全球首个小行星防御技术验证任务启航

NASA于2021年11月成功发射“双小行星重定向测试”探测器，执行全球首个小行星防御技术验证任务.

2021年11月24日，美国家航空航天局（NASA）成功发射了“双小行星重定向测试”（DART）探测器，将执行全球首个小行星防御技术验证任务，旨在验证利用动能撞击技术偏转小行星轨道的可行性；同时验证诸如深空高精度自主导航定位、先进能源与推进等多项深空探测关键技术，为后续深空探测任务和小行星资源开发利用奠定基础。

图1 2021年11月24日，搭载了DART的SpaceX“猎鹰”9火箭在加利福尼亚州范登堡天军基地发射，开始了为期10个月旅程。

一、任务背景

近地天体威胁是一种“可能性极低但后果严重”的灾害。美国和欧洲长期开展近地天体防御研究，重点致力于近地小行星防御技术研究，并提出多项任务概念与设想，如NASA的“阿波菲斯探索与减缓平台”“超高速小行星拦截器”“表面和内部科学撞击器”，欧洲航天局（ESA）的“堂吉诃德”“近地小行星防护盾”等。为进一步加强近地小行星防御技术研究与验证，美欧于2015年提出合作开展“小行星撞击和偏转评估”（AIDA）任务，着重推进近地小行星防御技术的相关验证工作。

AIDA任务是美欧合作开展的首个国际小行星防御任务，用于支撑行星防御战略规划，开发小行星偏转技术与所需能力。该任务由NASA和ESA牵头，约翰·霍普金斯大学应用物理实验室、德国航空航天中心（DLR）和科特迪瓦天文台参与研究，目标天体是双小行星系统“戴迪莫斯”（Didymos）及其卫星“戴莫福斯”（Dimorphos）。

NASA负责的“双小行星重定向测试”（DART）是AIDA的子任务，将利用小行星撞击器撞击“戴莫福斯”，使其偏离运行轨道；再由ESA负责的“赫拉”（Hera）子任务，利用小行星交会探测器观测“戴莫福斯”并测绘其表面撞击坑图像，近距离测量“戴莫福斯”受撞击后的运行轨道变化，获得详细数据，为未来小行星防御技术的开发奠定基础。

图2 DART探测器将验证利用动能撞击技术偏转小行星轨道的可行性。

二、任务基本情况

“双小行星重定向测试”（DART）任务是AIDA任务的重要组成部分，也是目前全球唯一进入实际运行的近地小行星防御技术验证任务。DART任务成本约3.3亿美元，由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室领导，并得到NASA喷气推进实验室、戈达德太空飞行中心和约翰逊太空中心的支持，由NASA行星防御协调办公室资助和管理。

1.任务目标

DART任务将于2022年9月到达双小行星系统，在机载相机和精细自主导航软件的帮助下，DART探测器将以大约6.7km/s的速度撞击“戴莫福斯”，利用动能撞击验证小行星偏转技术。

任务目标是：

在撞击前拍摄“戴迪卫星”的高分辨率图像；

采用精确自主导航与制导，撞击直径160米“戴莫福斯”的中心；

利用立方星观测撞击瞬间的情况。

2.探测器平台

DART探测器是一个动能撞击器，主要由平台、电源系统、推进系统和导航系统等组成。其中，探测器平台重约500kg，尺寸约1.2m×1.3m×1.3m；电源系统采用NASA新研制的卷轴式太阳能帆板（ROSA），ROSA完全展开时，DART探测器长12.5m，宽2.4m（图3）。

图3 ROSA展开后的DART探测器示意图

探测器的主推进系统采用“NASA进化氙气推进器-商用型”（NEXT-C）推力器，该推力器是基于“黎明”号探测器推进系统而开发的下一代系统，由NASA格伦研究中心开发；NEXT-C推力器具有电推功率大、性能强等优点，能在撞击前及时修正探测器的轨道，使其按既定要求飞行；化学推进系统由12个MR-103G肼推力器组成，每个推力器有1N推力，可帮助探测器到达目的地并撞击目标。

探测器的导航系统由“戴迪莫斯”侦察与光学导航小行星相机（DRACO），以及采用“小天体机动自主实时导航”（SMART Nav）算法的导航软件组成，可使探测器自主飞行到“戴迪莫斯”双小行星系统，通过精确制导实现对“戴莫福斯”的撞击。DRACO也是探测器携带的唯一科学有效载荷，是一款孔径208mm、视场0.29°的窄角望远镜，其是基于“新地平线”探测器的高分辨率成像仪研制的，用于支持探测器的导航和定位，测量“戴莫福斯”的大小和形状，并确定撞击地点和地质背景。

探测器的通信系统采用径向线槽阵列(RLSA)天线，这种低成本、高增益天线以紧凑、平面的形式实现高效通信，还携带两个低增益天线作为通信补充；其航电系统采用一个单板计算机和一个接口模块，两者都具有基于现场可编程门阵列的电子设备，为探测器的导航、图像处理、通信和推进系统提供灵活的控制和数据处理。

图4 DART探测器构型图

此外，DART探测器还携带了一颗意大利立方星（图5），该立方星的配备可对小行星进行远距离成像的窄视场全色相机，以及对小行星进行多色分析的宽视场彩色相机，用于监测探测器撞击“戴莫福斯”时发生的所有情况。

图5 意大利立方星示意图

3.任务重要里程碑

2017年6月

DART探测器所用的卷轴式太阳能帆板完成国际空间站上的测试；同年，NASA批准探测器从概念开发阶段转入初步设计阶段；

2018年8月

DART探测器进入最终设计、建造和组装阶段；

2019年4月

NASA选定SpaceX“猎鹰”9运载火箭发射DART探测器；

2020年3月

探测器的电推进系统完成性能和环境测试；

2020年5月

喷气洛克达因公司向NASA交付探测器的电推进系统；

2021年11月

DART探测器由“猎鹰”9运载火箭成功发射；

预计

DART将于2022年9月到达“戴迪莫斯”双小行星系统，并以大约6.7km/s的速度撞击“戴莫福斯”。

4.任务运行

通过使用电推进，DART探测器能够在任务时间上获得很大的灵活性，并拓宽了发射窗口，同时也降低了运载火箭的发射成本。采用NEXT-C离子推进发动机，DART探测器将会盘旋着冲出地球同步卫星轨道和月球轨道，到达一个逃逸点，离开地-月系统前往“戴迪莫斯”双小行星系统。DART探测器将于2022年9月26日～10月1日之间的某个时间撞击“戴迪莫斯”的卫星“戴莫福斯”，届时“戴迪莫斯”双小行星系统距离地球1100万千米以内。

预计撞击过程：

撞击发生前10天，DART探测器将在距离“戴莫福斯”约55km处释放1颗意大利立方星作为观测平台，使用机载相机拍摄，并传输撞击过程图像。

撞击前数小时，DART探测器将开启机载侦察与光学导航小行星相机实施导航，并采用“小天体机动自主实时导航”算法的导航软件自主瞄准目标小行星。

撞击时，DART探测器将以超过6.7km/s的速度与“戴莫福斯”卫星相撞。

据NASA估算，在DART探测器撞击“戴莫福斯”后，该卫星将靠近“戴迪莫斯”小行星，从而导致卫星轨道周期减少数分钟。

图6 DART探测器撞击小行星“戴莫福斯”示意图

三、结束语

DART任务是人类对行星防御技术的首次深空验证，所采用的动能撞击技术，从目前技术发展角度来说是一种较为简单可行的近地小行星防御技术，但防御效果因近地天体大小而不同。一是在紧急情况下，可发射动能撞击器，对小尺寸近地小行星执行撞击任务，使其偏离撞击地球的轨道；二是动能撞击技术对于大尺寸近地小行星的撞击效果有限，对于偏转其轨道作用较小。

DART任务所验证的技术，即可作为威胁地球安全的来袭近地天体防御技术，其发展的相关能力与技术又具有较强的军事应用潜力；此外对多项深空关键技术的验证，也将为后续深空探测器应用以及小行星资源开发利用奠定技术基础。