科学中心北京100190 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190 中国气象局国家空间天气监测预警中心北京100081 哈尔滨工业大学哈尔滨150001

FY-3B卫星为轨道高度约800 km,倾角98°的极轨气象卫星,星上高能电子探测器可开展宽能谱、高时间分辨的电子辐射长时间连续监测.2011—2015年极低太阳活动周期内,FY-3B卫星高能电子探测器对0.15~5.7 MeV不同能量高能电子在南大西洋异常... 详细信息

FY-3B卫星为轨道高度约800 km,倾角98°的极轨气象卫星,星上高能电子探测器可开展宽能谱、高时间分辨的电子辐射长时间连续监测.2011—2015年极低太阳活动周期内,FY-3B卫星高能电子探测器对0.15~5.7 MeV不同能量高能电子在南大西洋异常区以外的辐射带区域的观测结果显示:在所有的辐射带区域,低能量的电子比高能量的电子更容易出现增强,填充槽区和进入到内带更低L区域的可能性更大.0.15~0.35 MeV的电子长期充斥于外辐射带和槽区,而1 MeV以上的电子大部分时间分布于外辐射带,在太阳风速度、地磁活动极弱的2014年呈现长时间极弱通量水平.2015年频繁增强的扰动导致电子通量水平整体升高,空间分布大范围扩散,1 MeV以上能量的电子在槽区位置也出现了分布.分析2014.5.10—7.30和2015.5.10—7.10两个典型时段内扰动参数对电子通量在不同区域动态分布的影响,结果表明:电子通量在外辐射带外边界区域动态与太阳风起伏变化关联显著.AE-30 nT,SW1 MeV以上的电子在低至L~2.8的槽区出现显著增长.在极低通量水平下,AE指数短时增加超过300 nT的亚暴活动会导致0.15~0.35 MeV电子超过1个量级的增长变化.上述结果对于准确认识辐射带电子不同时期的基本特性、发现能量电子动态潜在的基本物理过程,构建更准确的辐射带电子模型有着重要的参考意义.

关键词： FY-3B卫星高能电子辐射带

模糊层次分析法在我国深空探测方案优选应用探究

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工程科学学报 2022年第8期44卷 1433-1443页

作者：刘彤杰宋洪庆张杰骆笑天彭如意张贤国北京航空航天大学宇航学院北京102206 上海航天技术研究院上海201109 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学深空探测与资源识别利用联合实验室北京100083 中国科学院国家空间科学中心北京100190

中国深空探测是复杂的系统工程,涉及领域多、技术难度大、经费需求高,目前方案优选方法是论证组论证和中介机构专家评估后形成,该方法论证周期长,不易快速做出科学决策.本文基于模糊层次分析模型,考虑技术、科学、经费等多指标多层次结... 详细信息

中国深空探测是复杂的系统工程,涉及领域多、技术难度大、经费需求高,目前方案优选方法是论证组论证和中介机构专家评估后形成,该方法论证周期长,不易快速做出科学决策.本文基于模糊层次分析模型,考虑技术、科学、经费等多指标多层次结构,建立系统指标评价模型.以中国探月工程中嫦娥四号任务方案为具体算例,综合专家判断和理论分析,建立各层次指标的判断矩阵,计算权重系数,进而实现总体方案的优选应用评价.结果表明,技术、科学和经费这三个因素相对于周期和效益更为重要.在4个备选方案中,由长征四号丙发射中继星,长征三号乙发射着陆器和巡视器组合体的方案,排序权值最大,因此该方案为最优方案,这也与实际情况一致.本研究可为我国后续各类深空探测方案制定提供快速及科学的理论支撑.

关键词：深空探测探月工程方案优选模糊层次分析法权重系数