“雙小行星重定向測試”任務(wù)分析

王帥 趙琪 秦陽（北京空間科技信息研究所 中國航天科技集團(tuán)有限公司）

2021年11月24日，全球首次近地天體撞擊防御技術(shù)試驗任務(wù)—“雙小行星重定向測試”（DART）探測器搭乘獵鷹－9（Falcon－9）運(yùn)載火箭發(fā)射。DART是一項行星防御技術(shù)試驗任務(wù)，將首次試驗用于改變小行星運(yùn)行軌道的動能撞擊技術(shù)，為防止小行星撞擊地球奠定技術(shù)基礎(chǔ)。此次任務(wù)不僅將推動技術(shù)驗證和能力提升，還將助力美國國家航空航天局（NASA）在行星防御領(lǐng)域具備更強(qiáng)的影響力和話語權(quán)。

1 任務(wù)背景

太陽系中存在著數(shù)量龐大的小天體（小行星、彗星等），部分距離地球較近的小天體可能撞擊地球，引發(fā)巨大災(zāi)難。導(dǎo)致恐龍滅絕的全球性災(zāi)難以及2013年發(fā)生的俄羅斯車?yán)镅刨e斯克隕石撞擊事件，都顯示地球時刻處于小天體撞擊的威脅之中。預(yù)計平均每間隔10000年左右，就會有直徑大于100m的巖質(zhì)或鐵質(zhì)小行星到達(dá)地球表面并造成大規(guī)模災(zāi)難。

20世紀(jì)90年代以來，各國越發(fā)關(guān)注近地天體撞擊地球的潛在威脅，開始實施行星防御活動。行星防御包括檢測和警告潛在的小行星或彗星撞擊地球，然后阻止或減緩其影響的能力。盡管NASA早在1992年就開始研討攔截近地天體的問題，但一直以來，各國的行星防御工作集中于近地天體的調(diào)查，即小天體監(jiān)測。在近地天體撞擊防御方面，提出了核爆、動能撞擊、引力拖車等多種技術(shù)方案，但始終處于理論研究階段。

直到21世紀(jì)10年代，NASA和歐洲航天局（ESA）聯(lián)合提出了全球首個小行星軌道偏轉(zhuǎn)計劃—“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評估”（AIDA）計劃。AIDA分為兩次任務(wù)，由美國實施DART任務(wù)，以撞擊雙小行星系統(tǒng)中的一顆小行星；由歐洲實施“小行星撞擊任務(wù)”（AIM），以監(jiān)測小行星軌道與結(jié)構(gòu)在撞擊前后的變化。

2016年，由于德國無法出資，歐洲的AIM任務(wù)被取消。2018年，歐洲決定實施另一項比AIM任務(wù)規(guī)模更小的任務(wù)——“赫拉”（Hera），任務(wù)計劃于2024年發(fā)射，并于2026年飛抵DART任務(wù)撞擊的雙小行星系統(tǒng)，對兩顆小行星進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，特別關(guān)注DART探測器撞擊產(chǎn)生的隕石坑，并精確確定小行星的質(zhì)量。歐洲任務(wù)的調(diào)整對于AIDA計劃產(chǎn)生了一定的影響，Hera任務(wù)無法像被取消的AIM任務(wù)一樣在撞擊前對小行星進(jìn)行詳細(xì)探測，也無法觀測整個撞擊過程，只能觀測撞擊后的雙小行星系統(tǒng)的特征、軌道及其旋轉(zhuǎn)變化等情況。盡管如此，Hera的撞擊后調(diào)查仍將大大增強(qiáng)從DART小行星偏轉(zhuǎn)測試中獲得的行星防御信息，為未來的小行星防御技術(shù)研發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

DART任務(wù)由NASA行星防御協(xié)調(diào)辦公室（PDCO）和科學(xué)任務(wù)部的行星科學(xué)部門負(fù)責(zé)，具體由NASA馬歇爾航天飛行中心（MSFC）的太陽系探索計劃（SSEP）管理，由約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室（APL）領(lǐng)導(dǎo)研制，NASA下屬的噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）、戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC）、約翰遜航天中心（JSC）、格倫研究中心（GRC）、蘭利研究中心（LaRC）等為任務(wù)提供了支持，美國多所院校及天文臺也參與了任務(wù)研制與觀測。此外，DART任務(wù)還攜帶了意大利航天局（ISA）提供的立方體衛(wèi)星。

“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評估”計劃

2 任務(wù)基本情況

任務(wù)目標(biāo)

DART任務(wù)是一項行星防御試驗任務(wù)，將撞擊近地雙小行星系統(tǒng)—“迪蒂莫斯”（Didymos）中較小的天體，試驗用于改變小行星運(yùn)動軌道的動能撞擊技術(shù)。DART將揭示動能撞擊過程中噴射物反沖動量的影響，幫助改進(jìn)動能撞擊影響的模型，降低預(yù)期撞擊影響的不確定性，從而有助于未來的任務(wù)設(shè)計。

Didymos系統(tǒng)并不存在撞擊地球的威脅，但由于其較小天體的尺寸與對地球造成重大威脅的典型小行星大小相近，并且很容易通過觀測小天體環(huán)繞大天體的周期變化了解撞擊造成的影響，同時交會的難度較低，撞擊也不會增加小行星撞擊地球的風(fēng)險，因此Didymos是行星防御試驗的理想對象。

Didymos系統(tǒng)的主天體Didymos直徑約780m；次天體“迪摩法斯”（Dimorphos）直徑約160m，與可能對地球構(gòu)成重大威脅的典型小行星大小相近。Dimorphos環(huán) 繞Didymos運(yùn)行，環(huán)繞軌道的半長軸為1.1km，周 期 為11.9h。DART探測器將以6.6km/s的速度撞擊Dimorphos，撞擊將改變Dimorphos環(huán)繞Didymos運(yùn)行速度的1%，導(dǎo)致環(huán)繞軌道周期改變數(shù)分鐘，這樣的改變足以使地基望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀察和測量。

DART任務(wù)將測試動能撞擊對于小行星動力學(xué)的影響，以及完成對小行星撞擊后響應(yīng)的觀測。DART的任務(wù)目標(biāo)可以歸結(jié)為：①演示驗證對Dimorphos的動能撞擊；②改變Dimorphos環(huán)繞Didymos的軌道周期；③利用地基望遠(yuǎn)鏡觀測撞擊前后Dimorphos軌道周期的變化；④測量撞擊和由此產(chǎn)生的噴射物對于Dimorphos的影響。

系統(tǒng)組成和有效載荷

DART探測器是一個簡易的低成本航天器，主體為一個攜帶單一儀器的動能撞擊器。DART探測器發(fā)射質(zhì)量約為610kg，撞擊時質(zhì)量約為550kg。DART攜帶了50kg用于機(jī)動和姿態(tài)控制的肼推進(jìn)劑，以及60kg用于離子推進(jìn)技術(shù)驗證發(fā)動機(jī)的氙氣。DART中心結(jié)構(gòu)尺寸為1.2m×1.3m×1.3m，包含延伸結(jié)構(gòu)的主體尺寸為1.8m×1.9m×2.6m。

DART安裝了2副“推出式太陽能電池陣列”（ROSA），單個ROSA展開后尺寸為8.6m×2.3m。通信系統(tǒng)采用X頻段，包括2個半球狀低增益天線和1個用于高增益通信的“徑向線槽天線”（RLSA）。主要姿態(tài)傳感器為慣性測量單元（IMU）和星敏感器，5個數(shù)字太陽敏感器為安全模式提供太陽方向信息。

DART攜帶2套推進(jìn)系統(tǒng)，其中化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)由多臺推進(jìn)器組成，單個推進(jìn)器的推力為0.2磅，用于軌道修正機(jī)動和姿態(tài)控制；電推進(jìn)系統(tǒng)為NASA研制的新一代太陽能電推進(jìn)系統(tǒng)——“進(jìn)化氙氣推進(jìn)器-商用”（NEXT-C），使用氙氣作為推進(jìn)劑，主要用于軌道轉(zhuǎn)移，為發(fā)射提供更多的靈活性?；瘜W(xué)推進(jìn)系統(tǒng)將在巡航期間進(jìn)行多次軌道修正，并在靠近小行星時的最后一刻改變方向，以確保DART準(zhǔn)確地撞擊目標(biāo)。

DART攜帶1臺“迪蒂莫斯勘察和小行星光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)”（DRACO），該相機(jī)的設(shè)計基于“新視野”（New Horizons）探測器的高分辨率成像儀，主要用于支持近場光學(xué)導(dǎo)航和終端階段的自主導(dǎo)航，以及測量小行星目標(biāo)的大小和形狀，并確定撞擊地點和地質(zhì)背景。DRACO采用20cm孔徑的里奇-克萊琴（Ritchey-Chretien）望遠(yuǎn)鏡，視野為0.29°，分辨率為0.5”/像素。

此外，探測器還攜帶1顆由ISA提供的6U立方星，即“意大利小行星成像輕型立方星”（LICIACube）。DART將在撞擊前大約10天部署LICIACube，后者將捕獲DART撞擊的圖像、由此產(chǎn)生的噴射物云，并可能瞥見Dimorphos表面的撞擊坑。LICIACube的設(shè)計基于阿爾戈泰克（Argotec）公司開發(fā)的6U平臺，上面攜帶了兩種儀器，分別用于從遠(yuǎn)距離獲取高分辨率圖像的窄視場全色相機(jī)——LICIACube小行星探測器成像（LEIA），以及能夠進(jìn)行小行星環(huán)境多色分析的寬視場RGB相機(jī)——LICIACube單元關(guān)鍵探測器（LUKE）。

DART探測器構(gòu)型圖

任務(wù)過程

2021年11月24日，DART探測器搭乘獵鷹－9火箭發(fā)射，并計劃于2022年9月下旬撞擊Didymos系統(tǒng)。

選擇2022年秋季撞擊主要是為了最大限度地減少撞擊時Didymos與地球之間的距離，以實現(xiàn)最高質(zhì)量的地基觀測。屆時，Didymos距離地球約1.1×107km，星等大約為14～15，孔徑低至1m的地基望遠(yuǎn)鏡都可以獲得有用的數(shù)據(jù)。全球各地的多臺地基望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)將參與觀測活動，以測量動能撞擊產(chǎn)生的影響。在條件允許的情況下，天基望遠(yuǎn)鏡也將在撞擊期間對Didymos系統(tǒng)進(jìn)行觀測，包括“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”以及即將發(fā)射的“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”等。觀測得到的數(shù)據(jù)連同對噴射物演化的研究，將提供對DART撞擊影響更全面的理解。

3 任務(wù)特點分析

首次近地天體撞擊防御技術(shù)試驗

DART旨在測試和驗證一種減緩小行星撞擊地球威脅的方法，是全球首次演示動能撞擊器使小行星軌道發(fā)生偏轉(zhuǎn)的任務(wù)。DART將實際演示驗證動能撞擊技術(shù)，證明該技術(shù)在應(yīng)對小天體撞擊地球威脅時的可行性。DART將解答關(guān)于動能撞擊器技術(shù)的一個關(guān)鍵問題，即撞擊產(chǎn)生的噴射物的影響，從而降低撞擊模型計算的不確定性。DART作為NASA為實現(xiàn)行星防御目標(biāo)而開發(fā)的首次任務(wù)，將推動NASA的行星防御戰(zhàn)略，為未來實際行星防御任務(wù)奠定基礎(chǔ)。NASA實施首次近地天體撞擊防御技術(shù)試驗，不僅有利于技術(shù)的驗證和能力的提升，還將助力NASA在行星防御領(lǐng)域具備更強(qiáng)的影響力和話語權(quán)。

DART任務(wù)影響小行星軌道示意圖（演示了DART的撞擊如何改變Dimorphos環(huán)繞Didymos的軌道）

事實上，NASA早在10多年前就開展了類似的動能撞擊活動，2005年發(fā)射的“深度撞擊”（Deep Impact）曾向坦普爾－1（Tempel－1）彗星發(fā)射了一個370kg的銅制撞擊器，2011年“星塵”（Stardust）探測器則在擴(kuò)展任務(wù)期間再次訪問坦普爾－1彗星，探尋撞擊對彗星軌道的影響并測量了“深度撞擊”造成的撞擊坑。正在進(jìn)行的小行星采樣返回任務(wù)——“歐西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）也曾對影響小行星軌道的雅科夫斯基效應(yīng)進(jìn)行了測量。然而，之前的探測活動重點在于科學(xué)探測，“深度撞擊”主要目標(biāo)是通過釋放拋射物對彗星撞擊使其露出彗核，從而詳細(xì)了解彗核物理特性，而對于撞擊產(chǎn)生的影響，特別是對于小天體軌道的影響僅獲得了非常有限的信息?！吧疃茸矒簟比蝿?wù)僅試驗了動能撞擊技術(shù)，而未針對動能撞擊在行星防御領(lǐng)域的作用和效能進(jìn)行深入研究。

撞擊雙星實現(xiàn)微小變化觀測

DART任務(wù)是一項低成本小型任務(wù)，航天器結(jié)構(gòu)簡單，并且能力有限，但通過巧妙設(shè)計使地基設(shè)施能夠直接觀測到小行星軌道的微小變化。動能撞擊的機(jī)理是使小行星環(huán)繞太陽的軌道發(fā)生變化，進(jìn)而偏離撞擊地球的軌道，從而緩解小行星撞擊地球的威脅。然而由于小行星質(zhì)量非常大，數(shù)百千克的航天器高速撞擊也只能產(chǎn)生mm/s至cm/s的速度增量，對小行星環(huán)繞太陽軌道的即時影響非常小，測量這種微小變化極具挑戰(zhàn)性。DART為克服這一困難，選擇撞擊雙小行星系統(tǒng)的較小天體，其環(huán)繞主天體的軌道速度僅為每秒數(shù)十厘米，動能撞擊產(chǎn)生的速度增量可以產(chǎn)生大于7min的軌道周期變化，可以非常容易地由地基設(shè)施進(jìn)行測量，以評估DART撞擊的有效性。

先進(jìn)光學(xué)導(dǎo)航實現(xiàn)精準(zhǔn)撞擊

DART將借助光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)DRACO和復(fù)雜的自主導(dǎo)航軟件，在距離地球1.1×107km處實現(xiàn)對直徑約160m目標(biāo)小行星的精準(zhǔn)撞擊。利用數(shù)十年的導(dǎo)彈制導(dǎo)專業(yè)知識，APL開發(fā)了“小型機(jī)動自主實時導(dǎo)航”（SMART Nav）算法，以自主引導(dǎo)航天器飛向目標(biāo)。在DART撞擊前的幾小時，DRACO就將提供8×104km以外的目標(biāo)信息，SMART Nav將使用來自DRACO的圖像識別和區(qū)分Dimorphos與Didymos，而傳統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)只能在距離目標(biāo)15km左右時獲得目標(biāo)信息。DART將完全自主地跟蹤目標(biāo)天體，執(zhí)行軌道機(jī)動，調(diào)整航天器軌跡以確保與目標(biāo)天體的撞擊。SMART Nav將在APL開發(fā)的基于“現(xiàn)場可編程門陣列”（FPGA）的創(chuàng)新型小型航空電子設(shè)備上運(yùn)行。

試驗驗證多項新型航天技術(shù)

DART不僅在任務(wù)層面驗證動能撞擊器技術(shù)，還將驗證多項新型航天技術(shù)。除了驗證先進(jìn)的光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)之外，DART在推進(jìn)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)方面均試驗了創(chuàng)新技術(shù)。推進(jìn)系統(tǒng)采用了NASA與航空噴氣洛克達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）開發(fā)的新一代太陽能電推進(jìn)系統(tǒng)，相比于NASA此前使用的系統(tǒng)，NEXT-C提高了比沖、推進(jìn)劑效率以及操作靈活性，后續(xù)的“新疆域”（New Frontier）和“發(fā)現(xiàn)”（Discovery）任務(wù)將受益于這項技術(shù)的發(fā)展。能源系統(tǒng)采用在“國際空間站”上試驗成功的ROSA，相比于傳統(tǒng)太陽能電池陣列更輕、更緊湊，DART將是首個利用這種新型太陽能電池陣列的航天器。并且ROSA的一小部分將配備APL開發(fā)的“變革型太陽能電池陣列”（Transformational Solar Array），該陣列具有非常高效的太陽能電池和反射聚光器，提供的功率是當(dāng)前太陽能電池陣列技術(shù)的3倍。通信系統(tǒng)采用新型徑向線槽陣列，這種低成本、高增益的天線能夠以緊湊的平面形式實現(xiàn)高效通信，以3Mbit/s的速度將圖像傳回地球，從而能夠在撞擊前的最后17s內(nèi)至少拍攝、處理和傳輸一張圖像。

多方參與以最大化任務(wù)效能

DART任務(wù)在計劃層面、任務(wù)層面、科學(xué)研究層面均引入了大量的參與者，從而最大化任務(wù)在國際合作、引領(lǐng)創(chuàng)新方面的作用。計劃層面，DART與歐洲的Hera任務(wù)共同構(gòu)成“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評估”國際合作計劃，兩者的探測將促進(jìn)行星防御知識的擴(kuò)展。任務(wù)層面，DART將攜帶意大利提供的立方體衛(wèi)星，以提供近距離的觀測。同時，DART航天器攜帶的各項創(chuàng)新技術(shù)中有著大量美國院校以及企業(yè)的參與?？茖W(xué)研究層面，DART更是尋求全球各地的觀測者參與，世界各地的多個天文臺將共同觀測這一動能撞擊產(chǎn)生的影響。聯(lián)合觀測不僅可以降低惡劣天氣以及設(shè)備故障的風(fēng)險，還可以增強(qiáng)美國在行星防御領(lǐng)域的影響力，促進(jìn)世界各地科學(xué)家和工程師尋求通過國際合作解決與行星防御的相關(guān)問題。

4 小結(jié)

根據(jù)當(dāng)前的觀測與預(yù)報結(jié)果，百年之內(nèi)并不存在較大的小天體撞擊地球的威脅，行星防御活動本身的迫切性并不高。然而，由于這是一項全人類面臨的重大威脅，與應(yīng)對氣候變化類似，開展行星防御活動有著巨大的政治影響和外交作用。在解決人類生存問題上領(lǐng)導(dǎo)相關(guān)活動，是引領(lǐng)全球規(guī)則體系的重要一環(huán)，因此美國在行星防御活動方面一直非常積極，主導(dǎo)了全球的小天體監(jiān)測活動，并實施全球首次近地天體撞擊防御技術(shù)試驗任務(wù)。美國一直將小天體定位為新技術(shù)試驗的絕佳場所，其過去的小天體探測任務(wù)均為小型任務(wù)，在進(jìn)行科學(xué)探測的同時試驗了大量設(shè)計方案和新型技術(shù)。DART任務(wù)在開展時就非常注重創(chuàng)新技術(shù)的試驗驗證，多項技術(shù)試驗將為未來任務(wù)提供更強(qiáng)的能力。與此同時，DART任務(wù)還是合作方面的典型案例，盡管航天器主體的研制基本全部由美國完成，但在計劃層面、任務(wù)層面、科學(xué)研究層面均引入了大量國際合作伙伴以及國內(nèi)院校和企業(yè)，不僅增強(qiáng)了美國在行星防御的影響力，而且有助于牽引美國創(chuàng)新實力的提升。