Nowcasting Solar Energetic Particle Events for Mars Missions
本文提出一种基于MSL/RAD剂量率监测的SEP事件临近预报系统，可在深空和火星表面以接近零误报率提前至少30分钟警告航天员规避辐射。
2025-02-04 physics.space-ph
Mars Missions Failure Report Assortment: Review and Conspectus
许多航天公司已经成功地探索了火星。在全球范围内，进行了44次飞行尝试，不幸的是，26次遇到挫折。曾经有过这样的例子，在逐步完成航天序列的过程中，一个微不足道的错误可能会导致极端的损失。为此，本文调查了几个试图前往火星的航天器的故障记录和调查报告。该报告包括一份精确和总结的报告，评估了各种适当的在线资源以及已发表的研究文章。从发射到火星着陆，分析记录、航天飞行顺序图和完成的任务目标在技术上都被制成表格。此外，我们估计了大致的任务持续时间，失败率，以及它们的比例，并以图形方式描绘。此外，我们还生成了关于国家、航天器类型和运载火箭的航天器发射次数的图形表示。
2021-01-13 physics.pop-ph physics.space-ph
Understanding and Mitigating Plume Effects During Powered Descents on the Moon and Mars
这份2020年十年调查白皮书回顾了在动力下降期间有关月球和火星着陆器羽流表面相互作用（PSI）的已知信息。这包括现象学的概述以及诱导硬件和环境影响的描述。然后，它提供了一个缓解技术的概述和突出的问题和战略知识差距的摘要。报告最后提出了五项建议：在每次地面飞行任务中配备专门的下降成像仪，以便地面小组能够直接记录和审查PSI;尽可能公开与PSI影响有关的所有数据;开发对PSI进行关键测量的方法和仪器;评估和记录关键飞行数据;并将资金投入长期基础设施架构和缓解技术的研究。
2021-02-24 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.space-ph
Perspectives on the Physics of Late-Type Stars from Beyond Low Earth Orbit, the Moon and Mars
本文探讨借助ESA载人及机器人探索计划，在近地轨道之外、月球与火星开展长期和紫外观测并部署恒星成像仪，以推进晚型星结构与动力学演化研究。
2024-10-24 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Mars' plasma system. Scientific potential of coordinated multi-point missions: "The next generation" (A White Paper submitted to ESA's Voyage 2050 Call)
提交给欧空局2050年航行呼吁的这份白皮书的目的是更全面地了解火星等离子体系统从其表面到感应磁层外未受干扰的太阳风的动态。这只能通过具有高时间分辨率的协调多点观测来实现，因为它们具有跟踪系统整体动态（从小到大）的科学潜力，并且它们构成了几十年前在地球上发生的下一代火星探索。本白皮书讨论了在火星上仍然悬而未决的关键科学问题，以及如何通过协调的多点任务来解决这些问题。主要的科学问题是：（一）太阳风驱动如何影响磁层和电离层动态？(ii)火星磁层尾部在各个尺度上的结构和性质是什么？(iii)低层大气如何与高层大气耦合？(iv)为什么我们应该在火星上有一个永久性的原地空间天气监测器？每个科学问题都专门针对一个特定的等离子体区域，并包括未来几十年要研究的几个特定科学目标。此外，还提出了两个飞行任务概念，其基础是从轨道平台和地面平台组成的星座进行协调的多点科学研究，重点是了解和解决目前的科学差距。
2019-08-15 physics.space-ph
Study of Exospheric Neutral Composition of Mars observed from Indian Mars Orbiter Mission
利用印度于2013年11月5日发射的火星轨道器任务所载火星外大气层中性成分分析仪有效载荷进行的观测，检索并分析了2014年9月至2015年10月期间火星外大气层组成的原始数据。状态参数，即纬度，经度，高度和太阳天顶角覆盖的不同外逸层成分的分压的确定和分配，以丰富有用的数据与轨道同化，特别是在250和500公里之间的高度范围内的主要利益。除了得到北半球冬季各轨道平均分压廓线的结果外，还研究了总压和分压的变化与主要大气成分的分布及其对太阳活动的依赖关系。特别是，CO2和O的变化被认为是由于光解离和光电离的任何差分效应在一起。本文讨论了由于日平均太阳黑子数量减少而导致的密度逐渐减小以及CO2和O压力对太阳高能粒子事件的强烈响应的结果，例如2014年12月24日的太阳耀斑。
2020-08-25 astro-ph.EP physics.space-ph
Human Mars Exploration and Expedition Challenges
火星是太空探索者的下一个前沿阵地，以证明人类在近地轨道以外的太空中的存在程度。政府和私人航天工业都对火星探索着迷，试图对这颗红色星球进行载人探险。火星之旅具有巨大的挑战性，因为它从任务开始到任务完成都面临着许多挑战。因此，克服这些挑战对于一个可靠的特派团至关重要。因此，我们研究并强调了陆地、地球、行星际、火星和行星表面挑战分类下的综合挑战。这些挑战被怀疑是宇航员和任务规划者在整个任务时间轴中遇到的。我们的研究与其他研究不同，因为它报告了人类探索火星的完整挑战及其影响。
2021-03-20 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.space-ph
M5 -- Mars Magnetospheric Multipoint Measurement Mission: A multi-spacecraft plasma physics mission to Mars
针对火星感应磁层，提出五航天器M5任务，通过多点测量研究磁尾动力学与能量输运，以助力理解大气逃逸。
2025-10-08 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.geo-ph
Analysis of Sun/Moon Gravitational Redshift tests with the STE-QUEST Space Mission
STE-QUEST空间飞行任务将通过对安装在地面上并相隔洲际距离的时钟进行频率比较，高精度地测试太阳和月球领域的引力红移。在没有爱因斯坦等效原理（EP）违反的情况下，当地球自由落入太阳和月球的场中时，红移为零，直到小的潮汐修正。这样的测试因此是空测试，允许约束可能违反EP的情况。在这里，我们分析了太阳/月亮红移测试使用一个通用的EP违反理论框架，时钟最低限度地模拟为两个层次的原子。我们提出了一个完整的推导红移（包括GR和非GR条款）在一个现实的实验，如设想的ST-QUEST。我们指出并纠正错误，在以前的形式主义与原子的反冲没有得到适当的考虑。
2015-11-20 gr-qc physics.space-ph
Radiation protection and shielding materials for crewed missions on the surface of Mars
一个潜在的载人火星任务将需要我们解决一些问题，包括如何保护宇航员免受来自太阳和银河系的高能带电粒子的破坏性影响。火星上的辐射环境特别令人感兴趣，因为保持宇航员的最佳吸收剂量对他们的生存至关重要。在这里，我们概述了火星上的条件，由理论模型和现场测量确定，并提出了主要的建议战略，以减轻辐射暴露，而在火星上。具体来说，我们专注于被动屏蔽技术。几种广泛使用的材料，以及一些创新的和这些组合，研究他们的行为对太阳高能粒子事件和银河系宇宙射线在火星环境。为此，我们实现了GEANT4包，这是由CERN开发的蒙特卡罗数值模型，专门用于模拟辐射与物质的相互作用。将给出我们的模型的描述，然后是数值模型的输出。我们的结论是，富氢材料作为更好的衰减器，正如预期的那样，但其他材料也可以帮助对抗宇宙射线。
2022-10-03 astro-ph.EP physics.space-ph
Crewed Missions to Mars: Modeling the Impact of Astrophysical Charged Particles on Astronauts and Their Health
暴露于天体物理电离辐射对宇航员健康的影响是规划载人火星飞行任务的主要关切之一。宇航员将长时间暴露在来自银河系和太阳系的高能带电粒子中，在运输过程中几乎没有受到薄薄的航天器防护罩的保护，在表面上也没有受到稀薄的火星大气层的保护。对宇航员健康的不利影响包括急性辐射综合症、神经系统损伤和癌症风险增加。我们依靠医学研究来评估辐射剂量水平提高对宇航员各种生理系统和总体健康的影响。使用辐射测量和数值模拟与GEANT4包的组合，我们计算的辐射剂量分布在各种人体器官的各种预期的情况下模拟模型人体幻影。我们提出了缓解策略，例如改进屏蔽和膳食补充剂的方法，并为未来载人火星任务中宇航员的安全提出了建议。
2023-01-05 astro-ph.EP physics.space-ph
Global coupling mechanism of Sun resonant forcing of Mars, Moon, and Earth seismicity
本研究发现太阳风宏观拍打的Rieger共振是驱动地球、月球和火星地震活动的共同机制，证实了太阳等离子体动力学引发地震的说法，为基于物理的长期地震和空间天气预报铺平道路。
2024-01-03 astro-ph.EP cs.NA math.NA
Mapping Water on the Moon and Mars using a Muon Tomograph
本文提出利用宇宙射线缪子探测器和背散射辐射，通过GScan的缪子追踪系统及GEANT4模拟，测绘月球和火星表面水冰含量，为太空探索提供新工具。
2023-10-12 hep-ex physics.ao-ph physics.ins-det
Investigation of HZE particle fluxes as a space radiation hazard for future Mars missions
计划在不久的将来进行的载人火星飞行任务，在太阳活动非常低的时期，因此主要由于银河宇宙射线而高于可接受的辐射剂量，将需要特殊的技术和技术发展来保持宇航员的良好健康。本研究试图对未来几年的太阳活动和空间辐射环境进行评估和预测，特别是由于高能重离子（称为HZE带电粒子）的丰度。这些HZE粒子通量对宇航员以及航天器的关键电子部件构成重大危险。从ACE航天器获得的关于HZE物种（从B到Ni）的最新数据显示，由于后一个周期的太阳黑子数量持续较低，太阳周期23和太阳周期24之间（SSN峰值2002和2014之间）的粒子通量明显增强。这些宇宙线通量的峰值出现在一个特定的11年周期的太阳黑子的相应最小值的大约一年的时间滞后，这是伪周期的性质。这一点通过对1700 - 2018年长周期年平均太阳黑子数资料的傅立叶变换和小波变换分析得到了证明。同样的时间序列数据也用于训练混合回归神经网络（HRNN）模型，以生成太阳周期25（2019 - 2031）的预测年平均太阳黑子数。对这一新的年度太阳黑子数系列的小波分析，包括到2031年底的预测，显示了一个明显的趋势，即低太阳活动的持续，因此在太阳活动周期24中持续存在非常高的HZE通量，进入太阳活动周期25，也许更远。
2022-02-01 physics.space-ph
Design of a rapid transit to Mars mission using laser-thermal propulsion
以火星快速运输为设计目标，探讨了定向能在航天器任务设计中的应用。光子激光器技术的不断发展将使一个前所未有的尺寸（直径10 μ m）和功率（100 MW）的地球激光器阵列成为可能。这种尺寸并结合大气补偿的相控阵激光器将能够向地月空间的航天器提供激光功率，入射激光通过充气反射器聚焦到氢加热室中。氢推进剂然后通过喷嘴排出以实现3000 s的比冲。该架构被证明是立即可重复使用，通过烧回机动返回推进单元，而仍然在地球上的激光范围内。容忍更大的激光通量的能力使得能够实现高推力和高比冲的组合，使得这种方法与激光-电推进相比是有利的，并且占据类似于气芯核热火箭（没有必要的反应堆）的参数空间。加热室及其相关的再生冷却和推进剂处理系统是设计的关键要素，在这项研究中受到特别关注。还详细分析了45天过境后到达火星所需的天体动力学和极端的空中捕获机动。讨论了激光热推进作为太阳系内外其他快速运输飞行任务的赋能技术的应用。
2022-01-01 physics.pop-ph physics.space-ph
A Study on Mars Probe Failures
接近火星的长期梦想需要多次航天器尝试进行探索并了解对这颗红色星球的看法。在发射任务之前，空间探测器要经过关键的地面测试和有效的准备。虽然探测器经过了仔细的测试和验证，但许多探测器在完成任务的最终状态之前经历了暂时或永久的挫折，导致任务失败。为了找出探测器故障或失效的问题，我们对1960年至2020年发射的失败的火星探测器进行了研究。对探测器进行了表征，以确定各种故障模式及其对飞行任务的影响。我们对过去的探测器的研究结果表明，有效的集成和测试，空间探测器的标准制造和验证，适当的软件设计，可行的恢复选择，以及对探测器计算机和通信系统的新的指导。
2021-03-20 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.space-ph
Mars and frame-dragging: study for a dedicated mission
本文初步探讨了设计一个专门的星载探测任务来测量火星引力场中广义相对论引力磁Lense-Thirring效应的可能性。重点讨论了火星位势多极展开引起的系统误差及减小系统误差的可能方法，指出产生误差的主要原因是火星赤道半径R和偶次带谐函数J_L，L = 2，4，6.的绝对值。原则上，最佳解决方案包括在高海拔（\approx 9500-9600 km）和不同倾角处使用两个探头，并适当地组合它们的节点，以便完全抵消由于δR而产生的偏差。由于δJ_L，L = 2，4，6，.根据现今的MGS 95 J重力模型，在倾斜的容许值的宽范围内，将引起偏差\lesssim 1%。这两个探测器的透镜-蒂林面外位移约为10 cm/年。
2008-10-11 astro-ph gr-qc physics.space-ph
A Virtual Solar Wind Monitor at Mars with Uncertainty Quantification using Gaussian Processes
针对单航天器无法持续测量火星原始太阳风的问题，研究基于MAVEN任务数据，采用高斯过程回归开发了带不确定性量化的虚拟太阳风监测器，可实现2014年末以来大部分时间的连续估算，可用于火星空间环境等统计研究。
2024-07-14 physics.space-ph stat.AP
Perspectives on fundamental cosmology from Low Earth Orbit and the Moon
下一代的太空实验将致力于寻找宇宙学中围绕着暴胀、暗物质和暗能量的关键问题的答案。欧洲航天局人类和机器人探索计划中的近地轨道和月球任务可以推动我们在这三个领域的知识发展。月球上的无线电干涉仪、低地球轨道上的冷原子干涉仪和月球上的引力波干涉仪被强调为中期计划和执行的最富有成效的飞行任务。
2023-02-07 astro-ph.CO physics.space-ph
A fast bow shock location predictor-estimator from 2D and 3D analytical models: Application to Mars and the MAVEN mission
我们提出了快速算法，自动估计的统计位置的弓形激波从航天器的数据，使用现有的分析二维（2D）和三维（3D）模型的冲击面。我们推导出的2D和3D的间距和正常的弓形激波在任何给定的点上it. Two简单的弓形激波检测算法的表达式，一个完全基于现有的模型的几何预测，其他使用这个预测的位置，以进一步完善它的帮助下，磁强计数据，仪器飞行在许多行星的任务。这两种经验方法都适用于具有确定激波结构的任何行星环境。应用于火星环境和NASA/MAVEN任务，预测的激波位置平均在弓形激波穿越的0.15行星半径$R_p$内。使用预测-校正算法，该估计值被进一步细化到真实交叉的几分钟内（$\approx$ 0.05 $R_p$）。在2014年至2021年期间，我们探测到14，929个清晰的弓形激波交叉，主要是准垂直的。由于2D圆锥曲线和3D二次拟合，我们调查的冲击面相对于火星年（MY），太阳经度（LS）和太阳EUV通量水平的变化。虽然在$Y$和$Z$火星太阳轨道坐标的不对称是平均小，我们表明，对于MY 32和MY 35，LS = [135-225 $^\circ$ ]和高太阳通量，它可以变得特别明显，并叠加到通常的南北不对称部分是由于地壳磁场的存在。
2022-02-28 physics.plasm-ph physics.space-ph
First report of a solar energetic particle event observed by China's Tianwen-1 mission in transit to Mars
与耀斑和/或日冕物质抛射（CME）驱动的激波相关的太阳高能粒子（SEP）会对空间探索造成严重的辐射危害。为了测量近火星空间的高能粒子，设计了中国天问一号火星高能粒子分析仪（MEPA）。在这里，我们报告了MEPA对2020年11月29日发生的广泛SEP事件的首次测量，当时TW-1正在向火星转移。这一事件发生在TW-1和地球磁连接良好的时候，被称为Hohmann-Parker效应，因此提供了一个难得的机会来了解潜在的粒子加速和传输过程。从TW-1和近地航天器的测量显示出类似的双幂律谱和径向依赖的SEP峰强度。此外，不同位置的时间-强度分布的衰减相位清楚地显示了水库效应。我们的结论是，双幂律谱可能是在加速站点生成的，一个小的，但有限的交叉场扩散是至关重要的，以了解SEP水库现象的形成。这些结果提供了洞察粒子加速和运输与日冕物质抛射驱动的冲击，这可能有助于改善相关的物理模型。
2022-07-14 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Magnetic Field Draping in Induced Magnetospheres: Evidence from the MAVEN Mission to Mars
本研究基于MAVEN任务数据，利用贝叶斯多元线性回归模型分析了火星感应磁层的磁场披挂形态，发现高空白昼侧披挂扭曲由IMF的X分量引起，低空扭曲则与剩余壳层场相关，从而更新了对感应磁层和磁尾形态的理解。
2023-10-20 astro-ph.EP physics.space-ph stat.AP
Autonomous Station Keeping of Satellites in Areostationary Mars Orbit: A Predictive Control Approach
本文提出了一种预测控制方法，用于减少火星天体静止轨道卫星的年度轨道保持所需Δv，通过优化控制器约束和卫星位置以提高效率。
2024-08-23 cs.SY eess.SY physics.space-ph
In Search of Subsurface Oceans within the Uranian Moons
伽利略号木星探测器利用磁感应现象发现了与木卫二和木卫四表面下隐藏的海洋有关的磁特征。这些感应磁场源自卫星内的导电层，并由木星强大的时变磁场驱动。冰巨星和它们的卫星也是研究磁感的理想实验室。天王星和海王星都有一个相对于它们的自旋轴强烈倾斜的磁轴，在它们的主要卫星的轨道上创造了一个动态和强烈变化的磁场环境。虽然旅行者2号在20世纪80年代访问了冰巨星，但它没有足够接近任何一颗卫星来检测磁感应特征。然而，旅行者2号发现，其中一些卫星的表面特征暗示了最近的地质活动，可能与地下海洋有关。因此，未来的冰巨星任务可能能够发现地下海洋，从而增加我们太阳系中已知的海洋世界。在这里，我们评估磁感应作为一种技术，用于调查地下海洋内的主要卫星天王星。此外，我们建立了区分感应响应的能力，由不同的内部特性，连接到感应响应：海洋厚度，电导率，深度和电离层电导。这里报告的结果表明，单通海洋探测和米兰达，Ariel和Umbriel卫星内的约束特性的可能性，并为未来的天王星任务的磁强计选择和轨迹设计提供指导。
2021-05-13 astro-ph.EP physics.geo-ph physics.space-ph
A light sail astrobiology precursor mission to Enceladus and Europa
本文评估激光帆探测器飞掠土卫二与木卫二开展羽流原位生命探测的可行性，给出飞行时间、部署纬度和近最优交会速度。
2024-02-28 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.space-ph
Orbital control strategy for a CubeSat satellite equipped with a solar sail for Earth-Mars communications during solar conjunctions
针对太阳合相期地火通信受干扰问题，提出基于带太阳帆的CubeSat卫星的任务方案，通过修正RTBP模型、延拓法求非食平衡点并设计帆朝向控制策略维持轨道，经数值模拟验证了鲁棒性。
2024-01-27 math.DS physics.space-ph
Gravitational influence of Saturn's rings on its moons
本文研究土星卫星环向山脊的成因，提出松散风化层在土星与环带共同引力下自由流动可形成环向特征，并发现静止环面等新形态。
2024-05-13 astro-ph.EP nlin.PS physics.space-ph
Analysis of 3GM Callisto Gravity Experiment of the JUICE Mission
欧空局的JUICE任务将在其名义上的旅行期间提供对木星系统和伽利略卫星的彻底调查，包括木卫二和木卫四的飞越，以及任务结束时关于木卫三的轨道阶段。3GM实验将利用精确的多普勒和距离测量来确定卫星的轨道和重力场（静态和潮汐），并推断它们的内部结构。本文介绍了Callisto大地测量实验可达到的精度，并讨论了不同的飞掠平均异常分布和几何形状对潮汐勒夫数k2估计的影响。
2021-01-09 astro-ph.EP astro-ph.IM math.OC
Interplanetary Challenges Encountered by the Crew During their Interplanetary Transit from Earth to Mars
火星是继地球之后支持地球生命的下一个目的地。几十年的火星探索吸引了太空探险家为人类探险而努力。但人类的火星事业比传统的任务复杂，因为从类地行星到行星表面的旅程充满了不同的挑战。为了理解和克服行星际挑战的影响，我们进行了一项研究，以体现从地球到火星的行星际运输期间遇到的每一个挑战。我们的研究得出结论，整个挑战归因于轨迹修正和机动的选择，太空飞行器的管理，暴露于银河辐射的危险，微重力环境中机组人员健康的影响，太阳能发电不足，核元素的危害，心理和健康影响，中断的地面通信互连，燃料加压和管理的复杂性，回收太空废物，执行舱外活动和火星轨道插入。本文的主要目标是强调未来几十年在近地轨道以外可持续载人飞行任务可能面临的所有挑战及其对策。
2021-01-12 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.pop-ph
Simulations of radiation damage in spacecraft camera for ESA JUICE mission
Jupiter ICy卫星探测器（JUICE）是欧空局的一个行星际航天器，正在开发对木星系统及其三个冰冷的卫星：木卫二，木卫四和木卫三进行详细调查。重点将放在木卫三作为一个小行星体作为一个潜在的栖息地进行研究。该航天器定于2022年发射，并将于2030年抵达木星。为监测航天器及其周围环境的飞行任务，建议使用两台相同的光学照相机。摄像机的传感器需要受到保护，以免受高能电子的极高通量造成的危险辐射水平的影响。研制了一个精确的照相机模型，用于进行密集的蒙特卡罗模拟，以优化屏蔽并确定飞行期间的辐射损害。模拟包括确定传感器和关键电子部件中的总电离和非电离剂量。本文介绍了模拟方法和结果。
2019-01-01 astro-ph.IM nucl-ex physics.geo-ph
