顧征, 韓承志, 黃翔宇, 張熇*
(1. 北京空間飛行器總體設計部, 北京 100094; 2. 北京控制工程研究所, 北京 100094)
近地小行星、 彗星等是太陽系形成和早期演化過程中的“化石”, 相關特性可以反映太陽系早期物質(zhì)狀態(tài)和形成過程, 具有極高的科學價值, 但同時也存在撞擊地球給生態(tài)環(huán)境帶來極大破壞的風險。 因此其作為天文學及行星科學重點研究對象的同時, 也是人類文明發(fā)展的潛在威脅。 目前開展編目的近地小行星約2.8 萬顆, 約占總量的1%, 直徑超過140m 以上的占比近一半, 平均每2 萬年光顧地球一次, 與地球生命的存亡息息相關。 考慮到未編目的近地小行星數(shù)量更為龐大, 其潛在撞擊風險遠大于目前已掌握情況。 面對小行星撞擊風險, 學者提出了多種消除或降低風險的策略: 包括動能撞擊、 核爆等的短時作用手段, 以及引力牽引、 激光燒蝕驅(qū)動、 附著推離、 太陽光壓、 質(zhì)量驅(qū)動、 離子束推離等長期作用手段[1—4]。 從表1 分析可見在諸多技術途徑中, 動能撞擊成熟性高、 技術簡單、 靈活性強、 效果明顯, 是當前在軌處置技術的首選方案。
表1 不同類型防御手段比較分析Table 1 Comparative analysis of different types of defense means
20 世紀90 年代開始, 美歐等國開始研究小行星防御, 并開展“近地天體觀測計劃”、 “雙小行星重定向測試” (DART) 任務等。 2018 年特朗普簽發(fā)《國家近地天體應對戰(zhàn)略及行動計劃》,明確在十年內(nèi)發(fā)展近地小行星偏轉(zhuǎn)和摧毀技術等任務。 歐洲依托“地平線2020” 資助, 提出了近地天體防護盾任務概念, 該任務計劃對小行星實施撞擊, 并計劃通過測量小行星受撞擊前后的軌道變化來評估撞擊的效能; 美國愛荷華州立大學小行星偏轉(zhuǎn)研究中心提出了“編隊動能撞擊” 和“核爆+動能撞擊” 的攔截器設計概念任務; 美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室提出了多級動能撞擊概念任務。 在這些任務中付諸工程實踐的, 只有DART 任務。 此外美 國 實施的 “深 度撞擊”(Deep Impact) 科學探測任務實現(xiàn)了動能撞擊防御的相關技術驗證。
DART 是國際上首次以行星防御為目標的試驗任務, 是美歐合作的“小行星撞擊與偏移評估” (AIDA) 計劃的一部分, 通過動能撞擊改變小行星運行軌道, 以建立撞擊防御能力, 并以此評估動能撞擊的防御效果, 任務概念如圖1 所示。
圖1 DART 任務概念圖Fig.1 DART mission concept
(1) 任務設計
直接撞擊小行星對其環(huán)繞太陽軌道的即時影響非常小, 難以觀測。 因此DART 選擇撞擊雙小行星系統(tǒng)中的較小天體, 借助光變周期變化開展撞擊效果研究。 DART 任務選擇的最終目標為“迪蒂莫斯” 雙小行星系統(tǒng), “迪蒂莫斯”-A(Didymos A) 直徑約780m, “迪蒂莫斯” -B (也被稱為Dimorphos 或moonlet) 直徑約160m。 “迪蒂莫斯”-B 環(huán)繞“迪蒂莫斯”-A 運行, 兩者相距約1km。
DART 探測器以6.6km/s 的速度撞擊“迪蒂莫斯” 系統(tǒng)中較小的“迪蒂莫斯”-B, 使雙小行星軌道周期至少變化約73s, 為實現(xiàn)高質(zhì)量的地基觀測并開展評估, 撞擊選擇在“迪蒂莫斯”-B距離地球約1.1×107km 時進行, 口徑低至1m 的地基望遠鏡均可獲得觀測數(shù)據(jù)。
DART 任務于2021 年11 月24 日搭乘“獵鷹”-9 火箭從范登堡空軍基地發(fā)射。 2022 年9 月抵達距離地球1.1×107km 的“迪蒂莫斯” 小行星系統(tǒng)并撞擊。 軌道設計參數(shù)見表2, 為滿足DART與小行星交會時光學導航圖像效果, 交會相位角(太陽-目標-探測器的夾角) 不超過60°, 同時探測器相對小行星速度方向與Didymos 雙星系統(tǒng)相互繞轉(zhuǎn)軌道平面夾角不超過30°。
表2 DART 任務軌道設計參數(shù)Table 2 Orbit design parameters for DART
(2) 探測器方案
DART 探測器發(fā)射時總質(zhì)量約610kg, 撞擊時總質(zhì)量約為550kg。 主要結(jié)構為1.2m×1.3m×1.3m的立方體, 如圖2 所示。 探測器攜帶一顆意大利航天局(ASI) 研制的立方星(LICIA), 以掠飛拍攝撞擊過程[5]。
圖2 DART 探測器構型圖Fig.2 Detector configuration of DART
探測器配置一臺光學導航相機(DRACO),采用208mm 孔徑的Ritchey-Chretien 望遠鏡, 焦距12.6mm, 視場角0.29°×0.29°, 分辨率為0.5 弧秒/像素, 在撞擊前17s 預計分辨率可達到0.5m/像素。
探測器配置2 副卷式太陽電池陣(ROSA)為其電推進系統(tǒng)提供能源。 通信系統(tǒng)采用X 頻段, 配置2 個半球狀低增益天線和1 個用于高增益通信的新型 “徑向線槽天線” (RLSA), 以3Mbit/s 的速度將圖像傳回地球。 探測器配置8 臺推力0.9N 的化學推力器, 攜帶50kg 聯(lián)氨推進劑用于航天器軌道機動和姿態(tài)控制, 并配置1 臺商業(yè)離子推進器(NEXT-C), 攜帶60kg 氙氣用于軌道轉(zhuǎn)移[6,7]。
(3) 撞擊觀測
北京時間2022 年9 月27 日7 點14 分, DART任務探測器準確撞擊了“迪蒂莫斯” -B 小行星,其釋放的立方星掠飛拍攝撞擊過程影像見圖 3,由于飛行速度較快成像效果有限, 難以開展撞擊前后小行星地形地貌的變化分析。 “詹姆斯·韋伯” “哈勃” 等太空望遠鏡, “露西” 小行星探測器和全球30 余臺地面望遠鏡對撞擊過程的監(jiān)測顯示, 撞擊產(chǎn)生了大量濺射物, 雙星系統(tǒng)的亮度瞬間增加10 倍以上, 表明撞擊試驗取得成功(見圖 4), 后續(xù)“哈勃” 等望遠鏡將對撞擊后雙小行星繞轉(zhuǎn)周期改變量進行持續(xù)監(jiān)測和評估。
圖3 立方星飛掠過程中拍攝的撞擊圖像Fig.3 An image of the impact during the Cubesat flyby
圖4 撞擊前(左) 和撞擊后(右) 地面觀測圖像Fig.4 Ground observations before (left)and after (right) impact
在DART 撞擊之前, 子星“迪蒂莫斯” -B 圍繞主星 “迪蒂莫斯” -A 運行一圈的時間為11h55min。 根據(jù)觀測數(shù)據(jù)分析, 撞擊后“迪蒂莫斯”-B 圍繞 “迪蒂莫斯”-A 軌道周期改變了約32min, 從11h55min 縮短到11h23min, 不確定度范圍約為±2min[8]。
除此之外, 歐洲計劃于2024 年10 月發(fā)射“赫拉” (Hera) 任務, 該任務是由歐美合作AIDA 計劃的另一部分“小行星撞擊任務” (AIM) 演化而來, “赫拉” 任務在DART 任務撞擊小行星4 年后于2026 年抵達小行星 “迪蒂莫斯” -B, 對“迪蒂莫斯” 雙星小行星系統(tǒng)的軌道變化進行測量, 并對“迪蒂莫斯” -B 的大小和表面特征進行探測, 此外也將測量撞擊坑的大小和形態(tài)特征。
美國國家航空航天局(NASA) 在M.Neugebauer等人提出的“登陸彗星和伴飛小行星” (CRAF)概念設想基礎上, 提出了采用超高聲速撞擊的方式開展科學探測, 以探究彗星內(nèi)部結(jié)構及成分,幫助人們了解太陽系早期狀態(tài)[9—11]。 “深度撞擊”任務的實施為動能撞擊防御技術的發(fā)展奠定了基礎。
(1) 任務方案
撞擊彗星目標的選擇綜合考慮了發(fā)射能量(≤15km2/s2)、 接近相位角(<45°)、 接近速度(10 ~15km/s)、 地基觀測便利性(距離<1AU,距角>90°)、 與太陽距離(1.0~1.5AU)、 彗核尺寸(半徑≥2km) 等任務設計的諸多因素。 “坦普爾” 1 號彗星特征相對明確, 軌道傾角為10.5°、周期為5.5 年[12], 滿足任務各方面條件約束, 因此被確認為“深度撞擊” 的首選目標。
“深度撞擊” 任務探測器于2005 年1 月12日采用“德爾他” 2 三級運載火箭在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空, 進入與彗星同方向的順行軌道, 經(jīng)過6 個月4.3×108km的深空航行, 于2005 年7 月4 日接近 “坦普爾” 1 號彗星。 飛越器將370kg 銅制小型撞擊器送入撞擊彗星軌道, 撞擊器進行三次軌道微調(diào)修正以63°相位角飛向彗星, 釋放24h 后以約10.2km/s 的速度擊中直徑6km 彗星的彗核, 飛越器以“防護模式” 安全掠飛彗核并開展撞擊過程觀測[13,14]。 NASA 的 “哈 勃” 望 遠鏡 和“錢德拉” 望遠鏡也對彗星撞擊過程進行了持續(xù)觀測。 撞擊器沖向彗核的動能達到19GJ, 撞擊威力相當于4.5t TNT 爆炸, 撞擊瞬間彗星表面的細碎物質(zhì)以5km/s 的速度騰起, 對濺射物的分析表明其中含有細小冰晶體、 大量的二氧化碳以及有機物等物質(zhì)[15,16], 并且推測在彗核上將形成一個直徑約為100 ~200m (足球場大小)、 深度約25 ~30m 的坑[17]。
撞擊過程分為三個階段, 接近段 (approach)、 撞擊段 (encounter)、 回視段 (lookback)[18]如圖5 所示。 接近段將瞄準誤差降低至2km 以下。 撞擊段撞擊器釋放后, 兩器建立慣性導航基準開啟自主導航模式[19—22], 并建立S 波段通信; 撞擊器將光學敏感器瞄準彗星實施高速撞擊, 而飛越器則偏轉(zhuǎn)2’ (飛行軌跡將偏離彗核500km 以保證安全飛掠), 并減速100m/s 便于觀測撞擊過程, 此階段在撞擊前24h (釋放撞擊器)至撞擊后850s (飛越器與彗星達到最小距離)?;匾暥螠y定飛越器健康狀態(tài)、 傳送數(shù)據(jù)并持續(xù)開展彗星觀測。
圖5 “深度撞擊” 任務撞擊過程Fig.5 The impact of the Deep Impact mission
(2) 探測器方案
“深度撞擊” 探測器系統(tǒng)由飛越器(Flyby)和撞擊器(Impactor) 兩個獨立的航天器組成,系統(tǒng)總質(zhì)量為650kg, 尺寸為3.2m×1.7m×2.3m,如圖6 所示。 飛越器配置有直徑1m 的X 波段高增益天線、 S 波段低增益定向天線、 太陽電池陣及小型鎳氫電池組、 碎片防護裝置、 高分辨率成像儀(HRI) 和中分辨率成像儀(MRI), 外部裝有一個四邊形的“惠普爾防護罩”, 以屏蔽撞擊飛濺的彗星塵埃和流星體粒子。 撞擊器為六邊錐形結(jié)構, 由銅(49%) 和鋁(24%) 材料制成。采用銅質(zhì)材料是因為它容易與撞擊后的彗星合成物區(qū)分, 并能抵抗光學射線的損傷。
圖6 “深度撞擊” 探測器構型及組成Fig.6 Probe configuration and composition of Deep Impact
(3) 撞擊觀測
“深度撞擊” 任務飛越器高分辨率相機全程記錄撞擊發(fā)生過程如圖7 所示, 撞擊后的一段時間, 撞擊坑被塵埃遮蔽, NASA 科學家看不到撞擊后形成的撞擊坑。 2011 年“星塵” 探測器再次飛越“坦普爾” 1 號彗星, 撞擊點拍攝圖像顯示并沒發(fā)現(xiàn)預期對應的百米級大撞擊坑[23], 推測可能是撞擊坑隨時間發(fā)生潰散, 如圖8 所示。
圖7 “深度撞擊” 飛越器高分辨率相機拍攝撞擊過程影像Fig.7 The impact image taken from the Deep Impact's high-resolution camera
圖8 2005 年“深度撞擊” 探測器拍攝(左),2011 年“星塵” 探測器拍攝(右)Fig.8 The images taken by Deep Impact probe in 2005 (left) and the Stardust probe in 2011 (right)
由于撞擊過程中飛越器僅有大約800s 的觀測時間, 因此在任務實施前后及撞擊過程中, 大量地面及天基觀測設備參與其中(包括莫納亞克等15個天文臺以及“哈勃” 等5 臺空間望遠鏡)[24],觀測結(jié)果表明“坦普爾” 1 號彗星上有著典型的OH、 CN 和C2 組成比, 撞擊后噴出的塵埃與氣體化學成分顯示其上存在有機分子在內(nèi)的大量硅酸鹽, 因此彗核內(nèi)部存在大量含碳和氮的有機分子(包括氫氰酸、 乙腈、 冰和二氧化碳等), 但彗核表面粉狀物中卻沒有這些物質(zhì)。 彗星研究首席科學家艾赫恩認為“深度撞擊” 的發(fā)現(xiàn)為地球生命起源爭論提供了更豐富的支撐。
目前, 國際上僅美國實現(xiàn)撞擊技術的在軌實踐, 均采用“撞擊+掠飛觀測” 的任務形式, 在距離撞擊目標較近時, 撞擊器與觀測器分離, 觀測器掠飛觀測撞擊過程及實施科學探測。 “深度撞擊” 側(cè)重點在于科學探測, 通過撞擊彗星使其露出彗核, 從而詳細了解彗核物理特性, 但對于動能撞擊在行星防御領域的作用和效能未進行深入研究。 DART 任務驗證了動能撞擊改變小行星軌道的能力, 具有解除小行星對地球威脅的潛力, 目前該任務主要通過天、 地望遠鏡進行觀測評估軌道變化, 無法開展濺射物及撞擊坑形成過程評估, 難以全面系統(tǒng)地實現(xiàn)動能撞擊效果的評估。 雖然歐洲計劃實施“赫拉” 任務在DART 任務撞擊4 年后抵達“迪蒂莫斯” 雙小行星系統(tǒng)開展撞擊詳查, 但其缺乏撞擊前觀測數(shù)據(jù)以及撞擊過程中近距離演化過程觀測數(shù)據(jù), 仍然難以對撞擊效果開展系統(tǒng)、 全面、 精確的評估。
綜上所述, 可以得出以下結(jié)論: 一是采用動能撞擊是當前發(fā)展近地小行星處置技術的首選方案, 具有成熟度較高、 響應速度快等優(yōu)勢, 是建設和發(fā)展小行星防御能力的必經(jīng)之路, 也是應對小型預警目標、 實施干預的有效途徑之一; 二是“撞擊+掠飛觀測” 的任務形式在軌有效觀測時間短、 條件受限, 難以獲得全面、 高精度的在軌探測數(shù)據(jù); 三是依靠以地面為主的觀測開展撞擊效果評估成果有限, 對撞擊坑及其濺射物演化數(shù)據(jù)獲取有限, 由此難以對撞擊過程能量轉(zhuǎn)移規(guī)律進行研究; 四是提升在軌觀測能力, 開展近距離探測的天地聯(lián)合實時觀測是開展有效評估的首選途徑; 五是撞擊效果的系統(tǒng)性、 精確性評估是國際公認的技術難題。
因此國際上對于小行星防御的技術研究雖取得一定進展, 但整體上尚處于起步階段, 處置過程能量傳遞規(guī)律尚未完全掌握, 處置技術手段比較單一。 動能撞擊作為當前可實現(xiàn)的手段, 對小行星偏轉(zhuǎn)的改變能力較弱, 不足以應對未來真實防御環(huán)境下的多種需求。 但當前階段以動能撞擊手段為基礎, 系統(tǒng)開展動能撞擊防御處置技術驗證、 精確評估撞擊效能是應對小行星潛在威脅,構建防御體系的迫切需求。
考慮防御技術發(fā)展和精確評估需求, 深入研究撞擊過程小行星形貌演化及撞擊碎片噴射物演化, 精確評估撞擊軌道變化, 掌握撞擊過程跨超高速、 高速、 低速, 多相共存、 多物理場相互作用機理為未來部署和建立小行星防御系統(tǒng)的基石。 因此小行星撞擊防御演示驗證任務宜采用“撞擊+在軌實時伴飛觀測” + “地面協(xié)同觀測”的總體方案。 “在軌實時觀測” 包括撞擊前后探測以及撞擊過程探測, 主要針對小行星自身形貌變化、 成分及結(jié)構特點進行分析, 同時進行伴飛輔助定軌; 地面觀測也包括撞擊前、 撞擊時及撞擊后觀測, 主要測定小行星飛行軌道, 同時輔助觀測撞擊碎片云的整體變化。
撞擊目標小行星篩選需要遵循工程可實施性、 效果可測性, 同時滿足安全性的原則。
工程可實施性: 目標需相對地球距離適中,軌道傾角較小。 同時, 考慮單星軌道變化的測量周期, 小行星不宜過大, 以獲得較大的撞擊速度和軌道偏轉(zhuǎn)量。
效果可測性: 在任務實施前應當預留足夠時間對選定目標進行天文觀測, 同時在實施動能撞擊過程中有較好觀測條件和地面測控條件, 易于地基觀測、 天基觀測和聯(lián)合評估。
安全性: 需保證目標在被撞前和被撞后都不會對地球造成威脅, 因此存在撞擊風險的目標不應選為撞擊技術驗證任務的目標。
小行星撞擊防御演示驗證任務具有以下五個方面的特點及難點。
(1) 目標天體環(huán)境條件復雜且不確知
依靠當前地面設施能力, 對小行星特性認識十分有限, 先驗知識(如形狀、 自轉(zhuǎn)特性、 表面形態(tài)、 表面力學特性、 熱特性) 匱乏; 目標天體超高速撞擊過程中, 受到自轉(zhuǎn)特性影響, 會面臨小行星表面的明暗交替變化, 而在伴飛評估和探測過程中將面臨小行星表面高低溫交變、 表面特性不確定等復雜環(huán)境, 對導航控制、 任務規(guī)劃、熱控、 載荷等環(huán)節(jié)設計提出諸多挑戰(zhàn)。 在系統(tǒng)方案設計上, 要求具有更大的裕度和更高的魯棒性, 以適應目標不確定環(huán)境帶來的影響。
(2) 撞評結(jié)合的軌道設計難
要通過一次任務實現(xiàn)撞擊及觀測評估的結(jié)合, 需要采用雙探測器配置的一箭雙星方式發(fā)射。 觀測器與目標小行星交會捕獲, 到達時的相對速度盡可能小, 而撞擊器超高速撞擊小行星,到達時相對速度盡可能大。 此外, 觀測器需要早于撞擊器數(shù)月到達小行星, 以進行評估準備, 這些需求, 使得觀測器和撞擊器飛行軌道之間具有強耦合關系, 且部分需求互相制約, 大幅增加了軌道設計的難度和復雜性, 給軌道優(yōu)化設計帶來了較大的挑戰(zhàn)。
(3) 超高速撞擊精度要求高
為了使小行星產(chǎn)生能夠評估的速度改變, 必須采用超高速撞擊的方式來給小行星提供足夠大的動量, 撞擊速度高達每秒數(shù)千米, 而小行星尺寸僅為百米級以下, 要求撞擊精度高于10m。 地面對小行星軌道的觀測誤差達到200 ~1000km,無法直接支持精準撞擊, 撞擊器需要在一定距離下(一般為數(shù)十萬千米以上) 識別目標小行星,并進行相對目標小行星的自主導航, 因此撞擊器需具備暗弱目標識別與跟蹤、 精確導航和控制能力, 此外, 在撞擊前的高速飛行過程中, 要不斷地對撞擊點誤差進行快速修正, 需具備強機動能力, 這些都對撞擊器設計和實現(xiàn)提出了更高的要求。
(4) 撞擊效果精準評估難度大
由于撞擊器和小行星之間巨大的體量差異(質(zhì)量相差數(shù)萬倍), 但在每秒數(shù)千米撞擊的理想情況下, 僅能夠給小行星帶來厘米/秒級別的速度增量, 其引起的軌道位置變化在半年的觀測周期內(nèi)只有約幾百至幾千千米, 這相對于約1AU 的軌道半長軸來說是非常微小的, 如何在撞擊前后對小行星進行精確測軌, 實現(xiàn)軌道長期(半年以上) 的精準預報, 并利用撞擊后的地形變化和飛濺情況來反演撞擊效果, 是必須解決的難題。
(5) 超高速撞擊過程地面驗證難
在軌飛行過程中, 遠距離 (數(shù)十萬千米以上) 識別和跟蹤目標小行星, 并實施相對于目標小行星的自主導航, 通過不斷修正誤差, 最終實現(xiàn)精確撞擊, 整個過程中, 飛行速度快、 飛行距離長且撞擊結(jié)果與目標特性密切相關, 地面難以進行全物理驗證, 這對設計和仿真提出了更高的要求, 且需要研究縮比驗證、 分段驗證等多種驗證方法進行物理驗證, 確保設計結(jié)果可信。
與已有的地外天體撞擊任務“撞擊+掠飛觀測” 的任務形式不同, 在實現(xiàn)高精度撞擊的同時, 全面、 精確地評估撞擊效能是本文小行星撞擊防御演示驗證任務設計的核心思想, 因此提出“伴飛觀測+撞擊+伴飛觀測” 的任務形式進行方案設計, 包括小行星伴飛觀測、 小行星撞擊和小行星伴飛評估三個階段。 三個階段的任務分別由觀測器和撞擊器兩個探測器實現(xiàn), 觀測器需要早于撞擊器數(shù)月到達小行星。
具體如下: 通過一箭雙星發(fā)射觀測器和撞擊器, 兩器入軌分離, 以不同的軌道飛向撞擊目標。
觀測器從地球到小行星采用直接轉(zhuǎn)移軌道,經(jīng)深空機動和中途修正到達小行星后實施交會并開展數(shù)月科學探測, 包括伴飛定軌、 小行星地表三維觀測建模、 物質(zhì)成分探測以及內(nèi)部結(jié)構測量。 撞擊器與觀測器一起發(fā)射, 采用不同的直接轉(zhuǎn)移軌道, 途中進行深空機動和數(shù)次中途修正,撞擊器自主捕獲到小行星后, 采用自主導航控制策略實現(xiàn)與小行星的撞擊。 觀測器觀測和記錄撞擊過程, 對撞擊濺射物形成過程進行探測, 隨后開展伴飛定軌、 小行星地表三維觀測等工作, 并與撞擊前數(shù)據(jù)對比, 聯(lián)合地面觀測分析軌道變化、 撞擊坑演化等完成撞擊效能評估, 如圖 9所示。
圖9 小行星撞擊防御演示驗證任務“伴飛觀測+撞擊+伴飛觀測” 方案示意圖Fig.9 Schematic diagram of the asteroid impact defense demonstration and verification mission“accompanying observation+impact+accompanying observation”
為更好地開展撞擊效果評估, 觀測器配置彩色相機、 激光雷達等開展小行星撞擊前后形貌探測, 配置微波雷達開展小行星結(jié)構探測, 配置可見紅外光譜儀等開展小行星成分探測以獲得詳細的小行星特性信息, 配置高分辨率成像設備用于獲取撞擊前后小行星高分辨率影像和飛濺物圖像。 撞擊器配置監(jiān)視相機和撞擊過程探測包用于獲取撞擊過程影像和過載、 沖擊、 振動、 壓力的環(huán)境變化。
(1) 撞擊器超高速撞擊
撞擊器超高速撞擊過程采用逐漸逼近的方式, 在距目標小行星40 萬~50 萬千米進行目標捕獲, 并在距目標數(shù)萬千米之前通過自主導航數(shù)次修正, 大幅降低目標小行星星歷誤差, 以減小后期軌道控制速度增量。 在最后的撞擊段飛行過程中, 撞擊器通過高精度的自主導航和快速機動,經(jīng)過3~5 次修正, 實現(xiàn)小行星的精準撞擊。
小行星撞擊精度主要由導航誤差和軌道控制誤差決定: 導航誤差主要取決于導航敏感器測量和數(shù)據(jù)處理精度, 軌控誤差主要受推力器執(zhí)行誤差、 加速度計測量誤差、 姿控誤差和制導解算誤差影響。 基于我國小行星探測及采樣任務( “天問” 二號) 針對窄視場導航敏感器、 圖像處理、自主導航與控制算法技術的攻關, 進一步提升硬件水平、 優(yōu)化控制算法及策略, 探測器在大約40 萬~50 萬千米捕獲目標小行星并接近飛行過程中, 采用逐段收斂的方法進行誤差修正, 如圖10所示, 最終實現(xiàn)撞擊導航精度滿足任務需求。
圖10 小行星逐漸逼近撞擊方法誤差收斂示意圖Fig.10 Schematic diagram of error convergence of asteroid approach impact method
(2) 在軌評估觀測
觀測器對撞擊效能的在軌評估觀測主要包括三方面內(nèi)容: 軌道變化評估、 地形地貌變化評估以及濺射物觀測評估。
軌道變化評估: 觀測器懸停在小行星附近開展伴飛測量, 地面對觀測器進行多次長時間測定軌獲取高精度軌道數(shù)據(jù)由此獲得小行星高精度軌道預報, 通過對比撞擊前后所測得高精度軌道預報數(shù)據(jù)進行比對, 實現(xiàn)小行星撞擊前后軌道變化評估, 如圖 11 所示。
圖11 小行星伴飛測量評估示意圖Fig.11 Schematic diagram of asteroid accompanying measurement evaluation
地形地貌變化評估: 觀測器設置多個觀測站開展懸停探測實現(xiàn)小行星地形地貌三維建模。 依據(jù)小行星表面特征選取面片, 將三維表面模型劃分為不同的塊; 將光學影像映射(配準) 到每塊面片; 使用配準后的面片影像通過SPC 精細化對應的三維模型; 利用最小二乘方法拼接和全局優(yōu)化各面片, 得到高分辨率的小行星三維表面模型如圖 12 所示, 并與激光一體化導航敏感器掃描的全球高精度點云數(shù)據(jù)進行融合, 最終獲得高精度DEM 模型。 通過對比撞擊前后高精度DEM 模型, 實現(xiàn)小行星地形地貌變化評估。
圖12 小行星地形地貌三維建模Fig.12 Three-dimensional modeling of asteroid topography and landform
濺射物觀測評估: 撞擊過程及濺射物觀測由觀測器攜帶的高分辨率成像設備完成, 觀測器在與撞擊方向垂直的方位進行觀測是最優(yōu)選擇, 考慮光照條件以保證觀測效果, 觀測位置的選擇需滿足太陽-目標小行星-觀測器夾角為50°~70°??紤]觀測器在軌安全工作, 觀測位置距離小行星保持數(shù)十千米安全距離, 撞擊過程及濺射物觀測如圖 13 所示。
圖13 撞擊過程及濺射物觀測Fig.13 Impact process and sputtering observation
我國前期在探月工程和行星探測工程中, 在行星際飛行軌道規(guī)劃與設計、 遠距離測控通信、探測器自主控制、 高效電能源技術、 先進電推進技術等方面奠定了較好的技術基礎, 正在研制的小行星采樣任務在高精度自主導航、 小行星近距探測、 變外熱流自適應熱控技術、 輕小型高精度載荷等方面均取得突破, 相關技術可直接應用于撞擊防御演示驗證任務中, 結(jié)合小行星撞擊防御演示驗證任務特點的分析, 還需要針對以下關鍵技術進行攻關。
(1) 兩器協(xié)同約束條件下的軌道優(yōu)化設計技術
基于我國火星探測任務及小行星采樣任務軌道設計技術基礎, 建立針對小行星撞擊防御演示驗證任務的軌道設計模型, 結(jié)合小行星撞擊防御演示驗證任務特點得到合理的優(yōu)化設計目標, 采用高效的優(yōu)化求解技術, 同時考慮運載約束和任務約束獲得整體發(fā)射能量小, 同時滿足超高速撞擊的軌道設計方案。
(2) 不確知目標特性下的高速高精度導航、制導與控制技術
針對小型暗弱目標的自主導航, 我國小行星采樣任務在窄視場導航敏感器設計、 研制和試驗上已具備基礎, 但針對超高速撞擊需要開展暗弱小行星高精度成像導航敏感器的優(yōu)化設計和暗弱目標的高精度圖像算法攻關, 以實現(xiàn)更大范圍和更高精度的小行星視線方向精確測量。 同時參考已有小行星數(shù)據(jù)信息, 完善小行星圖像模擬技術, 研制高精度小行星模擬器, 構建高置信度的小行星逼近撞擊過程自主導航制導與控制半物理仿真驗證系統(tǒng), 實現(xiàn)高速高精度撞擊地面驗證。
(3) 高精度協(xié)同觀測評估技術
當前, 我國小行星采樣任務已經(jīng)開展小行星探測懸停技術的攻關, 基于此研究撞擊前后伴飛測定小行星軌道的方案, 并進一步提高測距、 測速和VLBI 測軌精度, 綜合利用導航敏感器能力,研究撞擊前后觀測器與小行星相對距離、 角度等變化的天基測量方案, 以此建立天基監(jiān)測數(shù)據(jù)反演模型, 實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)到小行星速度變化量、 速度變化方向等的精確映射, 反演撞擊效能, 基于探月工程和“天問” 一號探測任務構建的深空探測地面協(xié)同合作機制, 利用以往深空探測任務航天器總體與地面應用系統(tǒng)及測控系統(tǒng)協(xié)作及數(shù)據(jù)協(xié)同經(jīng)驗, 實現(xiàn)地基觀測、 天基數(shù)據(jù)反演的撞擊效能高精度協(xié)同評估。
(4) 小行星動能撞擊瞬時處置效能仿真與驗證技術
根據(jù)撞擊器-小行星-撞擊碎片系統(tǒng)在撞擊過程的不同階段的動力學特征, 分別建立精確的理論和數(shù)值計算模型。 開發(fā)超高速-高速-低速全流程的混合架構并行算法, 建立跨速域的撞擊全過程的高效數(shù)值計算方法。 設計模擬微重力環(huán)境的顆粒系統(tǒng)超高速撞擊試驗裝置, 開展小行星撞擊過程地面模擬試驗, 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對數(shù)值計算模型的關鍵參數(shù)進行標定和修正。
近地小行星對于人類生產(chǎn)生活的威脅始終存在, 開展小行星撞擊防御演示驗證任務, 實現(xiàn)動能撞擊技術突破具有重要的科學、 社會、 人文意義, 是建設航天強國、 實現(xiàn)人類命運共同體的具體實踐。 綜合國內(nèi)外發(fā)展趨勢, 本文提出“伴飛觀測+撞擊+伴飛觀測” 的小行星撞擊防御演示驗證任務方案設想, 并結(jié)合任務特點, 明確在后續(xù)研究中需重點在兩器協(xié)同約束條件下的軌道優(yōu)化設計技術, 不確知目標特性下的高速高精度導航、 制導與控制技術, 高精度協(xié)同觀測評估技術, 小行星動能撞擊瞬時處置效能仿真與驗證技術等方面集智攻關, 系統(tǒng)地完善和促進我國小行星防御技術的綜合發(fā)展。