宋光明,武強,陳川,龔自正,張品亮,曹燕,楊武霖

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)

1 引言

小行星是指圍繞太陽運行,尺寸在1m～800km內(nèi) (體積和質(zhì)量比行星和矮行星小),且不易釋放出氣體和塵埃的天體[1]。近地小行星 (NEA)是指軌道能夠進入地球附近的小行星。由小行星的軌道根數(shù),定義近日點距離q小于1.3 AU(1AU=1.496×108km)的小行星為近地小行星。

根據(jù)來自加州理工大學(xué)噴氣推進實驗室(JPL)近地物體研究中心的數(shù)據(jù)顯示[2],截至2021年7月25日,共發(fā)現(xiàn)編目近地小行星26243個,其中尺寸在140m以上的近地小行星9732個,尺寸在1km以上的近地小行星889個。如圖1所示。

圖1 已發(fā)現(xiàn)編目近地小行星數(shù)量(數(shù)據(jù)來源:JPL,2021.7.25)[2]Fig.1 Catalogued near Earth asteroids

近地小行星存在與地球相撞的風(fēng)險,相對撞擊速度可達15～75km/s[1]。如此高的相對撞擊速度可對地面造成災(zāi)難性后果,空爆或直接撞擊地表產(chǎn)生的沖擊波和熱輻射會對地面人員、建筑物等設(shè)施造成損傷,大尺寸近地小行星還可能引起地震或者海嘯等地質(zhì)災(zāi)害,進而引發(fā)一系列的次生災(zāi)害,形成大范圍的災(zāi)難,甚至引發(fā)全球范圍的生物滅絕[3]。

歷史上已經(jīng)多次發(fā)生近地小行星撞擊地球事件[4-6],由此引發(fā)的災(zāi)難性后果已經(jīng)引起國際社會的廣泛關(guān)注。美國和歐洲等航天研究機構(gòu)紛紛就如何應(yīng)對近地小行星撞擊地球開展了深入研究,在監(jiān)測預(yù)警[7,8]、在軌處置[9,10]、災(zāi)害評估與應(yīng)對[11-13]等方面開展了大量的工作。其中,在軌處置是指通過航天器在軌作用,將近地小行星偏轉(zhuǎn)出撞擊地球軌道或者摧毀破壞其結(jié)構(gòu),從而消除對地球的威脅。在軌處置直接作用于近地小行星,是應(yīng)對近地小行星撞擊地球問題的關(guān)鍵。目前美國和歐洲航天機構(gòu)已經(jīng)提出了多種在軌處置技術(shù),獨立或者合作開展了多項在軌處置任務(wù)可行性研究[14-16],研發(fā)了功能較為完善的在軌處置任務(wù)分析與設(shè)計仿真平臺,在此基礎(chǔ)上正在合作實施首個工程化技術(shù)在軌演示驗證任務(wù)——“小行星撞擊和偏轉(zhuǎn)評估” (AIDA)任務(wù)[16],以驗證動能撞擊在軌處置技術(shù)。

近年來,我國多次發(fā)生近地小行星進入大氣層的火流星或空爆事件,其中2014年11月5日在我國內(nèi)蒙古錫林郭勒盟地區(qū)、2017年10月4日在我國云南香格里拉、2018年6月1日在我國云南西雙版納、2020年12月23日在我國青海玉樹接連發(fā)生火流星事件,所幸都未造成人員傷亡。最近的一次發(fā)生在2021年7月7日凌晨,我國臺灣地區(qū)上空出現(xiàn)火流星,巨型火球劃過夜空,連續(xù)多次的爆閃使得夜空宛如白晝。一系列的火流星和空爆事件引起了我國政府部門和公眾對近地小行星撞擊地球問題的廣泛關(guān)注。值得一提的是,2021年4月24日,在 “中國航天日”開幕啟動儀式上,國家航天局局長張克儉透露中國航天未來將論證建設(shè)近地小行星防御系統(tǒng),這標(biāo)志著我國將正式啟動應(yīng)對近地小行星威脅的系統(tǒng)研究。

雖然近年來有關(guān)近地小行星撞擊地球的威脅問題已經(jīng)得到了我國的廣泛關(guān)注,但是由于我國在相關(guān)領(lǐng)域起步晚,基礎(chǔ)研究條件薄弱,因此與國外相比差距很大。國內(nèi)對于近地小行星在軌處置問題的研究還處于概念的可行性研究階段,公開的文獻中對動能撞擊技術(shù)[17-19]、動能撞擊任務(wù)算法與軌道設(shè)計[20,21]、核爆技術(shù)[22]、少量的中長期作用防御技術(shù)[23,24]和創(chuàng)新性的方案和概念設(shè)計[25,26]等方面開展了初步的概念性研究?，F(xiàn)階段我國還沒有公開發(fā)布的專門在軌處置任務(wù)分析與設(shè)計軟件工具,無法滿足我國未來近地小行星在軌處置的工程任務(wù)分析與設(shè)計需求。

近地小行星在軌處置任務(wù)分析與設(shè)計軟件集成了近地小行星在軌處置任務(wù)設(shè)計過程中所涉及的近地小行星撞擊風(fēng)險評估、潛在危險近地小行星應(yīng)對與處置策略制定、任務(wù)后處置效果評估等關(guān)鍵內(nèi)容,是開展近地小行星在軌處置任務(wù)方案設(shè)計不可或缺的分析與設(shè)計工具。美國與歐洲在開展在軌處置相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究的基礎(chǔ)上均研發(fā)了相關(guān)的軟件工具,有力支撐了其在軌演示驗證任務(wù)的順利實施。本文通過分析綜述國外在近地小行星在軌處置任務(wù)分許與設(shè)計軟件相關(guān)領(lǐng)域的研究進展,希望能夠為我國發(fā)展自主的分析與設(shè)計工具提供一定的參考和借鑒。

2 國外近地小行星在軌處置任務(wù)分析與設(shè)計軟件

國外近地小行星在軌處置任務(wù)分析與設(shè)計軟件的開發(fā)是在現(xiàn)有深空任務(wù)分析工具的基礎(chǔ)上,結(jié)合在軌處置任務(wù)需求逐漸有針對性地發(fā)展而來。軟件的開發(fā)經(jīng)歷了由通用軟件工具向?qū)I(yè)軟件工具、由初步算法到完善的軟件平臺的發(fā)展過程。

2.1 通用深空任務(wù)軌道設(shè)計軟件工具

早期由于沒有專門的在軌處置任務(wù)分析工具,研究者們只能基于現(xiàn)有的深空任務(wù)軌道設(shè)計工具,充分利用其軌道優(yōu)化設(shè)計等功能,開展初步的任務(wù)分析與設(shè)計研究。被較多應(yīng)用于近地小行星在軌處置任務(wù)分析與設(shè)計的通用分析軟件主要有以下幾種[27,28]。

(1)哥白尼 (COPERNICUS)軌道優(yōu)化設(shè)計軟件

COPERNICUS最初由得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校在約翰遜航天中心的技術(shù)指導(dǎo)下開發(fā),是一個通用的軌道設(shè)計和優(yōu)化程序,允許用戶使用約束、優(yōu)化變量和成本函數(shù)對簡單到復(fù)雜的任務(wù)建模。COPERNICUS可以用來模擬復(fù)雜引力場中多個航天器的點質(zhì)量簡單脈沖機動和多個有限脈沖機動。

(2)最優(yōu)軌道隱式模擬 (OTIS)軌道分析軟件

OTIS程序是由美國國家航空航天局 (NASA)格倫研究中心和波音公司共同開發(fā)的。OTIS以其原始的隱式積分方法命名,但包含顯式積分和解析傳播的功能。早期版本的OTIS主要是運載火箭軌道和分析程序,經(jīng)過程序更新,后期版本可以進行穩(wěn)健和精確的星際任務(wù)分析,包括低推力軌道。

(3)Mystic任務(wù)設(shè)計軟件

Mystic由噴氣推進實驗室 (JPL)開發(fā),使用靜態(tài)/動態(tài)最優(yōu)控制 (SDC)方法來進行非線性優(yōu)化。該軟件可以分析星際任務(wù)以及復(fù)雜引力場中以行星為中心的任務(wù)。Mystic的優(yōu)勢之一是它能夠自動找到并使用引力輔助,還允許用戶計劃航天器的運行和導(dǎo)航活動。任務(wù)輸入和后處理可以使用基于MATLAB的GUI進行。

(4)GMAT(General Mission Analysis Tool)通用任務(wù)分析軟件

通用任務(wù)分析工具 (GMAT)由NASA戈達德航天飛行中心開發(fā),是一個空間軌道優(yōu)化和任務(wù)分析系統(tǒng)。分析人員使用GMAT設(shè)計航天器軌道,優(yōu)化機動,可視化和傳達任務(wù)參數(shù),并了解任務(wù)交互空間。除了許多任務(wù)分析系統(tǒng)所共有的特性之外,GMAT相比其他軟件的主要優(yōu)勢是GMAT的多功能性。它的腳本功能很容易使用和編輯,不需要計算機語言知識。而且,它的MATLAB插件功能允許用戶根據(jù)不同的任務(wù)擴展個性化功能。

綜上所述,通用深空任務(wù)軌道設(shè)計軟件工具并不專用于近地小行星在軌處置任務(wù)分析與設(shè)計,在沒有專門的近地小行星在軌處置任務(wù)分析設(shè)計軟件時,可借助這些工具開展輔助的設(shè)計研究,不過由于軟件功能與任務(wù)需求之間不完全匹配,因而使得整個任務(wù)設(shè)計過程效率低下。

2.2 任務(wù)前設(shè)計過程算法[29]

最初專門開發(fā)的用于近地小行星在軌處置任務(wù)設(shè)計的程序主要是一個任務(wù)前設(shè)計軟件工具,用于超高速小行星攔截器 (HAIV)[30]處置威脅地球的小行星。任務(wù)前設(shè)計過程算法由美國愛荷華州立大學(xué)于2012年開發(fā)完成,它由幾個函數(shù)和計算幾個初步設(shè)計變量的子程序組成。程序假設(shè)HAIV由一個主航天器和跟隨器組成,攜帶一個用于穿透地下爆炸任務(wù)的核爆炸裝置 (NED)。該算法利用HAIV總線和NED有效載荷的質(zhì)量、到達目標(biāo)近地天體任務(wù)所需的ΔV或C3,以及待分析的運載火箭類別等信息,計算運載火箭的有效載荷容量、任務(wù)細(xì)節(jié),并分析解決方案。圖2提供了任務(wù)前設(shè)計過程算法的流程圖。

圖2 任務(wù)前設(shè)計過程算法流程圖[29]Fig.2 Pre-mission design process algorithm flow chart

2.3 NASA/JPL近地小行星偏轉(zhuǎn)應(yīng)用程序[31]

基于網(wǎng)絡(luò)的近地小行星偏轉(zhuǎn)應(yīng)用程序由美國航空航天公司開發(fā),目前該應(yīng)用程序?qū)婇_放,公開于NASA/JPL近地小行星研究中心網(wǎng)站(https://cneos.jpl.nasa.gov/),線上工具的界面如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò)工具主要面向教育目的,旨在向公眾闡明近地小行星偏轉(zhuǎn)問題,提高公眾對近地小行星未來潛在威脅的認(rèn)識,并幫助評估可能的緩解辦法。該線上分析工具允許用戶以交互方式預(yù)測給定一組近地小行星特征參數(shù),以及各種減緩任務(wù)設(shè)計參數(shù),計算在現(xiàn)有和設(shè)想的發(fā)射能力下所能達到的相對地球偏移量。該線上工具功能正在逐漸完善,允許用戶改變?nèi)魏卧O(shè)計參數(shù),以達到更好的偏移量性能,并確定完成偏轉(zhuǎn)目標(biāo)所需的任務(wù)數(shù)量。

圖3 NEO行星防御線上工具界面[31]Fig.3 NEO planetary defense on-line tool interface

2.4 小行星任務(wù)設(shè)計軟件工具 (AMiDST)[32,33]

在任務(wù)前設(shè)計算法開發(fā)的基礎(chǔ)上,AMiDST整合了現(xiàn)有算法的所有元素,并對其進行了擴展。圖4給出了AMiDST軟件的分析流程圖。設(shè)計工具從分析預(yù)先確定的目標(biāo)近地小行星清單開始,以便為個人選定的近地小行星設(shè)計任務(wù),或為個人選定的近地小行星建立自定義任務(wù)設(shè)計。對于預(yù)先確定的近地小行星目標(biāo)清單,該軟件遵循先前所述的任務(wù)前設(shè)計算法來分析所有的發(fā)射配置,并在確定用于進一步設(shè)計和分析的任務(wù)架構(gòu)之前納入估計的任務(wù)成本。

圖4 AMiDST軟件分析流程圖[32]Fig.4 AMiDST Software analysis flow chart

對于定制任務(wù)設(shè)計,用戶首先輸入目標(biāo)近地小行星和近地軌道出發(fā)半徑的信息。然后在兩種用于任務(wù)的航天器中進行選擇,即HAIV概念航天器或動能撞擊器 (KI)。對于HAIV航天器,有關(guān)主航天器、跟隨器和NED的質(zhì)量信息是從用戶處獲得的,而在KI航天器的情況下,則需要衛(wèi)星的總質(zhì)量。在這兩種情況下,用戶都會被提示在三種任務(wù)類型之間做出選擇:直接攔截、以10km/s的相對速度直接攔截或交會。然后,軟件工具加載適當(dāng)?shù)南吕藛螆D,顯示所需的總?cè)蝿?wù)ΔV,用戶可以根據(jù)需要選擇任意多個設(shè)計點,從而得到一組發(fā)射日期和任務(wù)持續(xù)時間。考慮到發(fā)射日期和任務(wù)持續(xù)時間,地球與目標(biāo)近地天體之間的轉(zhuǎn)移軌道完全由蘭伯特 (Lambert's)問題決定,允許分析任務(wù)的可能發(fā)射配置及其估計的任務(wù)成本,并進行比較,得出每個給定任務(wù)的首選發(fā)射配置。軟件提供所得到的HAIV或KI航天器的飛行軌道與到達撞擊角。由于HAIV設(shè)計的目的是徹底摧毀近地小行星,因此軟件任務(wù)設(shè)計不跟蹤剩余小行星碎片的軌道,但是,對于KI航天器來說,受到撞擊擾動的近地小行星軌道會出現(xiàn)擾動,任務(wù)設(shè)計將對比觀察,比較在施加脈沖擾動后軌道與原軌道的變化。

該軟件工具相比其他軟件最大的特點和優(yōu)勢,是考慮了諸如任務(wù)成本等的工程約束條件?？紤]工程約束條件的任務(wù)分析與設(shè)計軟件可以為在軌處置任務(wù)的工程化實施提供強大的技術(shù)支撐。

2.5 端到端近地小行星威脅減緩軟件[34,35]

端到端近地小行星威脅減緩軟件由Elecnor Deimos公司開發(fā),開發(fā)過程由歐空局 (ESA)于2012年實施的NEOShield[15]工程支持。該軟件旨在建立一套完整的工具來全面評估為防止近地小行星對地球的撞擊而可以采取的撞擊風(fēng)險減緩行動,并幫助確定空間飛行任務(wù)的規(guī)模。該軟件最大的特點是提供了從撞擊風(fēng)險評估、軌道計算、不同在軌處置手段或其組合的任務(wù)設(shè)計,提供了從任務(wù)開始到結(jié)束的 “端到端”軟件工具。該軟件在開展任務(wù)設(shè)計時簡化了工程約束條件的影響。

該軟件由三部分組成,分別為確定近地小行星是否與地球相撞的近地小行星撞擊風(fēng)險評估工具 (NIRAT)、計算所需的近地小行星偏轉(zhuǎn)的近地小行星偏轉(zhuǎn)評估工具 (NEODET)、評估可能的減緩空間任務(wù)的設(shè)計特點的風(fēng)險減緩策略評估工具 (RIMISET)工具。

(1)近地小行星風(fēng)險評估工具-NIRAT

近地小行星撞擊風(fēng)險評估工具 (NIRAT)是一款旨在識別未來可能來自近地小行星的碰撞威脅的軟件。

當(dāng)一顆新的小行星被發(fā)現(xiàn)并對其軌道進行估計時,軌道確定解的精度可能存在相關(guān)的不確定性。這意味著近地小行星軌道的實際演變可能會大大偏離參考解。如果存在其他行星擾動,它們可能會擴大不確定性區(qū)域的規(guī)模,從而可能會增加撞擊地球的風(fēng)險。因此,為了確定可能與地球相撞的軌道并提供風(fēng)險的統(tǒng)計評估,盡可能多的評估與不確定性域兼容的不同軌道是至關(guān)重要的。

目前最先進的小行星軌道確定和碰撞風(fēng)險監(jiān)測工具是CLOMON2,該工具由比薩大學(xué)和其他機構(gòu)共同管理。該軟件的NIRAT功能并不是要實現(xiàn)與CLOMON2相同的精度和完整性,而是旨在通過簡單的算法,在用戶干預(yù)最少的情況下,評估未來可能撞擊的風(fēng)險,提供一個快速評估工具以支持撞擊減緩任務(wù)的系統(tǒng)級研究。

(2)近地小行星偏轉(zhuǎn)評估工具-NEODET

軟件中的第二個工具NEODET,專注于探索一顆小行星在可能的偏轉(zhuǎn)任務(wù)中的軌道動力學(xué)約束,該小行星此前已被NIRAT認(rèn)定為威脅。該工具支持兩種不同類型的偏轉(zhuǎn)嘗試:

①脈沖問題:小行星在位置不變的情況下,速度幾乎瞬時變化。這種情況可以模擬動能撞擊器的撞擊或者核爆炸。

②連續(xù)問題:在一段時間內(nèi)施加的力,施加時間與近地小行星軌道周期相比無法忽略。例如引力牽引方法和離子束偏轉(zhuǎn)方法等。

在每種情況下,工具程序都允許對偏轉(zhuǎn)擾動的正問題或反問題進行評估。在前者中,輸入包含對引入擾動的描述 (例如,對于脈沖問題,賦予Δv),而輸出是相關(guān)的b平面偏轉(zhuǎn)。而對于反問題,輸入是期望的b平面位移,輸出是產(chǎn)生所需偏轉(zhuǎn)的最佳擾動。

(3)風(fēng)險減緩策略評估工具-RIMISET

該軟件中的最后一個工具RIMISET,旨在評估不同處置方法在特定偏轉(zhuǎn)情況下的性能,并比較其結(jié)果。每種處置方法都提供了有關(guān)近地小行星的信息、其軌道、從地球到達它的可用運載以及其他特定方法有關(guān)的信息。該工具的程序允許定義兩個不同的問題,每個問題都有一組不同的優(yōu)點:

①正問題。在這種情況下,處置方法被限定地球逃逸質(zhì)量,輸出任務(wù)可達到的最大偏轉(zhuǎn)效果?；诿}沖偏轉(zhuǎn)的處置方法輸出最大的Δv;連續(xù)偏轉(zhuǎn)處置方法輸出可持續(xù)的最長推力時間Tp。

②反問題。即設(shè)定這些處置方法在近地小行星上產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn),輸出滿足要求的任務(wù)的最小地球逃逸質(zhì)量。

這種軟件設(shè)計理念中各工具是互補的。例如NEODET是從軌道力學(xué)的角度計算了如何使一個有威脅的近地小行星偏轉(zhuǎn),換言之,NEODET量化了偏轉(zhuǎn)要求,而RIMISET則評估了實際產(chǎn)生此類偏轉(zhuǎn)的處置方法的性能。與該軟件中的其他工具不同,RIMISET沒有軌道積分計算能力,它依賴于其他工具的數(shù)據(jù),專注于處置方法的實施。三個工具功能之間的有機結(jié)合形成了完整的近地小行星在軌處置任務(wù)分析與設(shè)計能力。該軟件功能完整,涵蓋了從撞擊風(fēng)險評估到處置后效果分析的在軌處置一整套完整流程,不過該軟件最大的缺陷在于軟件算法程序開發(fā)的過程中簡化了工程約束條件的影響,因而限制了該軟件的進一步工程應(yīng)用。

3 結(jié)語

綜上所述,近幾十年來,為應(yīng)對近地小行星撞擊地球的威脅問題,美國和歐洲等航天研究機構(gòu)紛紛開發(fā)了多個專門用于近地小行星在軌處置任務(wù)設(shè)計的軟件工具。但目前這些軟件的功能均不夠完善,或不具有端到端的全周期在軌處置任務(wù)設(shè)計與分析能力,或未考慮工程約束條件,因此有待于對軟件功能的進一步開發(fā)完善。

通過對國外近地小行星在軌處置任務(wù)設(shè)計與分析軟件的研究,可以看出其發(fā)展過程具有如下趨勢:

(1)由通用化的深空軌道任務(wù)設(shè)計分析工具向?qū)I(yè)化的能夠滿足近地小行星在軌處置任務(wù)的分析工具發(fā)展;

(2)由初具在軌處置任務(wù)設(shè)計功能的算法開發(fā)向近地小行星在軌處置全流程任務(wù)分析軟件發(fā)展;

(3)由忽略各種工程約束條件的簡化的分析向充分考慮工程約束條件的分析工具發(fā)展。

未來隨著我國近地小行星防御系統(tǒng)建設(shè)的深入推進,必將開展類似AIDA任務(wù)的近地小行星在軌處置技術(shù)在軌演示驗證,然而國外軟件對我國實施封鎖禁運,我國目前無法通過借助國外軟件開展任務(wù)分析與設(shè)計。為了能夠為我國近地小行星在軌處置任務(wù)的工程實施提供堅實支撐,開發(fā)考慮工程約束條件的 “端到端”在軌處置任務(wù)全周期設(shè)計分析軟件將是我國自主發(fā)展的必然選擇。