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ESA深空門戶研究計劃:研討會和項目建議征集結果

時間:2018-09-11  來源: 文本大小:【 |  | 】  【打印

(本文使用ESA201802發布征集結果時的名稱“深空門戶”)

 

1、引言

20178月到10月,歐空局向歐洲科學界進行研究項目建議征集,收到了在這一平臺上運行的科學和其它研究的一百多份建議,并且在125日和6日在荷蘭ESTEC進行了討論和合并,有二百多人參加了研討會。

咨詢和研討的最終結果是一個利用深空門戶平臺的概念綱要,以及項目建議結果和整合建議,其中強調了主要研究機會和實現這些研究所采用的技術。

2項目征集結果總結

本章展示生命科學、太陽系、月球與地球科學、物理科學與天文、技術等研究領域的項目征集結果,確定了研究主題、總體技術需求等。考慮這些方面作為最高優先級,支持深空門戶上開展的研究項目。

2.1 研究興趣

作為對項目建議征集[RD1]和后續研討會的響應,收到了大量研究建議。值得注意的是,在深空門戶上可以開展多種研究課題,但受限于可利用的資源和能力,特別是在深空門戶設想的第一階段(Phase 1),這種可用性將受到限制。征集的研究建議完整綱要包含在DR2

研究領域按照如下研究學科進行分組:

生命科學

太陽系、月球與地球科學

物理科學與天文

技術

按照提交研究主題的分布情況,這一分組試圖結合歐空局科學工作組SWG考慮的領域(生命科學、物理科學、太陽系、天文)。

認為實現這些研究所提出的方法是各研究領域常見的交叉主題,這些主題包括:

月面進入與操作

月球(或其它太陽系天體)樣品返回

艙外被動暴露

艙外指向觀測

艙外小衛星和立方星部署

居住艙內部實驗

一個挑戰是為各種研究方法定義通用功能和接口,以滿足各研究學科對各種研究類型的需求。選定的技術需求見3.2小節,研究平臺和接口的可能方法見3.4小節。

2.2 技術方案和任務相關性

這一小節描述技術項目的征集結果,包括實現深空門戶研究的主要技術與任務的相關性。

   2.2.1 航天員

一般來說,對于演示驗證的研究活動,不需要大量航天員活動。航天員活動在許多實驗里僅限于實驗部署或實驗樣品返回。

有些生命科學工作可能存在例外,需要詳細分析。可能存在對樣本進行原位分析的機會,結果可能具有時間依賴性,不能返回地球后再分析。

2.2.2 外部進入及設施

可能許多實驗需要在深空門戶的艙外實施,這些載荷需要艙外載荷掛點。一些艙外載荷需要暴露以前運出壓力艙受控環境,暴露以后進入壓力艙,這些實驗可能返回地球。值得注意的是,氣閘規格大小對有效載荷大小產生主要約束。比計劃更大的氣閘將會更有用。

其它實驗可能在沒有壓力的情況下運送,并可以不經過壓力空間掛載到外部,以后可能不需要再進入。艙外實驗可能是被動的,需要了解指向(不同質量)和暴露期間本地事件活動的情況下,暴露到局部環境,或者主動指向,暴露期間需要專門指向定位。

深空門戶的外部也可認為是設備和設施的存放位置,避免不必要占有有限的內部空間。

2.2.3內部設施

希望科學項目可以利用深空門戶內部空間大約1.5m3,考慮到非常小,但對于研究是有用的。有必要澄清,這一空間在深空門戶內部是如何分布的。如果這一空間可以模塊化方式利用,以便容納不同大小的實驗,具有標準接口,也許標準化模塊形式(立方星單元模塊),那么可以最大化利用空間。為了確保長期利用深空門戶進行研究,其設計應該預計并支持未來的研究空間和能力拓展。

此外,沒有航天員居住時,應該考慮內部空間的科學利用。對所有內部載荷應該定義通用接口。

利用離心機系統將對研究有很大用處,提供1G重力控制,與微重力實驗進行比較,或者分離非重力效應。清晰理解內部微生物生態也很重要。

2.2.4電力與數據處理

結果表明,載荷需要集中式數據處理、存儲和TT&C子系統,以處理和分發上行指令和下行數據及遙測。這一子系統需要支持處理和存儲實驗的原始數據,并在通信鏈路允許時向地球發送。這一子系統的需求將由各種載荷的數據量和數據率、載荷的下行帶寬和可用性、地面與一些載荷交互的實時或近實時需求所驅動。這些需求還未定義,但預期數據量將由成像決定。

120V DC標稱電力總線不適合載荷,需要一個專門的電源接口,運行于比較低的電壓。28V是載荷的典型運行電壓。這一數據接口應由安裝在深空門戶內部和外部的載荷所使用。

2.2.5機器人

為了部署、取回和服務艙外載荷,有必要配備艙外機器人,或者外部機械臂。為機器人確定一個通用用戶接口,作為高優先級的能力。可以提供人機接口,允許在深空門戶或其它地方操作各種機器人,特別是在月面上。這一接口需要具有通用性,滿足從深空門戶內運行各種不同機器人系統的不同操作和用戶需求。

2.2.6通信

對于應用研究,與地球的通信不需要連續,但必須可靠、可信、有足夠帶寬與數據量,滿足設計載荷的需求。值得注意的是,預期后國際空間站的研究領域具有高數據率。此外,公眾對大數據產品有越來越高的期望,特別高分辨率流式視頻產品,以及對交互和沉浸式產品日趨增加的預期。在21世紀20年代,有效的公眾參與毫無疑問將需要生產這種產品,應該考慮同時建立通信系統。

特別需要指出的是,從月面到地球的通信中繼所起的作用。這種中繼支持許多月面任務,特別那些未探索過的月球背面任務,并將任務拓展到月球極區。

2.2.7立方星與微小衛星

許多研究、商業、運行支持活動可以通過部署小衛星實現,例如立方星。為了實現這一功能,深空門戶需要具備接收并進行部署立方星的方式。一些立方星和小衛星需要額外支持本地通信,在深空門戶附近導航支持能力。

2.2.8月球表面進入

通過深空門戶可以進入月面,返回月球樣品,將產生巨大且多樣化的科學回報,提出多個跨多學科的高優先級科學主題。深空門戶可以支持的各種科學領域包括:

提供到地球的通信中繼

為機器人系統提供從深空門戶到月面的低延時遙操作

月面進入的任務中轉

為可重用著陸器與上升器補充燃料,從月面獲取與返回樣品

返回地球以前進行樣品篩選(如果需要),或者對時間或環境進行重要分析(樣品含有揮發物)

許多機構正在研究人類增強的機器人架構和月球科學探索能力HERACLES任務概念,這是一個說明我們可以做什么的很好例子。可以采用幾個不同和互補的方法進入月面,包括載人先任務,例如HERACLES、周期性任務,對于不同科學和最終載人任務的多點反復飛行能力。

2.2.9軌道

需要詳細分析EML2附近概念性NRHOHalo軌道對于不同科學應用的適用性。對于許多科學項目這些軌道是可以接受的,對于遙感實驗和一些月面平臺部署,證明這些軌道可能并不適用。

2.2.10研究資助與項目征集

為了進行研究征集,及時啟動很重要,發布項目征集公告應該盡快準備。需要短時間內定義好接口,繼承性和成熟性是關鍵的選擇參數。任何征集需要有明確的經費支持方案支撐。

有必要對可利用資源支配和合作伙伴機構之間的共享方式進行明確定義。一個目標是在2019年間進行可行性研究,允許2020年進行遴選,準備Phase 1期間的實現與利用,理論上在2026年結束。

2.3一般性調查結果

2.3.1深空門戶的科研收益

深空門戶是一個開展研究的基礎設施,研究與科學自身并不證明這一基礎設施的合理性,但對整個任務有貢獻。

征集中描述的標稱接口是有用的,也有特例,但應該假定設計或計劃未來的發展。需要具體研究領域的詳細評估與需求,確定研究接口的詳細需求。在化學與電磁潔凈度方面,理解和量化預期艙外環境是一個通常需求。

2.3.2 深空門戶的教育收益

深空門戶為教育和激發未來一代科學家與工程師提供了極好機會,但應該注意推廣和教育不是一回事。教育需要作為特定領域,推廣與公眾參與也重要,但需要專門方法,獨立但又與教育協同作用。

教育機會可以在深空門戶研發期間就開始,不需要等到平臺運行。目標是找到提供教育開發過程的方法,也為飛行期間的教育活動做準備。應該在平臺和載荷層面都考慮到這些措施,并包括專業數據集和實際知識。

2.3.3公眾參與需求

深空門戶在空間探索方面標志著一個新時代的開始,標志著人類從地球旅行到達的最遠距離。對于吸引公眾和帶他們一起去旅行,是一個巨大機遇。但需要注意,公眾參與也只需要集中于解釋深空門戶的背景環境,以及探索和可持續發展的廣泛作用。因此,要實現深空門戶的效益需要努力引人注目、協調和參與公眾交流。

2.3.4國際合作與協調

國際協作是一個推動,也是一種收益。未來最大化這一機會,需要具體國際協調。一個目標是利用這些機會進行研究,作為增強參與和拓展國際合作的一種方式。

2.3.5將深空門戶研究集成到深空載人探測

為了滿足和支持深空門戶載人任務(例如到火星),在其上開展研究工作,但并不清楚在時間表內是否可以獲得有意義的結果,滿足表面上的需求日期,從當前計劃的持續很久的深空環境載人任務可以看出這一需求。

2.4深空門戶潛在研究平臺

整合不同載荷和實驗類型的各種需求,以便可以為深空門戶確定一組清楚的平臺(接口類型),具有不同定位與接口。概括如下:

1)    艙外被動暴露平臺,例如,材料和技術,調節材料樣品,將其暴露至外部環境。該平臺具有零或者低的電能和數據需求,但外部暴露樣品需要取回并返回地球。

2)    外部環境及對暴露平臺影響,為環境和影響測量調整監測設備,不嚴格要求指向,數據和電量適中。設備需要外部掛載,但可能不要求取回和返回,但在這種情況下,必須考慮處理要求。

3)    艙外遙感平臺,按照對月球、地球的指向需求,調節光學儀器或空間指向儀器。這一平臺的數據量可能比較高,主要由圖像數據組成。需要確定提供特定指向的能力,以及這種研究對深空門戶軌道的適用性。

4)    立方星/小衛星部署平臺,與本地通信和導航設施。

5)    遙操作機器人通用用戶接口

6)    內部載荷通用接口(以ICE Cubes作為示例

2.5 后續步驟

后續步驟包括:

與國際伙伴討論協調研究方法、下一步研究與征集、建立深空門戶的利用管理方案

調查可行性,定義內部與外部研究平臺的統一需求

準備啟動初步實驗方法,進行2019Phase A研究遴選

準備載荷征集公告,目標在2020年初遴選Phase 1飛行實驗

在項目征集公告前為遴選載荷定義資助方案

商業合作伙伴調查研究機會關聯到研究設施和活動的研發與運行

3生命科學總結

 

ESA深空門戶研討會生命科學會議共同主席,本節作者:David Cullen (英國克蘭菲爾德大學), Alexander Choukèr (德國慕尼黑大學)

ESA深空門戶研討會科學咨詢組在深空門戶范圍內遴選,科學界所提與生命科學相關的摘要子集。

深空門戶研討會上19個遴選摘要在生命科學分會上進行了一天展示。

在展示后進行了分會討論,由展示者、參加分會的其它成員組成一組,并由來自展示者分會的聯合主席選定討論小組,組成包括:Alexander Choukèr (共同主席), Hervé Cottin, David Cullen (共同主席), Christine Hellweg, Monica Monici Ann Visscher至少有一個小組成員可以詳細評論生命科學分會子領域,如下節

3.1 確定的研究主題

由生命科學分會聯合主席聚焦19PPT到六個領域,如下所列:

生命科學艙內平臺(2PPT)

生命科學艙外平臺(2PPT)

深空門戶輻射環境(4PPT)

航天員實驗主題(6PPT)

微生物學(2PPT)

高等植物(3PPT)

深空門戶第一階段(Phase 1),應該考慮深空門戶輻射環境的主要方面是銀河宇宙線GCR太陽質子事件SPE,艙內(分布)和艙外都監測。

許多科學問題由微生物學解決,支持天體生物學、生物技術應用,包括原位資源利用ISRU。對于一些領域沒有考慮將微生物生態學作為深空門戶的集成部分,例如人類/微生物組學、生命支持,包括植物生長、居住環境。但這是考慮的關鍵方面。

深空門戶第一階段(Phase 1)的有限資源制約了實施植物生長的高等植物實驗的機會。沒有收到需要開展動物研究的建議。與人類學科相比,這種方法用于獲得更好的哺乳動物實驗統計。

3.2技術需求

3.2.1生命科學艙內平臺

考慮到深空門戶生命科學實驗預期有限的空間,提供最大靈活性,最大化潛在的科學回報,從國際空間站學習經驗,應該有一個具備常用多個接口(機械、電和通信)的艙內平臺,可以靈活設計和實施實驗。這將需要獲得一組通用的實驗硬件,以及為給定實驗定制實驗硬件的靈活性。通過此可看出,利用現有歐空局經驗,KUBIKBiolabICE Cubes的混合方法。在這個背景下,可以獲得一系列特征,包括小型化、自動化的微生物、哺乳動物細胞和微型動物/微動物群(例如線蟲)培養箱/生長室/生物反應器,適當的觀測技術,例如顯微鏡和光譜學,提供1g和部分重力環境的能力,受控條件下(+4°C-20°C)實驗前后存儲實驗和樣品的能力。此外,進行小哺乳動物研究的能力也很有用。

3.2.2生命科學立方星部署

通過深空門戶的上行能力、必要儲備、以及部署立方星,可以為生命科學提供附加機遇。因此需要上行、儲備和部署立方星(從1U6U)的能力,必要時為深空門戶提供自由飛行立方星的通信鏈路。在可能情況下,利用機器人進行部署是有優勢的,避免依賴航天員時間。

3.2.3生命科學艙外平臺

生命科學實驗的艙外平臺可以放置許多生命科學儀器,允許暴露到各種深空門戶的空間環境。這種平臺應該具備如下支持:

具有很多普通接口點,可以安裝多個實驗儀器,具有普通機、電、通信接口(例如,基于立方星相關注意事項),可以進行自主實驗。

簡化艙外實驗的放置與取回(例如機器人放置與取回,避免占用航天員時間)。

深空門戶上有適當暴露前后的實驗儲備,當前例子是國際空間站上的ESA暴露與計劃太空生物學設施。

在內部環境有能力測量和控制深空門戶污染,最小化污染對外部暴露環境的影響。

3.2.4生命科學輻射監測

重要的是,有能力監測與深空門戶和航天員暴露相關的艙外和艙內分布輻射環境(SPEGCR次級輻射)。

3.2.5航天員作為實驗對象

將航天員作為測試對象,利用進行科學(雖然研討會描述了有限示例)和緩解/對抗的相關研究能力開展工作。為了優化數據集和后續研發,應該有國際活動,利用一套多樣化的可穿戴生理和生物醫學傳感器,裝備所有航天員員,進一步收集飛行前后生物醫學數據和在軌生物醫學樣本,用于飛行后分析,生成一個可以用于科學界的中央大數據集。考慮到實驗對航天員時間和測試科目的預期有限享用,應該最大化科學回報。

3.2.6居住環境微生物

為了特征化和研究深空門戶居住環境微生物隨著時間的變化,進行這項研究將很有用處。需要研究這些具體細節。

3.2.7高等植物生長

利用支持艙內生命科學設施的能力,安裝適當高等植物生長實驗子集,開展生命科學研究。在深空門戶實施/部署最初階段,大多數可行方法可能只與種子貯存和種子發芽有關(高級植物生長的關鍵初始步驟)。

3.2.8其它技術需求

由于對實驗120V DC電力供應的基本要求是有限制的,大多數實驗希望得到額外電壓。因此,如果每個實驗需要自身電力轉換,將不利于實驗質量和容量的使用。

3.3總體發現

深空門戶為生命科學提供的獨特方面是深空輻射環境,考慮到航天員最初的操作限制。沒有直接討論或關注微重力質量和局部磁場。

從生命科學角度,深空門戶相對于月球的特殊位置,在深空門戶時間周期里可以進入月面或采樣時才有重要意義。

討論了深空門戶上人類深空生存各方面的研究結果,如何有效輸入到未來星際任務的設計(例如載人火星任務)之中,以便研究深空門戶未來可利用結果,與正在進行/當前設計的人類星際任務之間的時間失配。

由于資源有限,以及涉及到機構間團體,有可能需要討論改變項目征集的范圍和實現方式。例如,(1) 項目征集應該有特定問題驅動,而不是項目負責人或好奇心驅動,(2) 為了最大化并共享有限飛行機會帶來的效益,應該在國際伙伴國家間進行合作。

與以前空間平臺的經驗相比,例如國際空間站,生命科學界的挑戰將是適應邊界條件:

設施有限,內部和外部實驗的容積、質量、訪問頻率

航天員可用性有限

地球返回能力(不詳細討論)

機器人遙操作在實驗靈活性方面的潛在能力

4 太陽系、月球與地球科學

4.1 確定的研究主題

在月球科學、地月系統和太陽系科學領域的大量研究主題已經確定,可以利用深空門戶作為深空環境的暴露平臺、月球軌道器和支持月面進入等得到發展。主要研究方向可以分為:

月面/次表面調查研究

輻射、塵埃和微流星體

等離子體過程

利用深空門戶的主要科學優勢,是有能力使月球成為一個月球與其它深空探索的穩定平臺,也包括地月系統觀測。

4.1.1月面/次表面調查研究

深空門戶可以支持大量月面研究,即是遙感觀測平臺,也支持月面操作。深空門戶支持通過靜態著陸器、穿透器、機器人巡視器、樣本返回任務進行月面原位探測。深空門戶將專門支持有人輔助的樣品返回任務,遙操作機器人控制的月面設備用于收集樣品,然后運送到深空門戶,以后隨獵戶座飛船返回地球。與只通過機器人獲取的東西相比,希望這一方式大幅提高月球樣品收集的質量和多樣性。

將利用深空門戶多光譜遙感測量提供的全球視角或背景信息與返回樣品或月面觀測相結合,許多建議里強調了這一重要性。這樣的月球科學,包括月面遙感和支持月面操作,需要一個月球軌道基礎設施,例如深空門戶,并且不可能在近地軌道LEO完成。遙感、原位測量和樣品返回的結合將解決高優先級科學問題,包括與月球地質演化、地月系統起源、月球揮發物的分布與本質、空間天氣過程等相關問題。

4.1.2輻射、塵埃和微流星體

確定深空門戶的軌道,提供獨特的幾何視角,利用多光譜觀測月球與地球外逸層/大氣,進行全球覆蓋。通過從深空門戶部署多光譜輻射計,提出在月球近地面監測地球輻射收支,這是一個具有吸引力的位置。希望通過從深空門戶和月球進行地球遙感,提供地球氣候診斷的新信息。

提出深空門戶上的塵埃通量探測器,確定來自彗星、小行星和月球的自然宇宙塵埃的最初豐度,也確定人為空間碎片的范圍和傳播。在到達月球的途中與在月球附近測量塵埃通量,可以確定和分析來自月球和其它天體塵埃的貢獻。利用深空門戶描述塵埃、微流星體和輻射環境,對于支持環境模型校正,測試未來月球和火星探索準備的測量技術等也很重要。

4.1.3等離子過程

深空門戶的等離子體和磁場、中性和離子粒子質量與能量的原位探測與分析,可以用于研究涉及月面和外逸層的各種等離子體過程。預期深空門戶能夠支持研究外逸層特征、地球與月球外逸層流失、太陽活動變化監測。這些組合探測支持利用多種方法進一步理解月面/外逸層和地球磁層等離子體與太陽風之間的等離子體相互作用過程。

深空門戶軌道提供了一個研究太陽風和地球磁層等離子體之間相互作用的獨特機會,尤其與遠尾相關的過程,到目前為止那里只有有限觀測結果。提出通過深空門戶及其部屬的立方星對粒子和電磁場進行原位測量,以研究太陽風與地球磁層相互作用的長期變化。此外,不同的X射線成像技術可以用于獲得磁層輻射的大尺度圖像:磁尾和磁層,也來自太陽。這些觀測為地球磁層和太陽風-磁層相互作用提供一個全局視圖,這些從近地軌道不可能獲得。

提出了利用深空門戶作為試驗平臺研究等離子體過程,包括:從深空門戶釋放示蹤離子,跟蹤穿過邊界等離子體的輸運和激發在沒有剩余大氣和重力場的情況下人工釋放揮發物,釋放拋射體以研究碰撞過程。

4.1.4具有最高潛在科學影響的領域

以上研究的一些潛在有價值影響包括:

月面探索對于理解月球地質、磁場、月球空間天氣有重要意義。此外,月球樣品中的太陽風粒子和宇宙核子研究將支持對太陽活動歷史和銀河系過程的研究,例如近鄰超新星爆炸和懸臂過渡。

人類輔助樣品返回對月球科學將有最大影響,樣本收集的質量和多樣性在增加。

遙感與月面測量結合將產生有重要意義的科學回報。

從月球附近進行地球遙感支持新的視角,為地球氣候觀測提供新的平臺。

監測月球附近的塵埃豐度和微流星體,為未來飛船設計提供重要信息。

對月球逃逸的等離子體/中性粒子進行原位測量,支持對其它無大氣行星體和地球上的外逸層研究。與月面數據結合,可以將月球早期大氣的狀態與當前地月系統進行比較,有助于獲得太陽系演化的細節。

長期監測地球磁層等離子體的太陽風等離子體影響,理解等離子體過程,適用于許多其它宇宙天體。

4.2技術需求

與已確定調查研究相關的一些關鍵技術需求包括:

具有數據與電力接口的艙外掛載設施

部署子衛星/立方星/穿透器的能力

改變軌道的能力:不同應用選擇不同軌道

穩定平臺(考慮艙外萬向架掛載平臺)

將樣品從機器人月面返回車傳輸到獵戶座飛船的能力

進行月面機器人遙操作的能力

航天員在深空門戶上進行太空行走的能力對于建議的一些實驗/操作很重要

艙外電磁清潔度對一些實驗很重要(考慮長期利用)

5 天文與物理科學

5.1 確定的研究主題

5.1.1 可以在深空門戶實現而不能在近地軌道開展的研究

深空門戶的許多方面與天文和物理科學研究相關。深空門戶將運行在地球的范艾倫帶外面,為科學探測提供了一些獨特機會。范艾倫帶阻止低能宇宙線到達地球和近地軌道衛星,深空門戶首次提供了監測宇宙輻射低能光譜的理想方法。例如,這可能揭示來自暗物質候選體的衰變產物。范艾倫帶將保護深空門戶防止來自地球的人為污染,并且可以提供kHzMHz電磁頻率研究宇宙的極好環境,揭示第一批恒星誕生之前的宇宙。

深空門戶的位置離地球比近地軌道更遠,將為科學研究提供獨特機會。對天體物理源任何輻射的各種探測器可以結合地球上的相似探測器,進行三角測量,通過精密定時,達到比當前更高精度。這一想法在更精確定位伽瑪暴源的背景下提出,以便引力波事件觸發時,可以成功發現和觀測光學對應體。月球離地球距離遙遠,可以從一個新的有利位置研究地球大氣層,可以進一步加深我們對地球大氣物理過程的了解,將為地球作為外星球提供數據。這有助于利用凌日和掩星技術采集的數據,提取真正外星球的大氣信息。其它想法由地月系統的幾何結構產生,如果配備一個小型紅外望遠鏡,深空門戶可以作為近地天體早期預警的前哨站。(注意,這一想法在研討中提出,并不在該文檔)

其它討論包括:

月球上水的特征

近地天體早期探測

空間天氣

對大型設備的研究可以利用深空門基礎設施的優勢

輻射環境特征研究

電子系統可靠性

確認的高影響領域包括:

伽瑪暴GRB確認和引力波GW事件是一個快速發展的研究領域,需要長基線;

從非常遠距離研究地球大氣屬性特征對系外行星搜尋有意義(系外行星大氣研究);

輻射和粒子環境(暗物質)探測

開辟暗時代之后的(暗物質)射電窗口

部署大型望遠鏡的有益建議

尚未探測:月球古宇宙歷史的跨學科研究

5.1.2技術問題

探索輻射環境問題與質譜儀小接受度立體角指向的可能性相關。利用深空門戶儀器與地球探測器之間的長基線,可以獲得精確定時,預示著在月球軌道獲得精確計時。如果將反光鏡裝到飛船上,例如用于月球激光測距的反射鏡,可以利用光學技術改進深空門戶軌道跟蹤。但是,例如長期地月距離跟蹤數據的解譯,將依賴于測地線軌道(例如由重力定義),不是暈軌道。

討論的結果之一是,這些實驗不需要航天員協助(可能的例外是,對方向敏感的輻射探測器進行指向調整)。

一些討論是關于從深空門戶發射空間飛行器的可能性,例如立方星。這些想法包括相干光學或射電望遠鏡的大型星座,但是,在深空門戶任務框架內實現這些想法看起來是困難的。

5.2技術需求

確定的技術需求包括:

立方星部署射電干涉儀吊桿35米射電天線,長時間尺度)

精確定時(例如GPS

艙外輻射探測器指向需求

立方星部署(包括回收可能),包含射電干涉儀吊桿(35米射電天線將屬于典型的長期暴露)

通信延時

深空門戶提供的數據存儲將是很有用的

具有能源和數據接口的安裝點

不需要大量航天員時間,將要求航天員主要安裝硬件,但是不操作

6 技術

確認了與技術研發相關的各種想法,本節概括這些主題、技術研究機遇和已經確定的依賴關系。

6.1 確定的研究主題

確定了許多不同技術相關的研究主題,概括如下。

暴露到深空環境,觀察對材料的影響,將支持新材料研發和評估,特別是空間探測應用。此外,這些暴露可以用于提升空間探測領域新技術的成熟度TRL

機器人技術和遠程監控的利用、分析和研發也被強調為重要領域。這些機器人調查和應用可以在深空門戶進行,也可以在月面遠程執行,為科學研究目標和需求提供有效的協同作用。

小衛星部署及其相關技術可以促進技術研究,利用深空門戶通常不需要進一步的要求或交互,或者在操作意義上支持深空門戶運行與維護(例如,深空門戶外部觀測)。

將在軌3D打印(增材制造)確定為一個領域,為研究以后的探索應用做準備,通過提供必要的不需要再補給的裝備,來提供功能支持。利用地球供應的材料進行生產,但也嘗試利用月面材料。

確定了許多與在軌樣品分析與處理相關的技術活動,這些既可以使用工程樣品也可以是行星材料樣品(例如,來自月球)。

其他研究與深空門戶技術和測試/應用相關的著陸與系統有關系。

6.2 技術需求

人們認為可供進行科學研究的空間是有用的,但非常小并且非常有限。深空門戶研發時,一般應該考慮和設計如何擴大和加強可用資源開展研究。

對于空間限制提出的一個解決辦法是,沒有航天員時,將生活空間留給載荷使用。

載荷的集中式數據處理與存儲系統可以減少載荷的體積、功耗和成本需求,并減少載荷操作的整體復雜度;最大化使用可利用資源。在準備這樣一個系統時,需要注意的是,預測用戶的需求和期望,將存在于未來幾年,并需要基于此建立需求。

120V DC正常電力供應對載荷處理具有挑戰,并且可能是危險的。重要的是研究專用低電壓有效載荷供電線路的可能性。

外部掛載點需要支持艙外暴露載荷,這些掛載點可是被動的,或者有數據與供電接口。需要能夠進出,支持暴露和放置到外面,并在暴露后取回。假若這樣,氣閘艙口尺寸是限制所考慮實驗的一個因素。

需要艙外機器人操縱有效載荷,安裝或者卸載載荷,可以考慮加拿大機械臂或類似系統來做此事。對于月面和艙外本地機器人來說,深空門戶可以成為遠程機器人的遙控中心。可以考慮通用用戶接口GUI,從深空門戶進行遙操作,使得任何機器人接口功能多樣化和簡單化。

應該將無人照料/自主運行作為所有載荷的基本要求,需要盡量少的人員參與。

需要進行立方星部署、運載和處理,并且確定了多個立方星/小衛星機會。在某些情況下,這需要本地通信、導航和態勢感知。

與地球通信不需要連續,但必須可靠、可預測、有足夠帶寬/數據量。值得注意的是,未來十年公眾和研究人員的期望是高帶寬系統、提供高數據率和與載荷的高度互動。

7 教育

7.1 引言

該章展示了教育領域擬定的調查結果的整理概括。與將在未來實現的初步想法一起,確定了基礎原則、基本需求和依賴關系。為了支持教育在深空門戶上有效開展,需要考慮將一些方面作為最高優先級。

教育是旨在通過結構化的途徑和方法發展專門知識、能力與技巧的一個過程,考慮學習者的能力與發展空間。正式的教育活動也必須考慮其它邊界條件,例如國家教育系統與課程體系,包括學校和學術界從這個意義上來說,教育區別于溝通,因為必須超越單獨的啟發和創造意識方面的溝通,并且必須設計教育的特定“語言”、過程和內容。

為了適當滿足ESA和歐洲教育的目標,任何利用或者受益于深空門戶平臺的教育活動、相關技術和科學研究項目必須考慮以下需求:

大范圍覆蓋和大規模開展機制,對于有計劃的教育活動,不只讓有限的教育者和學生群體受益,還讓個人受益。

長期介入,允許多“代”學生和教育者全時參與。

所提建議的適宜性,滿足國家正規教育需要,從中學到大學層面(也考慮到中學活動必須在學年內進行,例如九月至六月,多年大學活動必須在一個典型大學學習周期內結束)。

與現有教育工作的互補性,獨一無二的附加值得。

在支持資源方面中長期承擔能力和可持續性,考慮受益教育群體通常有限或者沒有可支配資源。

討論了教育活動類型,并提出了解決方法,尤其在科學、技術、工程和數學STEMScience, Technology, Engineering and Mathematics)領域,但未來也可能評價對于藝術、歷史和社會科學的潛在開放程度。此外:

小學和中學階段,將太空作為一個獨特的激發靈感的環境,用于STEM學科、能力和技能的教與學;

大學階段,空間科學與技術及相關專業的技術和技能是教與學的目標。

7.2 深空門戶的教育優勢

啟發是成功教育項目的關鍵部分,可以激發好奇心,并成功激勵后續學習過程。從這個意義上來說,深空門戶作為即將建造的人類在太空中最遙遠的前哨站,作為支持未來人類星際探測的一種方式,提供了一個非常強大鼓舞人心的環境和工具,支持STEM教育項目。探索的好奇心和需求確實深刻建立在人性基礎上,尤其年輕人,代表人類歷史上的一些最強推動者。

此外,為教育目的利用深空門戶,使相關教育積極性與當代尖端科學技術相一致,這方面是STEM現代教育學的一個重要價值,能夠為中學/大學理論學習與真正科學實踐之間的差距建立橋梁。而且,為現在和未來的工作提供了一個直接且現實的介紹。

7.3 最有影響潛力的領域

深空門戶教育利用的基本設想可以預見到定義并設計任務后進行的部署。基于深空門戶科學與技術目標、運行和研究方面最令人興奮的例子,可以描繪課外資源、課程、實踐項目(基于科學或技術)。這些活動可以在地面研發和實現,最小化利用深空門戶的支持(例如,來自航天員的視頻信息,挑選的圖像和數據集)。

深空門戶教育利用的高級方案可以包括基本設想,但在可能范圍內,甚至設計和研發過程,強調深空門戶利用方面學生扮演的積極角色。學生通過參與探索式和基于項目的教育活動與現實科學實踐,將最大可能達到勵志和教育意義。

已確定的高等教育情景要素如下表所列。

深空門戶工程階段

活動

目標

任務以前(設計和研發階段)

學生獲取真正設計過程的信息(例如,模擬數據、設計權衡信息等),對于并行學生系統與并行設計方法CDF里的子系統工程模擬、仿真、可行性研究、軌道/任務分析。

大學學生

中學學生(TBC

任務期間(運行與利用階段)

專業深空門戶平臺利用的百分比

 

 

 

-由深空門戶發射學生建造的立方星

大學學生

--

 

-通過短期的專門公告機會(AO)發布現有專業載荷(在軌和月面)觀測/利用時間的百分比

大學學生

--

 

-通過短期的專門公告機會(AO)發布深空門戶內部或外部,“插-拔”抽屜式實驗設施(與空間站ICE Cubes相似)利用時間的百分比

大學學生

--

 

專用教育硬件的上行與使用

 

 

 

-帶有傳感器的樹梅派計算機(或相似設備),對于在軌學生的研究來說,地面操作人員可控(最小化或沒有航天員的時候)

大學學生(TBC)

中學學生

 

-兩種專業的視聽設備與業余無線電(HAM)站,用于與在軌航天員進行視頻和/或音頻聯絡(任務仿真,從軌道進行科學演示)

--

中學學生

 

-高清網絡攝像頭進行附近空間環境的連續成像(深空門戶艙外、月面、地球)與課堂分析

--

中學學生

 

-3D打印機

大學學生

中學學生

 

深空門戶本身作為教育工具的用途

 

 

 

-利用深空門戶輔助和遙測數據、生命支持系統數據、航天員數據作為培訓和課程的基礎(例如,軌道動力學培訓、dV演練等)

大學學生

中學學生

 

使用最近(準實時)與歸檔的專業載荷數據進行分析與解釋

大學學生

中學學生

 

7.4 教育影響的依賴關系

深空門戶進行成功并有效地的教育項目,不得不實現引言中確定的需求,需要做到:

深空門戶合作伙伴機構投入時間和資源的意愿和可用性,為了允許免費使用深空門戶進行教育目的,考慮促進未來空間系統設計者、操作人員和用戶的教育

與相關用戶領域達成適當框架協議,以達到:(1)允許學生和教育工作者訪問以前商定的數據集和信息,(2利用各種方法有助于將各專業用戶領域的技能和專業知識轉移到教育目標(3)讓學生參與深空門戶專業研究團隊

整個深空門戶計劃里的教育計劃早期集成,從最早任務定義和硬件/載荷遴選階段開始。

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