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不同密度弹丸对水冰的超高速撞击成坑实验

宇航学报 2018年第9期39卷 1053-1058页

作者：兰胜威柳森覃金贵任磊生李毅黄洁中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞研究中心绵阳621000

为了研究冰冻天体表面撞击坑的形成与演化,开展了水冰的超高速撞击成坑实验。使用二级轻气炮发射1.0 mm直径的球形弹丸,以3 km/s、5 km/s和7 km/s速度对圆柱状冰块进行撞击。弹丸材料包括聚碳酸酯和不锈钢两种,冰块温度为253 K。实验观... 详细信息

为了研究冰冻天体表面撞击坑的形成与演化,开展了水冰的超高速撞击成坑实验。使用二级轻气炮发射1.0 mm直径的球形弹丸,以3 km/s、5 km/s和7 km/s速度对圆柱状冰块进行撞击。弹丸材料包括聚碳酸酯和不锈钢两种,冰块温度为253 K。实验观察到了不同弹丸和不同速度条件下,冰块中撞击坑的形貌特征。对撞击坑直径、深度和剖面形状进行了测量,并与文献中铝弹丸对水冰的撞击坑进行了比较分析。获得了水冰撞击坑特征随撞击参数的变化规律,结果表明:撞击坑直径和深度的主导机制不同,坑深主要由弹丸侵彻作用形成,而坑径主要由冰块的剥落所致;坑深比坑径具有更强的对于弹丸密度的依赖性,高密度弹丸撞击坑直径具有比低密度弹丸更强的对于撞击速度的依赖性;撞击坑体积与撞击能量成正比,高密度弹丸形成的撞击坑直径表现出"能量缩比"行为,而低密度弹丸形成的撞击坑直径表现出"动量缩比"行为。

关键词：撞击坑水冰超高速碰撞行星太阳系

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月球内部水和月表水冰资源的评估研究

高校地质学报 2024年第2期30卷 165-177页

作者：吴言蔚贺佳峰王国光内生金属矿床成因机制研究国家重点实验室地质流体研究所南京大学地球科学与工程学院关键地球物质循环前沿科学中心南京210023

水是地球上的生命之源,也是未来星际旅行重要的推进剂材料,因此在人类对月球和其他地外天体的探测过程中,水是最受关注的战略资源之一。美国Apollo和前苏联Luna登月计划之后二十多年间,月球“无水”的观点曾被广泛接受。文章系统阐述了... 详细信息

水是地球上的生命之源,也是未来星际旅行重要的推进剂材料,因此在人类对月球和其他地外天体的探测过程中,水是最受关注的战略资源之一。美国Apollo和前苏联Luna登月计划之后二十多年间,月球“无水”的观点曾被广泛接受。文章系统阐述了月球内部水和月表水研究进展、月球水成因、水资源量评估和开发利用方法。近年对月表水资源的探测和月球样品中水含量的深入研究,揭示出月球并非“无水”,月球内部含有较为丰富的水,月表的极区可能有可观的水资源,月表中低纬度地区也广泛存在太阳风成因的水。月球的水成因主要包括自身来源的水、小行星和彗星来源水、太阳风成因水等。据估测,月表极区水冰的资源量约为142.8亿吨,月表太阳风成因水含量约为34万吨,为未来月球基地的建设和深空探测提供了重要的资源保障。并就月球水资源利用的提出多种开发利用方案,包括热能采矿法、月球极地推进剂开采前哨战、钻取一体化开发利用系统等。

关键词：矿物结合水水冰资源量极区月球

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月球表面水冰的探测和意义

空间科学学报 2003年第1期23卷 42-49页

作者：徐琳刘建忠邹永廖李春来中国科学院地球化学研究所中国科学院国家天文台

综述了月表水冰的发现,探测技术,水资源的存在形式、分布、资源量,月表水的运移和利用前景.已有的探测表明,月球上的水资源主要分布在两极的永久阴影区内,储量约为66亿吨.月表水冰主要分布于两极永久阴影区中的原因,是月球上的水可以通... 详细信息

综述了月表水冰的发现,探测技术,水资源的存在形式、分布、资源量,月表水的运移和利用前景.已有的探测表明,月球上的水资源主要分布在两极的永久阴影区内,储量约为66亿吨.月表水冰主要分布于两极永久阴影区中的原因,是月球上的水可以通过弹道式跳跃逐步迁移到温度低的地区所致.本文认为月球上是否存在水对于人类进行月球基地的建设没有根本性的影响,而利用月球玄武岩中钛铁矿的反应来获取水,是更为简便和经济的方法.

关键词：月球表面水冰探测永久阴影区水资源

基于环绕器穿透雷达的火星次表层介电参数反演及其在水冰探测中的应用

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天文学进展 2023年第4期41卷 495-517页

作者：杜维苏彦戴舜张宗煜洪天晟刘书宁中国科学院国家天文台北京100012 中国科学院月球与深空探测重点实验室北京100012 中国科学院大学北京100049

火星是太阳系中的类地行星之一,研究火星的演变和现状对进一步了解地球环境的形成和未来演化具有重要意义。对火星表面地形地貌的探测和研究表明,火星表面曾经存在液态水,因此寻找火星上的水冰是进行火星探测的重要科学目标之一。在火... 详细信息

火星是太阳系中的类地行星之一,研究火星的演变和现状对进一步了解地球环境的形成和未来演化具有重要意义。对火星表面地形地貌的探测和研究表明,火星表面曾经存在液态水,因此寻找火星上的水冰是进行火星探测的重要科学目标之一。在火星探测中,穿透雷达利用电磁波的穿透特性获得分层界面的回波时延与信号强度来反演次表层物质的介电常数和损耗角正切。次表层的介电特性参数有助于推断该层介质的物理特性以及是否存在水冰等重要信息,进而了解火星的气候和地质演化历史。文章介绍了环绕器雷达的探测原理;然后介绍了利用次表层探测雷达的回波数据来反演火星介质的介电参数的方法,以及这些方法在探测火星水冰中的科学应用和成果;最后对我国的环绕器雷达应用前景做出了展望。

关键词：火星介电常数环绕器雷达次表层水冰

理学生死论辩中的性、形与气——以朱熹对张载“水冰”比喻的批评为中心

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中国哲学史 2018年第2期 52-60页

作者：张清江中山大学哲学系

张载以水冰凝释的意象解释人的生死,受到朱熹的严厉批评。在朱熹看来,水冰比喻中"形溃反原"和"死而不亡"的说法,都会陷入佛教"神识不灭"和"轮回"的错误观念之中。朱子之所以有这样的看法,是基于他性气二分的理论架构,以及对于"作用是性... 详细信息

张载以水冰凝释的意象解释人的生死,受到朱熹的严厉批评。在朱熹看来,水冰比喻中"形溃反原"和"死而不亡"的说法,都会陷入佛教"神识不灭"和"轮回"的错误观念之中。朱子之所以有这样的看法,是基于他性气二分的理论架构,以及对于"作用是性"的警惕,认为气散归于太虚这样的表达混淆了本体与作用,会让已经消散的气重新参与到宇宙造化之中,这与儒家的生生之说相矛盾。但对张载来说,只有即体即用的性气架构才能真正反驳佛教的虚妄世界观。这种架构下水冰凝释的"反原"和"不亡",表达的是与本体相通的天性的永恒,以此驳斥佛教的寂灭之说。在理学的共同场域下,张载和朱熹都试图以性、形、气等观念要素构建儒家的价值体系,反对佛老,但对这些要素及其关系看法的差异,导致了他们对水冰意象的不同理解。

关键词：朱熹张载水冰性气

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月球极区水冰资源原位开发利用研究进展

深空探测学报（中英文） 2020年第3期7卷 241-247页

作者：王超张晓静姚伟中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室北京100094

月球极区水冰资源开发利用是支撑基地建设和运行的重要手段之一。基于月球极区水冰资源的最新探测和数据分析结果,研究梳理了月球水冰资源的分布特征和存在形式,介绍了国内外月球极区水冰资源开发利用计划、实施方案和发展趋势,并详细... 详细信息

月球极区水冰资源开发利用是支撑基地建设和运行的重要手段之一。基于月球极区水冰资源的最新探测和数据分析结果,研究梳理了月球水冰资源的分布特征和存在形式,介绍了国内外月球极区水冰资源开发利用计划、实施方案和发展趋势,并详细介绍了提出的光热钻取一体化开发利用方案。并进行了地面水冰提取原理试验模型,开展了地面含水沙土的水提取试验。试验结果表明,该装置在含水率5 wt%的土壤中,能够达到30 g/h以上的水提取速率和大约4 kg/h/m3的水提取能力,以期应用于探月四期工程任务中。

关键词：原位资源利用水冰月球极区月球基地

垂直石墨烯电极的制备及其在水冰传感器中的应用

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垂直石墨烯电极的制备及其在水冰传感器中的应用

作者：杨振天津理工大学

学位级别：硕士

石墨烯具有大的比表面积、高的弹性载流子迁徙运动速度、以及卓越的导电催化性能,经常被用于传感器的电极中是非常理想的电极材料,同时它还因为具有很好的抗碱耐酸和高温、抗压和低温等多种化学腐蚀特性,优异的光学、热力学、稳定性及... 详细信息

石墨烯具有大的比表面积、高的弹性载流子迁徙运动速度、以及卓越的导电催化性能,经常被用于传感器的电极中是非常理想的电极材料,同时它还因为具有很好的抗碱耐酸和高温、抗压和低温等多种化学腐蚀特性,优异的光学、热力学、稳定性及非常高的整体机械强度。本文采用电子辅助热丝化学气相沉积法,以乙醇为碳源,由氮气气氛辅助,在钽衬底上垂直生长石墨烯薄膜,研制出了一系列垂直石墨烯电极。垂直石墨烯的生长机理研究表明,乙醇分解的含氧气氛与等离子体辉光放电产生的氮离子相结合,为沉积碳原子层数少的高纯度石墨烯片提供了一个动态平衡的生长环境。优化后的垂直石墨烯电极具有0.3cm s以上的电荷转移速率常数,有效电活性表面积可以达到1.8 cm,能达到实际面积的1.8倍,且它们具有极低的电荷转移电阻,这为采集生物分子的极化电流提供了丰富而稳定的氧化还原位点。接着,以石墨烯薄膜材料为主要工作电极,铂片材料为主要的对电极,铂丝材料为参比电极以及自己设计并定制成功的聚四氟乙烯电解池,把以上三个电极和电化学工作站进行了连接,构造了一种三电极体系的水冰检测电化学实验装置。石墨烯在极低温下的高电子迁移率和温度稳定性优势结合冷冻浓缩原理,首次提出了一种识别有机冰和无机盐冰晶的电化学分析技术。研究表明上述垂直石墨烯薄膜基传感体系在室温下定性及定量响应尿酸、甲基红、甲基橙等含碳氮有机化合物;而在-25℃的超低温度下,从这些有机物质水冰中也采集到了极化电流,但是极化电流仅为液体状态的1/1000左右,该传感器从有机物质中采集到的极化电流明显比无机物高且随着其浓度的增高而增高。此外,探索了无机及有机溶液的结冰机制差异,由此提出了在-25℃下阻抗稳定性差异来判断含碳无机水冰及有机水冰的新方法。本文提出的电化学策略,在极端低温下对水冰中所含碳成分进行了预估测试,且在原位识别了无机碳酸水冰和有机尿酸水冰。该技术对于探索地球的极端环境甚至宇宙资源,包括月球和火星上水和冰中有机成分的原位检测,以及北极和南极冻土资源的检测,都具有一定的应用价值。

关键词：垂直石墨烯乙醇碳源化学气相沉积水冰极化电流

基于雷达数据的月球次表层结构分析与水冰研究

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基于雷达数据的月球次表层结构分析与水冰研究

作者：陈书睿上海海洋大学

学位级别：硕士

月球作为距离地球最近的卫星,人类自古以来就对它充满了向往。月壤具有丰富的矿产资源,不仅能够为人类的可持续发展提供必要的物资,还激励着人类建立月球基地并通过合理开发月球资源,使人类具备成为星际文明的基础。水,作为一种人类生... 详细信息

月球作为距离地球最近的卫星,人类自古以来就对它充满了向往。月壤具有丰富的矿产资源,不仅能够为人类的可持续发展提供必要的物资,还激励着人类建立月球基地并通过合理开发月球资源,使人类具备成为星际文明的基础。水,作为一种人类生存及工业发展必不可少的重要资源,其状态、空间分布、含量决定着人类能否进行月球开发、建立月球科考基地及高效利用月球资源。因此,分析月球次表层地质构造、探寻次表层水冰是否存在,研究极区表层水冰存在特征对月球水冰资源分布和“月海”在历史上是否存在具有重要意义。由于月球自身的倾斜,使得南北极(纬度80°及以上区域)存在永远无法被阳光直射且温度较低的永久阴影区。考虑到月表的真空环境,水冰仅能在永久阴影区以固态混合物的形式存在。因此非极区月表主要被干燥的、低相对介电常数的月壤或者裸露的月岩所覆盖。在这类干燥环境下,高频电磁波具备较强的穿透能力能够穿透月表,能够进行次表层的有效观测。同时,月壤并不是均匀的层状构造。通过建立充分考虑随机特征的月壤模型,雷达波模拟能够为测月雷达的数据解译及月壤相对介电常数反演方法提供重要参考。通常混合相对介电常数模型能够对非极区次表层水冰体积进行有效反演。根据微波辐射计提供的月表辐射亮温数据能够识别存在于南北极的永久阴影区。凭借水冰在极化雷达中显现出独特的回波特性,在南北极高纬度地区的永久阴影区,通过极化合成孔径雷达能够实现对水冰存在的有效探测。本文介绍了月表的地质构造情况,详细说明了月壤与月岩的物理特性。介绍了嫦娥四号测月雷达的工作原理、技术指标、数据格式,并对测月雷达第二通道B天线数据进行了数据处理。详细介绍了基于时域有限差分方法的电磁波模拟及其边界吸收与稳定条件。并通过构建的月壤均质模型与随机等效介质模型,进行正演实验从而模拟了测月雷达在真实月球上的数据获取过程。基于随机等效介质模型的正演结果,运用全波形反演与有限带宽波阻抗法进行相对介电常数的反演。分析并对比两种方式的特点与优缺点。基于嫦娥四号测月雷达第二通道B天线真实的雷达回波数据,运用双曲线法进行相对介电常数、月壤密度及铁钛矿物含量反演,并通过混合介电常数模型进行次表层月壤体积含冰量反演。基于嫦娥二号辐射亮温数据进行嫦娥四号着陆区域的辐射亮温探测,并对全月球辐射亮温数据进行月球当地时间校正。在此基础上,以低于110K温度的区域为水冰等挥发性物质的稳定存在区域,对月球永久阴影区分布进行了有效提取。通过分析水冰在极化合成孔径雷达回波中特性,结合Mini-SAR双极化合成孔径雷达对月球南极选定区域的永久阴影区进行了高分辨的水冰探测,并分析了水冰分布的特征与永久阴影区尺寸的关系。结果表明,嫦娥四号落月区域的次表层可以划分为细腻月壤层(弱雷达回波)、喷出物层(中等雷达回波)、月岩层(强雷达回波)和古风化层(强弱回波交替)的4层结构。此外,500ns以下雷达信号被噪音覆盖,不具备解译条件。随机等效介质模型能较好的模拟真实月球次表层环境,其正演结果可以为以后的相对介电常数反演等方法提供可靠的数据支撑。全波段反演能够较好的捕捉模型中相对介电常数的空间分布情况;有限带宽波阻抗法能够较好的反应各地层的相对介电常数均值。如果能够获得实地的采样数据,有效带宽波阻抗法能够在小空间尺度范围内提供高精度的地层阻抗与相对介电常数反演。极化合成孔径雷达在月球南极选定的6个永久阴影区均探测出了水冰的存在,但水冰面积与分布情况存在较大的差异。统计结果表明,永久阴影区的面积越大,其内部水冰存在面积越大,水冰的空间分布越聚集。本文从测月雷达的处理方法、月壤模型建立、相对介电常数反演、微波辐射计数据处理、永久阴影区提取、水冰探测等方面介绍了雷达数据在月表次表层结构分析及水冰探测中的应用,为雷达技术在月球及深空科学中的应用与发展及月球水资源分布提供了参考。

关键词：测月雷达嫦娥四号相对介电常数水冰

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短周期彗星表面水冰升华分布的研究

短周期彗星表面水冰升华分布的研究

作者：刘灿中国科学技术大学

学位级别：硕士

彗星是太阳系形成初期遗留的原始星子,研究彗星彗核的演化对理解太阳系其它天体的形成和演化历史具有重要意义。在太阳的辐射作用下,彗星携带的挥发性成分会发生升华,并带动尘埃运动,造成彗核物质的损失。因此,彗核的活动对其表面形貌... 详细信息

彗星是太阳系形成初期遗留的原始星子,研究彗星彗核的演化对理解太阳系其它天体的形成和演化历史具有重要意义。在太阳的辐射作用下,彗星携带的挥发性成分会发生升华,并带动尘埃运动,造成彗核物质的损失。因此,彗核的活动对其表面形貌甚至整体形状演化都会产生影响。本文在IAU(International Astronomical Union)MPC(Minor Planet Center)获取轨道数据,并考虑了彗核的自转以及进动,利用 MONET(Mass-loss-driven shape evolution model)形状演化模型对彗星做数值模拟,计算得到了哈雷型彗星1P/Halley和木星族彗星9P/Tempel 1、19P/Borrelly、67P/C-G(Churyumov-Gerasimenko)、81P/Wild 2 及 103P/Hartley 2在一个轨道周期内的太阳辐射能量以及表面侵蚀深度的分布,部分计算结果呈现出南北半球侵蚀深度非对称分布的特点。出现该现象的根本原因在于太阳入射能量、轨道的变化及其与水分子生产率间存在非线性的关系。对于偏心率较大的轨道,近日点附近和远日点附近彗核的水分子生产率有巨大差异,它们随时间累积。对于自转轴倾角较大的彗星,经过一整个轨道周期后,近日点附近太阳直射点所在的半球,其受侵蚀的程度便会高于远日点附近太阳直射点所在的半球。本文创新性地从太阳直射点纬度考虑,结合彗核的动力学参数讨论了彗核自转、进动和公转等过程对太阳直射点活动范围的影响,进而讨论其表面水冰升华分布受到的影响,以及造成南北侵蚀差异的可能性原因,在理论上解释了数值模拟的计算结果。本文还对比了木星族彗星与哈雷型彗星的侵蚀深度分布的差异,以及不同木星族彗星之间侵蚀深度分布的差异,讨论结果表明彗星的轨道半长轴决定了彗核水冰侵蚀深度的数量级,而彗核的自转和进动决定了侵蚀深度在彗核表面的分布。最后,构建出物质非均匀分布的新的彗核模型,考虑热传导过程以及气体喷射对彗核的反冲作用,将是本工作未来的发展方向,这些改进会给出更加细致而真实的研究结果。

关键词：彗星水冰挥发性升华侵蚀模拟