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重新审视太空
2021 年之前的十年，卫星发射数量创下了历史新高。虽然在 1957 年 Sputnik 1 发射后，在轨卫星数量最初缓慢上升，但 2010 年有近 700 颗卫星被发射到太空，而 2020 年则有超过 1200 颗卫星被发射。这种指数级增长没有停止的迹象，并受到太空日益私有化和商业化的推动——“新太空”时代。几十年来，航天飞行主要是少数几个主要涉及科学和军事利益的国家机构的专利。然而，现在越来越多的公司和初创公司正在为民用市场争夺太空。应用范围广泛，涵盖从地球观测到广播、通信和导航等各个方面。太空已经转变为一个经济部门，现在拥有关键的基础设施。这在低地球轨道 (LEO) 尤为明显，低地球轨道是太空中高度可达 2000 公里的区域。到目前为止，已有约 7000 个人造物体被送入近地轨道，其中大部分仍在那里。太空运输带来了无数污染碎片。据估计，有 1 亿块太空垃圾绕着地球运行，大小在 1 到 10 毫米之间——这是一个日益严重的问题。
文献综述重点关注数据处理技术...
整个垦务局的地球科学家和水文学家经常使用 LiDAR 数据进行地貌研究和水力建模。数据的实际使用揭示了一些数据质量问题，包括对河岸、堤坝和水面等景观特征的不准确表示。此外，数据文件大小可能超出用于生成和分析表面模型的软件的处理能力。这些数据质量问题不一定与数据处理的质量保证和质量控制有关，而是与标准过滤程序的广泛认可的局限性有关（Axelsson 1999 和 2000、Bowen 和 Waltermire 2002、Bretar 和 Chehata 2007、Brovelli 和 Lucca 2011、Chen 等人。2007、Evans 和 Hudak 2007、Goepfert 等人。2008、Kraus 和 Pfeifer 1998 和 2001、Meng 等人。2010、Raber 等人。2002、Schickler 和 Thorpe 2001、Silvan-Cardenas 和 Wang 2006、Sithole 和 Vossleman 2004、Wang 和 Glenn 2009）。在此上下文中，过滤是指用于分离地形和非地形数据点的过程（即，将 LiDAR 点云分离为景观表面数据集，表示植被和人造物体的高程值，以及地形表面数据集，表示裸地高程值）。地形表面数据集用于生成数字地形模型 (DTM)；用于地貌研究和水力建模的连续表面模型。
文献综述重点关注用于选择性过滤光检测和测距 (LiDAR) 数据以增强河流地貌表面表现的数据处理技术
整个垦务局的地球科学家和水文学家经常使用 LiDAR 数据进行地貌研究和水力建模。实际使用数据时，发现了一些数据质量问题，包括对河岸、堤坝和水面等景观特征的不准确表示。此外，数据文件大小可能超出用于生成和分析表面模型的软件的处理能力。这些数据质量问题不一定与数据处理的质量保证和质量控制有关，而是与标准过滤程序的广泛认可的局限性有关（Axelsson 1999 和 2000、Bowen 和 Waltermire 2002、Bretar 和 Chehata 2007、Brovelli 和 Lucca 2011、Chen 等人 2007、Evans 和 Hudak 2007、Goepfert 等人 2008、Kraus 和 Pfeifer 1998 和 2001、Meng 等人 2010、Raber 等人 2002、Schickler 和 Thorpe 2001、Silvan-Cardenas 和 Wang 2006、Sithole 和 Vossleman 2004、Wang 和 Glenn 2009）。在此上下文中，过滤是指用于分离地形和非地形数据点的过程（即，将 LiDAR 点云分离为景观表面数据集（表示植被和人造物体的高程值）和地形表面数据集（表示裸地高程值）。地形表面数据集用于生成数字地形模型 (DTM)；用于地貌研究和水力建模的连续表面模型。
用于空间碎片研究的运动追踪器的开发
太空垃圾是围绕地球运行的人造物体，功能失调。太空技术的小型化和进步促进了小型卫星群数量的增加。多年来，在轨灾难性事件导致太空污染呈指数级增长，太空垃圾的覆盖范围不断扩大。一个由私人机构和太空机构组成的国际联盟共同努力，通过与主动碎片跟踪和清除方法相关的广泛研究和开发来解决这一问题。基于同样的理由，德国航空航天中心技术物理研究所正在开发地面高能激光设施和光学仪器，以跟踪和清除低地球轨道上的太空垃圾。实习项目旨在开发一种运动跟踪器软件，以跟踪通过激光与物质相互作用产生脉冲的技术演示实验中的样本。为了实现这一目标，我们审查并分析了计算机视觉中的几种物体检测和运动跟踪算法。对于物体检测，Harris 角点检测器和尺度不变特征变换算法表现出不错的成功率。基于光流点的跟踪最有希望获得三维样本轨迹，特别是在多视角相机配置中。用于软件开发的参考数据文件是整个项目期间激光与物质相互作用实验中最初获得的高速视频。
未来拟议太空活动的环境可持续性
随着太空领域的参与者提出越来越雄心勃勃的未来计划，评估这些计划对地球环境的影响非常重要，而这些影响目前还不为人所知。为了填补这一空白，本研究基于可能对太空领域环境产生影响的计划，对 2022 年至 2050 年期间的未来太空活动进行了简化的生命周期评估。第一种情景考虑了大型卫星群、太空旅游、月球任务和太空太阳能，而另外两种情景还包括基于火箭的地球点对点旅行和火星殖民。为此，该模型基于公司声明和实际太空系统的数据，并使用了来自 Strathclyde 空间系统数据库的生命周期清单和影响评估数据。在第一种情景中，研究发现，到 2050 年，拟议的计划将导致太空领域的影响（对气候变化的影响是 9 倍）和在轨卫星数量（约 112,000 颗，全部来自大型星座）空前激增。发射事件造成的臭氧消耗可能达到显著水平（占全球年度影响的 6%），而十年后，火箭排放的黑碳和氧化铝可能会像当今的全球航空一样改变大气的辐射平衡，尽管这些影响尚不确定且尚不了解。此外，人造物体重返大气层时注入大气的质量将变得巨大（约为铝的自然水平的 27 倍），而其环境后果在很大程度上仍未量化。在另外两种情景中，结果表明，基于火箭的地球点对点旅行和火星殖民的推测计划可能会消耗臭氧，是所有其他人类活动总和的几倍，而空气酸化和气候变化可能会达到全球年度影响和行星边界的几个百分点。使用低碳燃料减轻这些影响的能力将受到供应可用性以及发射和返回期间非二氧化碳气候因子和破坏臭氧层化合物的排放的限制。因此，环境可持续性被认为是限制火箭使用低碳燃料的潜在因素。
利用机器人操纵器进行柔性航天器建模与控制
由于存在碰撞风险和人造物体的堆积，尤其是在低地球轨道 (LEO) 中，围绕地球运行的空间垃圾的增多已成为现役航天器和未来任务面临的重大问题。为了缓解这一问题，人们提出了新的解决方案。空间机器人已被纳入在轨服务，以帮助人类在太空环境中开展活动，特别是机器人操纵器可以在主动清除碎片方面发挥关键作用。本论文的目的是开发一个灵活的航天器动力学和控制模型，包括空间操纵器。采用混合方法实现主体和操纵器动力学。具体而言，操纵器运动方程是从拉格朗日公式中获得的，而主体动力学则用刚体的欧拉方程表示。机械臂是一个带有两个连杆的两自由度 (DOF) 平面操纵器。主要结构特性是在与文献中的空间机械臂进行比较后选择的。另一方面，JAXA 微型卫星 PROCYON 被用作航天器的主体。与 PROCYON 航天器一样，也考虑了金字塔形配置的四个反作用轮系统。所有建模和仿真阶段均在 MATLAB/SIMULINK 环境中进行。这项工作的另一个重要方面是卫星的柔性部分，由 PROCYON 航天器的四个太阳能电池板表示。使用 PATRAN/NASTRAN 进行有限元法 (FEM) 分析，以获得模型所需的自然模式和频率，并评估刚性和柔性部分之间的耦合矩阵。论文的第二部分是关于控制策略。两种不同的控制器用于机械手的运动和主体姿态控制。机械臂采用简单的比例-积分-微分 (PID) 控制器，目的是实现所需的关节角度位置，以便捕获碎片/目标。对于姿态控制，采用具有线性二次调节器 (LQR) 的主动抗扰控制 (ADRC) 作为控制律，以便获得快速稳定的响应，并消除作用于系统的所有内部和外部扰动。仿真环境中的令人满意的结果证明了 ADRC 执行姿态控制的能力，
16.pdf
过去一二十年，由于成功开发了由金属、绝缘体，尤其是半导体制成的纳米结构，研究和技术取得了许多重大进展。纳米结构是人造物体，具有亚微米到纳米范围内的一维、二维或三维尺寸。由半导体量子阱制成的纳米结构首次展示于 20 多年前，这种结构由两种不同半导体的交替层组成，厚度通常为 10 纳米以下。如今，它们是大多数半导体激光器的核心。最近，碳纳米管和半导体量子点因其独特性质和广泛潜在应用而吸引了大量科学关注。即使是 20 世纪末以来的主导行业也开始使用纳米结构。事实上，在微电子行业，单个晶体管的尺寸远低于 100 纳米，10 年内可能接近量子尺寸效应开始发挥作用的范围。纳米结构的一个重大困难是如何制备它们。可以区分两种方法：自上而下和自下而上。在自上而下的方法中，尺寸越来越小的物体是从较大的物体中雕刻出来的。这种方法在半导体行业中很常见，其中先进的光刻技术借助选择性氧化等特定步骤，将典型尺寸不断缩小到 1 μ m 以下。然而，这种方法越来越复杂，成本也越来越高。自下而上的方法包括将小物体生长到所需的尺寸和形状。这通常通过化学方法实现。这种方法非常灵活，通常成本低廉，但它也存在重大问题，其中最主要的是尺寸和定位控制以及吞吐量。多孔纳米结构引起了广泛关注，因为它们结合了自上而下和自下而上方法的许多优点。典型尺寸可以从几纳米到几微米不等，多孔结构可以用多种材料制成并有序排列，整个晶圆可以在几分钟内处理完毕。自 1990 年以来，人们投入了大量精力来理解和控制孔隙形成机制，并评估多孔纳米结构在技术中的实用性。这本书由 Ralf Wehrspohn 编辑，是对有序多孔纳米结构及其应用的最新进展的一次非常及时和出色的回顾。它包含由顶尖专家撰写的九章。关于材料和制备的章节涵盖了最
未来可重复使用运载火箭的生态设计：洞察其生命周期和大气影响
摘要 可重复使用运载火箭 (RLV) 正逐渐成为降低太空准入成本的解决方案，并带来突破性太空应用带来的潜在好处。虽然太空是解决全球问题的理想平台，但它也带来了“适应-缓解困境”。运载火箭是唯一直接向大气层各层排放的人造物体，可重复使用性可能会带来额外的负担。虽然它可以通过回收主要部件来确保材料的合理使用，但其相对于等效一次性运载火箭 (ELV) 的潜在可持续性收益尚未量化。因此，正确理解这些对于确保可持续的太空运输设计选择至关重要。本研究回顾了目前对运载火箭环境影响和生态设计的知识状态，然后介绍了第一阶段可重复使用的不同技术的初步生命周期和大气影响评估。可重复使用性表明材料资源消耗可能在早期减少，这与推进剂选择和回收策略无关。就气候强迫而言，仅当假设氢氧、氨氧技术实现完全碳中性推进剂生产，而如果烟尘产量保持在可持续限度以下，甲氧可能实现碳中性推进剂生产，可重复使用性才是有益的。执行空中捕获回收的 VTHL 也表现出降低的气候强迫潜力。据估计，与 ELV 相比，VTVL 运载器的平流层臭氧消耗潜能将增加 18-34%，VTHL 则将增加 12-16%。此外，还发现混合比、飞行剖面、分级条件和空气动力学能力具有高敏感性，需要采用更高保真度的设计方法进行详细评估。据估计，未来大规模空间活动的发射影响也不再可以忽略不计，尽管各种设计方案中都存在一些缓解余地，而且近期将气候变化成本内部化的监管发展可能会显著影响 RLV 的商业案例。此外，高空大气影响，尤其是烟尘排放的影响，似乎主导了潜在的生命周期影响和不确定性，尤其是对于以碳氢化合物为燃料的运载火箭。这进一步加剧了基于航空和地面排放的常用但不合适的加权。这些可能会对绝对和相对比较产生重大影响，因此，必须谨慎对待本研究的结果。未来的研究应采用最先进的大气建模和适当的方法来衡量各个生命周期阶段，从而实现缓解设计，同时避免负担转移。
太空行动可持续性的最佳实践
自 1957 年首次轨道发射以来，地球轨道上的人造物体数量一直在增长。近距离接近和碰撞风险相应增加 [1, 2]，可能导致关键的空间服务中断 [3]。轨道碎片数量模型表明碰撞风险可能会进一步增加 [4, 5, 6, 7, 8]；其中一些研究表明，即使在没有新的太空交通的情况下，轨道碎片缓解措施可能也不足，可能需要采取碎片清除补救措施。因此，需要采取缓解措施，以最大限度地减少轨道碎片，并确保未来可以安全进入太空。航天工业利益相关者非常清楚这些挑战，并已取得应对这些挑战的关键里程碑。 2002 年，跨机构空间碎片协调委员会（IADC）制定了一套国际空间碎片减缓指南[ 9 ]，旨在短期内限制环境中碎片的产生（通常通过与航天器设计和运行有关的措施）和长期内限制碎片数量的增长（将任务结束后在低地球轨道（LEO）区域停留的时间限制在 25 年内）。2007 年，IADC 更新了这些空间碎片减缓指南，即第一修订版[ 10 ]。IADC 还发表了一份关于计划中的大型 LEO 星座的问题和担忧的声明[ 11 ]。联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS）在很大程度上借鉴了 IADC 最初的一套轨道碎片减缓指南，制定了自己的简化版共识空间碎片减缓指南[ 12 ]。联合国大会在其第 62/217 号决议中认可了这些指导方针。国际标准化组织 (ISO) 制定了有关空间碎片减缓的国际标准。ISO 的最高级别空间碎片减缓标准是 ISO-24113“空间系统 - 空间碎片减缓”[13]。该标准及其衍生标准[14、15、16、17、18、19、20]，融合了 IADC 和联合国的指导方针以及商业最佳实践和预期行为规范。空间数据系统咨询委员会 (CCSDS) 由世界各大空间机构组成，负责制定航天通信和数据系统标准。通过制定、发布和免费分发国际标准 [21]，CCSDS 致力于增强政府和商业的互操作性和交叉支持，同时降低风险、开发时间和项目成本。 CCSDS 的轨道、姿态、会合、再入和事件数据交换国际标准与交换太空数据以促进飞行安全特别相关。一些航天国家已经为本国的航天运营商建立了许可制度或国家监管框架。一般来说，此类国家法规是联合国、IADC 和/或 ISO-24113 的结合，它们通常指常见的缓解措施 [22]。在制定上述指导方针和标准时，并没有预见到增加太空人口的计划，包括更多的立方体卫星和其他小型卫星，以及新的大型卫星星座。这些新计划中的航天器和
硕士课程大纲
第 3 天：UV 映射概述 – 介绍如何展开网格并准备进行纹理处理。第 4 天：使用图像映射进行纹理处理 – 使用图像映射和 UV 坐标将基本纹理应用于您的车辆模型。第 5 天：高级 UV 映射技术 – 探索更复杂的展开方法，以获得更好的纹理应用。第 6 天：着色和材质 – 了解如何使用 Blender 的着色器系统创建和分配逼真的材质。第 7 天：3D 场景的照明 – 为您的车辆模型设置有效的照明，以增强纹理可见性和真实感。第 8 天：渲染设置和优化 – 了解高质量渲染和性能优化所需的设置。第 9 天：项目审查和改进 – 根据讲师反馈确定纹理、材质和渲染设置。第 10 天：项目 1 提交和审查 – 提交您的渲染车辆项目并参与同行评审。项目 2：渲染场景（第 20 天截止）第 11 天：环境建模简介 - 学习构建 3D 环境的技术，重点是场景构图。第 12 天：建模背景元素 - 开始建模基本场景元素，例如建筑物、树木和地形。第 13 天：纹理场景模型 - 使用各种技术和图像贴图将纹理应用于背景和前景模型。第 14 天：环境场景的照明 - 尝试不同类型的照明设置以在场景中营造氛围。第 15 天：高级材质创建 - 为场景中的自然和人造物体创建逼真的材质（例如玻璃、金属）。第 16 天：摄像机角度和构图 - 设置摄像机视图并尝试构图以增强场景的视觉冲击力。第 17 天：粒子系统和效果 - 学习如何创建粒子系统以实现烟雾、雨或雾等环境效果。第 18 天：渲染和后期处理 - 了解如何渲染整个场景并在 Blender 中应用后期处理技术。第 19 天：场景审查和反馈 – 根据讲师反馈完善场景并准备最终渲染。第 20 天：项目 2 提交和审查 – 提交渲染的场景项目并参与同行评审和讨论。项目 3：渲染角色（截止时间为第 30 天）第 21 天：角色建模简介 – 开始创建基本的 3D 角色模型，重点关注解剖和比例。第 22 天：角色雕刻技巧 – 使用 Blender 的雕刻工具添加细节并完善角色的形态。第 23 天：角色 UV 贴图 – 展开角色模型以实现高效纹理。