中国“天宫”空间站在2022年已全面建成，其丰富的应用资源为在轨技术验证提供了广阔的开放式试验平台。面向世界科技前沿和未来载人深空探测、太空资源开发利用、在轨服务等任务需求，本文对国内外空间站技术试验的研究情况和发展态势进行了分析与总结，并在此基础上提出了中国空间站空间技术试验的发展思路，论证了空间站空间技术试验发展的趋势，对各研究方向的技术发展进行了展望，以突破一系列关键技术瓶颈，解决制约航天发展的“卡脖子”问题。为充分发挥空间站应用效益，支撑航天强国建设提供了有益参考。
近地小天体赋存丰富的矿产资源。近地小天体采矿不仅可获取地球可持续发展所需的铂族和稀土等稀贵金属矿产，也可为后续建立空间基础设施以及星际航行提供大量必需物资，已成为当前国际航天的前沿方向并逐步具备工程技术的可实现性。本文分析了近地小天体的资源特征，从低成本、规模化、经济性的角度，提出了近地小天体采矿体系构想和方案框架设想，并初步建立了可开采矿物总量的评估方法和以资源净收益为目标的小天体采矿效益评估方法。分析表明：即使直径50 m的近地小天体价值可达万亿元人民币，但对于近地小天体采矿任务需综合考虑矿物运输成本和获得的矿物收益，从而选择合适速度增量范围内的小天体开采目标；为在一定可达性下获得较高的净收益，需在小天体附近对矿物进行分选，提升矿石品位，同时需进行水资源提取并原位制备推进剂。
生命从哪里来？人类在宇宙中是否独一无二？这些都是各国科学界研究的重大科学问题。恒星辐射与活动性是决定行星宜居性的关键因素。本文提出的科学卫星 “紫瞳”，瞄准了系外宜居行星探测等重大科学问题，首次在近紫外-可见光双波段开展恒星活动观测与系外行星搜寻，并期望在“另一个地球”搜寻上取得重大突破。“紫瞳”载荷为4个共视场(10°×10°)的30 cm口径望远镜，等效口径50 cm。“紫瞳”主要科学目标包括：对1000多万颗恒星开展活动性监测，揭示恒星活动性规律；发现2000多颗系外行星候选体，揭示热行星的大气特征；发现红矮星周围的“另一个地球”。此外，“紫瞳”在太阳系小天体探测、暂现源监测、超大质量黑洞搜寻和刻画、引力波对应体搜寻等时域天文学领域也发挥着重要作用，帮助理解宇宙中极端高能事件的物理机制。
月面独特的位置和环境优势，为天文观测提供了难得的机会。目前包括中国、美国、欧洲航天局、俄罗斯、日本、印度等在内的多个国家和机构都在大力开展月球探测。对于开展多种科学研究的月球探测计划，站点的选取需综合考虑各项科学的需求。本文主要介绍开展月基紫外-光学-红外天文观测对观测站点的需求，并针对该需求提出了评估某个候选站址是否满足天文观测需求的定量化分析方法。该方法适用于全月面范围内任意指定点的选址分析，将为规划中的国际月球科研站等月球探测计划的建设提供参考和支撑。
作为太阳系类地行星中与地球最为类似的一颗行星，火星是人类深空探测的重要目标，也是未来太空移民的主要候选星球。火星探测至今已有60多年的历史，到目前共有47次探测任务对火星开展探测并取得了一系列重要科学发现。硫酸盐作为火星表面水蚀变/水岩作用重要的产物，对其展开研究可以深入了解火星水演化历史和气候变化特征，助力评估地表环境宜居性和生命痕迹的可能性等重大科学问题。本文主要回顾了火星硫酸盐的轨道遥感与就位探测研究进展，探讨了硫酸盐模拟实验研究的科学意义以及硫酸盐对未来火星资源利用的重要价值，以期为未来火星探测任务和火星科研站建设提供有益参考。
针对现有尘埃动力学仿真多使用连续充电策略，忽略电荷“量子化”性质对于纳米尺寸尘埃颗粒的影响这一问题，以起源于木卫一的木星尘埃流现象为研究对象，在动力学建模过程中考虑随机充电过程，以更合理地模拟纳米尺寸尘埃颗粒表面电量和轨迹的演化过程。随机充电模型仿真结果表明，只有8~200 nm尺寸范围内的尘埃颗粒可以以6~240 km/s的速度从木星磁层中逃逸。与连续充电模型的仿真结果进行对比，发现对于携带少量电荷的极小尺寸的尘埃颗粒而言，在其动力学模拟过程中考虑充电机制的“量子化”和“随机性”特点是必要的。最后通过简化模型针对尘埃流颗粒的尺寸范围进行了估计，理论结果和随机充电模型仿真结果基本相符。木星系统奇特的等离子体环境和磁场环境共同塑造了尘埃流现象，而随机充电过程则进一步使得尘埃颗粒的轨迹演化变得复杂多样。
由于月球没有大气层和全球性的磁场保护，使得高能宇宙线直接与月壤物质的原子核发生散裂反应产生大量中子。月球中子既是载人登月和国际月球科研站辐射防护的主要对象之一，也可用于月球水资源勘查及月球起源、演化历史研究。迄今只有阿波罗17任务测量了月壤2米深度内的中子数密度，文章提出将中子探测载荷部署在月壤钻取后形成的钻井中的任务设想，相比阿波罗任务，月壤钻井中子探测在原位、近实时、多能区等方面具有创新性。基于氦-3正比计数管技术的月壤中子探测载荷重量0.9 kg、功率9 W，对月壤内部水的灵敏度可达500微克每克。月壤钻井中子载荷将极大的丰富月球探测任务的科学与工程产出。文章中的相关方案和技术还可应用于后续其他地外天体的深空探测任务。
纳米级单质金属铁（纳米铁）是无大气保护的地外星体表层长期受太空风化改造的特征产物，是记录月壤形成与演化信息的关键载体，同时也是影响月表反射光谱遥感探测的主要因素。纳米铁的形成机制除了汽化沉积作用之外，近年来在嫦娥五号月壤中还发现了分解反应和歧化反应成因的纳米铁，但其生长规律和形成条件约束目前尚不清楚。因此，本文采用先进的电镜原位加热技术，选取嫦娥五号月壤中的橄榄石、辉石和陨硫铁等含铁矿物作为研究对象，系统性地模拟月壤中含铁成分的物质在亚固相线条件下（温度不高于800℃）的热改造过程，记录纳米铁在各矿物中的形成方式及生长规律。通过统计纳米铁的粒径尺寸，探讨不同矿物相中纳米铁的粒径分布，为遥感探测光谱数据的解译提供有价值的参考。
未来我国将开展探月工程四期、火星采样返回、小天体探测等一系列深空探测活动，软着陆过程面临环境更复杂、地形更未知、时间更紧急等全新挑战。由于光学敏感器提供的序列图像包含天体表面岩石、陨石坑等丰富陆标特征信息，是软着陆自主导航的理想信息来源。但是，深空探测器上计算资源有限，无法处理大量图像信息，必须对序列图像中的丰富陆标特征进行优选。陆标优选时通常以可观测性分析量化得到的可观测度来衡量陆标特征对导航精度的贡献程度，但传统方法只观测单一时刻局部最优陆标，在重新优选陆标前多次连续观测相同陆标时会因可观测度逐渐降低而影响导航精度。本文首先建立了行星着陆段序列图像自主导航系统模型，构建了针对多次观测的序列图像可观测度指标，证明了其为凸函数并给出了最小值点所在区间，指导优选多时刻可观测度最高的陆标。经过数学仿真验证，基于序列图像可观测度的陆标优选比传统单时刻优选方法的导航精度更高，可为深空探测着陆段的序列图像自主导航提供理论支撑。
航天器在空间探索时需要面对各种多任务场景，复杂的任务耦合关系和航天器轨迹约束给任务规划带来困难。本文提出了基于任务效能评价张量进化的航天器任务规划方法，利用张量形式来描述任务规划中任务点间转移轨迹与前序任务集的耦合关系，精确地评价不同任务规划方案下的转移轨迹代价和任务收益，从而有效地提高了任务规划效能，并极大缩减了任务规划的计算量。
CPT原子磁力仪具有无方向盲区，并且在磁感应强度方向变化时可连续测量无需模式切换的特点，特别适合搭载在卫星、直升机等平台进行拖曳式探测。但是CPT原子磁力仪存在转向差问题，且探头剩磁干扰会影响转向差的补偿精度，进而影响其使用性能。本文针对CPT原子磁力仪转向差问题，分析了转向差机理，建立了探头剩磁补偿模型并进行了补偿，使用粒子群算法估计了剩磁参数，并使用剩磁补偿后的转向差离散点进行三次样条插值得到转向差曲线。试验结果表明：算法估计的探头剩磁在旋转面的投影分量大小为0.344 nT，方向与探头轴线垂直。在剩磁补偿前后，转向差补偿后的残差标准差由0.288 nT减小到0.132 nT，标准差减小了54%，有效提高了CPT原子磁力仪的使用性能。
低轨道等离子体环境与航天器相互作用下将产生高充电电位，引起航天器充放电效应并对航天器能源系统、电子系统及航天员出舱活动等产生危害。本文开展了等离子体环境与航天器相互作用机理和规律研究，通过理论计算和仿真分析，建立了低轨道航天器充电模型，并进行了在轨试验验证，为低轨航天器等离子试验模型提供了理论支撑，具有重要的科学意义。
复合材料结构在服役过程中会受到外部载荷激励影响而产生随机振动，由于铺层角度的多样性使其寿命预测方法尚不明确。为确保复合材料结构安全服役，需探明复合材料不同铺层角度的振动疲劳寿命预测方法。本文提出一种基于非纤维方向S-N曲线的预测方式，考虑了复合材料的各向异性和多轴应力状态，以Tsai-Wu准则为基础，结合频域法对[0/90]s铺层的复合材料层合板进行了振动疲劳寿命预测。结果表明，非纤维方向S-N曲线能够较为准确地预测复合材料层合板的寿命，且Zhao-Baker概率密度函数模型的准确性最高。
随着人类航天活动的迅猛发展，外空环境日益复杂无序，外空安全的威胁显著上升，外层空间长期可持续性面临严重挑战。本文全面介绍了外空安全面临的最新态势，系统分析了空间碎片数量逐年增多、低轨大规模星座迅猛部署、新型航天活动快速喷发、外空资源争夺日趋激烈、外空军事化愈演愈烈等对外空安全和外空长期可持续的冲击。本文指出，从外空命运共同体、国家空间资产安全、航天强国建设出发，外空环境治理是大势所趋和唯一出路，孕育着航天技术创新、产业革命、法规建制等重大机遇。基于国情提出了我国对策和发展建议。
