美歐合作的近地小行星防御任務(wù)進展

李虹琳,黨麗芳

(中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院,北京 100037)

2020年9月,歐洲航天局 (ESA)授出價值約1.3億歐元的合同,由德國衛(wèi)星制造商OHB系統(tǒng)公司牽頭的泛歐財團共同研制建造 “赫拉”小行星探測器[1]。這是美歐合作的 “小行星撞擊和偏轉(zhuǎn)評估”任務(wù)的重要組成部分,該任務(wù)將驗證利用動能撞擊技術(shù)偏轉(zhuǎn)小行星軌道的可行性,是目前全球唯一即將開展的近地小行星防御技術(shù)驗證任務(wù)。近地小行星防御主要用于防御可能撞擊地球,或?qū)Φ厍蚓哂袧撛谕{的近地小行星①近地小行星軌道在距離太陽1.3AU(AU是天文單位,1AU=1.496×108km)范圍內(nèi),離地球軌道距離小于0.3AU。一般將距離地球軌道最小距離在0.05AU范圍內(nèi)、直徑大于140m的小行星定義為具有潛在威脅小行星。為保證地球安全,通常情況下提前編目小行星,預(yù)測其未來是否會成為具有潛在威脅小行星,以便提前預(yù)警,并在深空實施近地小行星防御技術(shù)。,是人類主動采取措施 (行動)偏轉(zhuǎn)或摧毀小行星的手段,其相關(guān)技術(shù)可用于偵察、偏轉(zhuǎn)、毀傷在軌航天器,軍事應(yīng)用潛力巨大。

1 任務(wù)背景

近地天體威脅是一種 “可能性極低但后果嚴(yán)重”的災(zāi)害。美國和歐洲長期開展近地天體防御研究,重點致力于近地小行星防御技術(shù)研究,并提出多項任務(wù)概念與設(shè)想,如美國國家航空航天局 (NASA)的 “阿波菲斯探索與減緩平臺”(AEMP)、 “超高速小行星攔截器” (HAIV)、“表面和內(nèi)部科學(xué)撞擊器” (ISIS),ESA的 “堂吉訶德”、 “近地小行星防護盾” (NEOShield)等[2]。為進一步加強近地小行星防御技術(shù)研究與驗證,美歐于2015年提出合作開展 “小行星撞擊和偏轉(zhuǎn)評估”任務(wù),著重推進近地小行星防御技術(shù)的相關(guān)驗證工作,目前該任務(wù)已進入探測器建造和組裝階段。

近年來,美歐開始從國家戰(zhàn)略層面規(guī)劃近地小行星防御研究。美國白宮于2018年6月發(fā)布《國家近地天體防備戰(zhàn)略與行動規(guī)劃》,從國家層面謀劃如何構(gòu)建近地天體威脅防御體系,并提出研發(fā)偏轉(zhuǎn)來襲近地天體運行軌道的技術(shù)。2019年的歐洲部長級會議明確表示近地小行星防御是歐洲太空安全計劃的一部分。2020年3月,美國國家航空航天局 (NASA)和美國國家科學(xué)院在即將啟動的 “2023-2032年行星科學(xué)十年調(diào)查”任務(wù)聲明中指出,行星防御將是下一個十年的重點研究領(lǐng)域,是NASA整體行星科學(xué)計劃的重要組成部分。聯(lián)合國和平利用外層空間委員會設(shè)立了空間任務(wù)規(guī)劃咨詢組,專門負(fù)責(zé)開展行星防御方法研究,評估防御手段的有效性,推動行星防御任務(wù)設(shè)計與實施領(lǐng)域的國際合作。

目前,近地小行星防御有兩種基本防御方式:一是改變小行星軌道,使之避開地球,按作用時間,可以分為短期防御技術(shù)和長期防御技術(shù),短期防御技術(shù)主要包括核爆和動能撞擊,長期防御技術(shù)包括拖船和引力牽引等;二是使小行星分裂成碎片,使碎片避開地球或?qū)⑺槠钠茐男越档阶畹?主要通過核爆技術(shù)實現(xiàn)。由于小行星分裂成碎片的過程具有較大的不可預(yù)見性,所以在預(yù)警時間充分的條件下,改變小行星軌道的方法更為合適[2]。

近地小行星防御涉及的共性關(guān)鍵技術(shù)包括:小行星伴飛軌道姿態(tài)控制、大功率長壽命電推進、大功率高效能源供應(yīng)、深空高精度導(dǎo)航定位、深空高可靠自主管理、非合作高速運動目標(biāo)攔截制導(dǎo)與控制等技術(shù)。不同的防御方式還需要開發(fā)特有的關(guān)鍵技術(shù),如通過精準(zhǔn)控制等技術(shù)實現(xiàn)利用核爆技術(shù)精準(zhǔn)攔截來襲小行星;通過高精度目標(biāo)識別與跟蹤、先進精確制導(dǎo)等技術(shù)實現(xiàn)利用動能撞擊器改變來襲小行星的軌道[2]。

圖1 近地小行星防御技術(shù)分類圖[2]Fig.1 Classification of near-Earth asteroid defense technologies

2 任務(wù)基本情況

“小行星撞擊和偏轉(zhuǎn)評估”任務(wù)是美歐合作開展的首個國際小行星防御任務(wù),用于支撐行星防御戰(zhàn)略規(guī)劃,開發(fā)小行星偏轉(zhuǎn)技術(shù)與所需能力。

2.1 任務(wù)概述

該任務(wù)由NASA和ESA牽頭,約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室、德國航空航天中心和科特迪瓦天文臺參與研究,目標(biāo)天體是雙小行星系統(tǒng) “戴迪莫斯”(Didymos)及其衛(wèi)星 “戴莫福斯”(Dimorphos)。任務(wù)實施方案如下:先開展由NASA負(fù)責(zé)的 “雙小行星重定向測試” (DART)子任務(wù),用小行星撞擊器撞擊 “戴莫福斯”,使其偏離運行軌道;再開展由ESA負(fù)責(zé)的 “赫拉”(Hera)子任務(wù),利用小行星交會探測器觀測“戴莫福斯”,測繪其表面撞擊坑圖像,與以往主要采用地基望遠(yuǎn)鏡觀測小行星不同的是,這次利用 “赫拉”探測器近距離測量 “戴莫福斯”受撞擊后的運行軌道變化,將獲得更詳細(xì)的數(shù)據(jù)。此外,“赫拉”子任務(wù)還將對 “戴迪莫斯”小行星開展深空科學(xué)探測[3]。

2.2 美國負(fù)責(zé)的撞擊任務(wù) “雙小行星重定向測試”

2.2.1 任務(wù)方案

“雙小行星重定向測試” (DART)任務(wù)是首個采用動能撞擊技術(shù)偏轉(zhuǎn)小行星運行軌道的驗證任務(wù),將對極暗弱目標(biāo)探測與精準(zhǔn)識別、深空高精度自主導(dǎo)航定位、非合作目標(biāo)高精度相對定位、高速運動非合作目標(biāo)攔截的高精度制導(dǎo)控制、飛行器高可靠自主生存、先進能源與推進等關(guān)鍵技術(shù)進行在軌驗證[4]。該任務(wù)由約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室領(lǐng)導(dǎo),并得到NASA噴氣推進實驗室、戈達(dá)德太空飛行中心和約翰遜太空中心的支持,由NASA行星防御協(xié)調(diào)辦公室資助和管理。任務(wù)目標(biāo)是:在撞擊前拍攝 “戴迪衛(wèi)星”的高分辨率圖像;采用精確自主導(dǎo)航與制導(dǎo),撞擊直徑160m的 “戴莫福斯”的中心;利用立方星觀測撞擊瞬間的情況。

DART探測器是一個動能撞擊器,平臺重約500kg,采用卷軸式太陽能帆板,完全展開時,探測器長12.5m、寬2.4m?；瘜W(xué)推進系統(tǒng)由12個MR-103G肼推力器組成,每個推力器有1N推力,幫助探測器到達(dá)目的地并撞擊目標(biāo)。電推進系統(tǒng)采用 “NASA進化氙氣推進器—商用型”(NEXTC)推力器,以驗證其軌道修正能力和未來應(yīng)用潛力。導(dǎo)航系統(tǒng)由 “戴迪莫斯”偵察與光學(xué)導(dǎo)航小行星相機,以及采用 “小天體機動自主實時導(dǎo)航”算法的導(dǎo)航軟件組成,可使探測器自主飛行到 “戴迪莫斯”雙小行星系統(tǒng),通過精確制導(dǎo)實現(xiàn)對 “戴莫福斯”的撞擊。此外,DART探測器還將攜帶一顆意大利立方星,用于監(jiān)測撞擊時發(fā)生的所有情況[5]。

2.2.2 進度安排

2017年6月,DART探測器所用的卷軸式太陽能帆板完成國際空間站上的測試;同年,NASA批準(zhǔn)探測器從概念開發(fā)階段轉(zhuǎn)入初步設(shè)計階段;2018年8月,DART探測器進入最終設(shè)計、建造和組裝階段;2019年4月,NASA選定SpaceX公司 “獵鷹”-9運載火箭發(fā)射DART探測器;2020年3月,探測器的電推進系統(tǒng)完成性能和環(huán)境測試;2020年5月,噴氣洛克達(dá)因公司向NASA交付探測器的電推進系統(tǒng)。DART探測器計劃2021年7月發(fā)射,預(yù)計2022年9月到達(dá) “戴迪莫斯”雙小行星系統(tǒng),并以大約6km/s的速度撞擊 “戴莫福斯”[6]。

圖2 DART探測器構(gòu)型Fig.2 Configuration of DART probe

圖3 DART探測器撞擊示意圖[5]Fig.3 Diagram of DART probe impact

圖4 Hera任務(wù)運行示意圖[8]Fig.4 Schematic diagram of Hera task operation

3 歐洲負(fù)責(zé)的觀測任務(wù) “赫拉”

3.1 任務(wù)方案

“赫拉”(Hera)任務(wù)是人類首個與雙小行星系統(tǒng)交會并觀測的任務(wù),將對受撞擊后的 “戴莫福斯”進行詳細(xì)勘測,首次驗證或改進小行星撞擊過程的數(shù)值模型,旨在培養(yǎng)歐洲監(jiān)測太空危險和保護地球的能力。任務(wù)目標(biāo)是:研究行星防御技術(shù),研究動能撞擊器撞擊小行星所產(chǎn)生的影響;驗證深空立方星技術(shù);獲得 “戴迪莫斯”雙小行星系統(tǒng)的科學(xué)數(shù)據(jù)[7]。

“赫拉”探測器干質(zhì)量約350kg,加滿推進劑后重達(dá)800kg;采用太陽能帆板和肼推進系統(tǒng);配備 “小行星取景相機”、激光雷達(dá)、高光譜成像儀和無線電科學(xué)試驗等科學(xué)儀器,對 “戴迪莫斯”雙小行星系統(tǒng)進行科學(xué)探測,重點觀測被DART探測器撞擊后 “戴莫福斯”的表面情況和軌道變化情況。此外, “赫拉”還攜帶2顆深空立方星,即 “小行星勘察探測器”和 “朱文塔斯”,用于輔助觀測 “戴莫福斯”[8]。

3.2 進度安排

2018年3月,“赫拉”探測器進入初步設(shè)計階段,6月進入工程研制階段,由德國OHB系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)建造;2019年1月,該任務(wù)選定要攜帶的2顆立方星,11月獲得歐洲部長級會議正式批準(zhǔn)發(fā)射;2020年進入全面研制階段?！昂绽碧綔y器計劃2024年①Hera探測器晚于DART探測器2年發(fā)射,原因在于受撞擊的小行星需要經(jīng)過一定時間,運行軌道才會出現(xiàn)明顯變化,此舉是為了更好地勘察動能撞擊技術(shù)對小行星軌道偏轉(zhuǎn)的影響。發(fā)射,2026年到達(dá) “戴迪莫斯”雙小行星系統(tǒng),并部署立方星,開展科學(xué)探測,重點對DART探測器動能撞擊后的 “戴莫福斯”進行詳細(xì)觀測。

4 結(jié)語

美歐合作的 “小行星撞擊和偏轉(zhuǎn)評估”任務(wù)所采用的動能撞擊技術(shù),從目前技術(shù)發(fā)展角度來說是一種較為簡單可行的近地小行星防御技術(shù),該任務(wù)推動了短期防御技術(shù)的進一步發(fā)展。未來,主要航天國家/地區(qū)也將繼續(xù)推動近地小行星長期防御技術(shù)的發(fā)展。近地小行星防御技術(shù)不僅是降低小行星撞擊地球風(fēng)險,規(guī)避小行星撞擊帶給社會和自然界威脅的有效手段,還是典型的軍民兩用技術(shù),與太空安全領(lǐng)域存在大量共性關(guān)鍵技術(shù),該技術(shù)本身及其可轉(zhuǎn)化為太空對抗技術(shù)的特性使其極具軍事應(yīng)用潛力。

同時,鑒于近地小行星撞擊地球的風(fēng)險是世界范圍的危害,國際合作將是有效的應(yīng)對手段。目前已被確認(rèn)的超過2萬顆近地小行星中有1876顆被認(rèn)為具有 “潛在危險性”,可能對地球安全和人類生存構(gòu)成巨大威脅。因此,近地小行星防御被多國視為維護地球與國家安全的重要領(lǐng)域。近地小行星防御任務(wù)周期長、規(guī)模大、經(jīng)費多,影響面廣,更加需要各個航天大國開展通力合作,不僅可以分擔(dān)部分經(jīng)費,發(fā)揮各國技術(shù)專長,還可以促進全球聯(lián)合近地小行星防御體系的建立,共同應(yīng)對小行星對地球的威脅。