美DART飞行器撞击小行星并成功改变小行星运动轨迹

中国航空报讯：北京时间2022年9月27日上午7时14分，由美国航空航天局（NASA）行星防御协调办公室主管、约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）负责研制的“双星重定向试验”（DART）飞行器以6千米/秒的速度成功撞击了近地双星系统“迪迪莫斯”中较小的天体“迪莫菲斯”。由DART飞行器在撞击前15天放飞的伴飞器“小行星成像轻型意大利立方星”（LICIACube）全程观察了撞击过程。

2015年NASA与欧洲航天局（ESA）开始合作开展“小行星撞击与偏转评估”（AIDA）项目，其中包含2个子项目，分别为美国负责的DART撞击器任务和欧洲负责的环绕器任务。环绕器任务由欧洲航天局负责研制的“赫拉”项目承担，计划于2024年发射，2026年飞抵“迪莫菲斯”。

NASA　DART任务简介

NASA在2017年6月批准霍普金斯大学应用物理实验室由DART撞击器的概念设计转入初始设计，2018年8月进入最终设计和总装阶段，2019年4月选中太空探索技术公司（SpaceX）“猎鹰”9火箭作为发射载具。DART撞击器为低成本小卫星，重610千克（分离LICIACube立方星后重570千克），长1.9米，宽1.8米，高2.6米。DART撞击器携带2面各长8.5米的柔性太阳帆板，并装有化学和离子两种推进系统。其中，负责DART撞击器进行空间机动的化学推进器装有50千克肼推进剂。离子推进器为氙离子商用推进器，由NASA格伦研究中心和洛克达因公司合作研制，推力235毫牛，装有60千克工质。DART撞击器已于2021年11月23日由“猎鹰”9火箭发射升空。

DART撞击器的主要载荷是“迪迪莫斯侦察与光学导航小行星相机”（DRACO），口径208毫米，视场0.29度。这是DART撞击器的主要制导装置，依靠霍普金斯大学应用物理实验室开发的“小天体自主机动实时导航”（SMART　Nav）光学制导算法进行自主导引。据NASA介绍，DART项目团队使用了实验室数十年积累的“导弹制导算法”开发SMART Nav。凭借该算法，DART撞击器既可分辨“迪迪莫斯”和“迪莫菲斯”，又可测量“迪莫菲斯”的尺寸和外形，还可确定撞击点和地质背景。DRACO相机已在2021年12月7日开机，已对各恒星与行星系统成像数十万张。

按计划，相机将在撞击前30天对“迪迪莫斯”双星系统成像。在撞击时，该相机将在实验室研制的“核心小型航电套装”（CORESAT）计算机的辅助下，以每秒1图的速度，通过“径向线槽阵列”（RLSA）天线向地球发送实时撞击图像。

DART撞击器的次要载荷是由意大利航天局和亚果科技公司研制的伴飞器“小行星成像轻型意大利立方星”（LICIACube）。该伴飞器为6U平台纳卫星，主要载荷为2台相机。其中，“LICIACube小行星探索成像”LEIA（莱娅，意为《星球大战》电影女主角）相机为窄视场全色相机，用于远距离获取高分辨率图像。“LICIACube单位关键探索”LUKE（卢克，意为《星球大战》电影男主角）相机为宽视场RGB相机，用于对小行星环境进行彩色成像分析。LICIACube立方星将在撞击后3分钟飞跃“迪莫菲斯”，主要承担4项任务，一是观察DART撞击器对“迪莫菲斯”的撞击过程，二是研究撞击产生的行星物质羽流，三是测量撞击坑的尺寸和形态，四是观察行星未遭撞击的半球。按计划，LICIACube立方星已于9月11日从DART撞击器上放飞，并在9月21日和22日分别使用“莱娅”和“卢克”相机对地球和昴星团进行了成像。

DART任务的主要撞击目标是近地天体双星系统“迪迪莫斯”中较小的天体“迪莫菲斯”。该双星系统由主星“迪迪莫斯”和伴星“迪莫菲斯”构成。其中，“迪迪莫斯”直径约780米，“迪莫菲斯”直径约160米。撞击前，“迪莫菲斯”绕飞“迪迪莫斯”的轨道周期为11小时55分钟，两星距离约1.18千米。据NASA介绍，“迪莫菲斯”的质量未被直接测算，但根据体积估算，约为5百万吨。2022年7月，NASA确定了“迪迪莫斯”双星系统的轨道，为撞击做好了准备。7月27日，DRACO相机捕获“迪迪莫斯”双星系统。DART任务在北京时间9月27日撞击“迪莫菲斯”时，该双星系统距地球约1100万千米，是有利于地面观察撞击结果的最近距离。

在撞击时，DART撞击器将逆“迪莫菲斯”的运行轨道，以6.1千米/秒速度和570千克质量迎头撞击该星。之后，位于美国亚利桑那州的洛厄尔天文望远镜等14家观测单位密切关注“迪莫菲斯”轨道的速度变化，主要方式是测量该星绕行主星“迪迪莫斯”前后的时间差。根据DART项目团队2021年8月25日发表在《行星科学期刊》的《“双星重定向试验”（DART）：行星防御调研和要求》论文，该双星系统的轨道周期改变值若大于73秒，则试验宣告成功。

撞击改变了小行星轨道

美国东部时间10月11日14时（北京时间10月12日凌晨3时），NASA举行新闻发布会，宣布近地双星系统“迪迪莫斯”中较小的天体“迪莫菲斯”在遭到撞击后，绕飞主星的轨道周期缩短了32分钟，远超试验预期的73秒，“双星重定向试验”（DART）任务取得圆满成功。

NASA局长尼尔森在发布会上表示，经DART任务团队确认，伴星“迪莫菲斯”绕飞主星“迪迪莫斯”的轨道周期，由撞击前的11小时55分钟，变为了撞击后的11小时23分钟，改变值为32分钟。NASA在新闻稿和观测分析中表示，DART撞击任务的试验结果由两个观测站分别独立观测得出，分别为NASA喷气推进实验室在加利福尼亚州的金石雷达站和美国国家科学基金会在西弗吉尼亚州的绿岸天文台雷达设施。NASA强调，32分钟的观测结果为73秒这一预期改变值的25倍，即便考虑到正负2分钟的观测误差，也足以证明实验取得了成功。

实际上，在美东时间9月26日撞击发生后，LICIACube立方星、韦布望远镜、哈勃望远镜和多部地面望远镜便已观测到了撞击产生的喷射羽流。而据位于智利的南方天文物理研究望远镜观测，在撞击2天后，羽流便在太阳风的作用下延伸为9600余千米的彗尾形态。显示了570千克的DART撞击器以6.1千米/秒的高速撞击“迪莫菲斯”所产生的巨大动能。

目前，DART任务团队已将研究重点转向了喷射羽流，即观测这些喷射物对“迪莫菲斯”运动形态的影响。NASA将喷射羽流的影响比喻为“漏气的气球”，可能会对“迪莫菲斯”施加与羽流喷射方向相反的力。为此，需要研究“迪莫菲斯”的表面强弱特性。LICIACube立方星和计划4年后飞抵观测的欧空局“赫拉”航天器将发挥重要的作用。

欧洲航天局环绕器简介

欧洲航天局负责研制的是“小行星撞击任务”（AIM）环绕器。该环绕器将携带1台着陆器和2颗立方星，可对“迪莫菲斯”进行高分辨率光学、红外和雷达成像，可对该星的表面和内部结构进行绘制。

但是，在2016年12月，当AIM环绕器在进行初始设计工作时，ESA的部长级会议因部分成员国希望将资金投向其他项目，拒绝为AIM环绕器拨款。这一项目已实质性终结。两年之后，ESA在2018年6月宣布，基于AIM环绕器的“赫拉”（Hera）项目已进入工程设计阶段。计划于2024年发射，2026年飞抵“迪莫菲斯”。“赫拉”项目飞行器也将携带2颗立方星，主要任务是观察DART任务的撞击坑，并精确测定“迪莫菲斯”的质量。