我国应对近地小行星撞击风险和动能撞击偏转研究的若干进展

近地小行星(NEA)撞击地球是人类长期面临的重大潜在威胁,基于监测预警和风险评估,实施在轨处置是防范化解NEA撞击风险的最佳途径。本文概述了国际近地小行星撞击风险应对的现状与发展趋势,介绍了2020年我国启动应对近地小行星撞击风险工作以来的主要进展。着重从实验、数值仿真和理论建模3个方面介绍了我国在动能撞击偏转在轨处置技术研究的若干进展,展望了我国即将实施的首次近地小行星动能撞击防御演示验证任务,提出了在轨处置体系能力与技术深化研究建议。

动能撞击偏转近地小天体研究进展

以近地小天体防御为背景,介绍了近地小天体的基本概念和物理特性,分析了超高速动能撞击偏转近地小天体的研究进展。讨论了超高速动能撞击近地小天体表面成坑形貌、相似律以及成坑过程中抛射物产生机制、演化过程和抛射物质量速度分布相似律。总结了基于结合点源假设、实验和数值模拟结果建立的超高速动能撞击小天体动量传递理论模型和相似律。分析了近地小天体的物理特性和撞击条件对动量传递系数的影响规律。归纳了超高速动能撞击偏转近地小天体研究中存在的问题,对超高速动能撞击防御小天体的发展趋势提出了若干建议。

威胁小天体动能撞击防御误差演化分析

部分近地小天体存在撞击地球的潜在风险,利用航天器动能撞击小天体实现轨道偏转是目前较为成熟的小天体防御方案,但在动能撞击过程中,撞击器的制导控制误差可能造成实际撞击小行星的位置与预定撞击位置的差异,进而造成小行星撞击后的速度改变量偏差,影响小行星防御任务的效果。为了定量地分析这种误差带来的影响,本文开展了小天体动能撞击误差演化分析研究。首先基于斜撞击模型,分析了撞击位置偏差对撞击后小行星速度增量变化的影响,然后利用状态转移张量(STT)分析了小行星从动能撞击后到其到达地球影响球时的状态误差演化情况,最后得出小行星到达地球附近时的终端位置速度散布情况。本文以动能撞击小行星Apophis为例进行仿真,结果表明在撞击制导位置误差3σ边界为15 m时,动能撞击5年后小行星到达地球近心点时的位置误差散布在10 km量级。

小行星动能撞击自主导航与制导方法研究

针对近地小行星精确撞击任务需求,提出了一种小行星高精度撞击自主导航、制导与控制(Guidance Navigation&Control,GNC)方法,包括高精度的小行星中心视线提取、基于小行星中心视线测量的高精度自主相对导航及迭代预测制导。该设计利用小行星中心视线测量实现了在垂直于视线方向上撞击器相对于小行星位置和速度的精确估计,在沿视线方向上撞击器相对位置和速度存在误差的情况下利用迭代预测制导实现了高精度撞击。数值仿真表明,所提出的方案能够实现50 m级近地小行星4 m级撞击精度,满足了任务要求。

动能撞击偏转小行星的动量传递效率数值仿真研究

动能撞击是偏转潜在危险小行星的一种可行手段,动量传递效率是衡量动能撞击偏转效果的主要指标。基于美国国家航空航天局(NASA)的DART试验场景,采用自研的冲击动力学仿真软件NTS开展动能撞击偏转小行星数值仿真,分析材料拉伸强度和孔隙率对动量传递效率的影响。仿真分析发现:材料拉伸强度越高,撞击坑尺寸越小,反溅碎片总质量越小,动量传递效率越低。在孔隙材料中冲击波会快速衰减,导致动能撞击破坏区域减小,孔隙率越高,反溅碎片总质量越小,动量传递效率越低。

行星轨道动力学在动能撞击在轨处置中的具体应用

行星轨道动力学在行星防御在轨处置空间任务中具有重要的作用。对于其中的动能撞击实验任务,无论是前期的效果仿真,还是后期的数据处理,近地小行星的高精度轨道推演都将提供基础的保障作用。基于太阳系动力学模型的小行星历表将提供近地小行星的轨道瞬时位置,为计算工程指标之一——小行星轨道偏离量提供重要支撑。本文首先给出了小行星历表通用的动力学模型,讨论了各摄动因素造成的量级影响。之后利用上述模型,针对具体假设案例,分别从小行星历表精度、撞击时刻及方向、可观测性和威胁改变四个方面对撞击效能及工程的可实施性做了综合评估。

近地小行星动能撞击的最优撞击方案分析

通过动能撞击潜在威胁小行星以使其轨道偏转,是目前而言技术成熟度最高且也是未来最为可行的行星防御方案之一。分析确定对小行星的最优撞击位置和撞击方位,以最大化轨道偏转效果,对于动能撞击防御方案的设计具有重要意义。论文以偏转Apophis小行星为例,给出一种最优撞击方案的初步设计方法。首先,根据小行星和地球的轨道交会几何关系,分析确定动能撞击的轨道偏转目标;随后,将小行星受动能撞击简化为航天器的脉冲推力变轨,利用二体轨道理论,推导得到在预定偏转目标下,撞击器对小行星的最优撞击位置和撞击方位;最后,建立小行星受摄运动的数值轨道预报模型,对最优撞击方案下小行星的实际轨道偏转量进行评估验证。结果表明,该撞击方案的轨道偏转效果与实际情况基本吻合,证明所提的优化方法对于精细化的撞击防御方案设计具有一定参考价值。

基于偏转距离近似模型的动能撞击小行星防御任务脉冲轨道优化研究

小行星撞击对地球上的生命存在重大潜在威胁,动能撞击是目前最易实现且成熟度最高的防御方案.动能撞击任务的一种轨道优化指标为最大化偏转距离(即小行星被偏转前后近地距的改变量),若用数值积分的方法精确计算偏转距离,会导致优化效率较低.在动能撞击任务的设计初期,可以对动力学模型及偏转距离的计算方法进行简化,以提升优化效率.本文首先将高精度模型简化为二体模型,分析了两种经典偏转距离解析模型的适用条件,同时提出一种基于近地点时刻预估的偏转距离近似模型;考虑运载约束,将化学推进变轨简化为脉冲推力变轨,建立了直接转移(两脉冲及三脉冲)和行星借力飞行转移(单次及两次借力)的动能撞击轨道优化模型,利用遗传算法求解了优化问题.以偏转小行星Apophis为例,相比于解析模型,验证了本文提出的近似模型可以同时提升最优性、降低求解复杂性.优化结果表明,三脉冲直接转移方案与两脉冲直接转移方案的最优偏转效果基本一致,借力飞行转移方案相比于直接转移方案对偏转距离的提升效果并不明显.在动能撞击任务的前期设计中,可以基于二体模型进行防御效果的快速评估,虽然对计算偏转距离存在一定误差,但对防御窗口的优化结果影响不大.进一步,数值求解偏转距离时,可通过引入主要引力摄动项(金星、地球、木星)修正二体模型,使其与高精度模型之间的求解误差在1%以下.

小天体动能撞击防御中动量传递因子敏感参数分析

动量传递因子β是评估动能撞击效果的重要参量。根据动能撞击过程中动量传递因子的理论模型,分析了撞击器特性参数和小天体结构特性参数对动量传递因子取值的影响,并对不同动能撞击方案以及不同材料特性小天体的成坑效应和动量传递因子进行分析。研究表明:标度律参数μ对β影响较大,μ是地面实验拟合得到的系数,与材料强度特性相关;当小天体为单体岩石结构时,撞击器速度及密度、小天体密度及表面强度对β影响较大,而撞击器半径和小天体引力对β影响较小;当小天体为碎石堆结构时,β对撞击器特性参数和小天体特性参数不敏感,且数值较小。对三种不同动能撞击方案的成坑效应与动量传递因子形成规律进行研究,发现撞击器初始动能对β影响较大。当小天体为单体岩石结构时,其对应的动量传递因子取值较大,而当小天体为碎石堆结构时,其对应的β取值较小且基本不变。对相同动能撞击方案下不同材料特性小天体(C型、S型和X型小行星)产生的撞击效应进行分析,发现在引力主导时,βC>βS>βX,而在强度主导时β取值较小且基本相同。

近地小天体动能撞击器GNC系统设计与仿真研究

近地小天体具有目标特性不明显、发现困难,轨道周期不确定、难以预测等特点。近年来,随着航天技术的持续发展,近地小天体撞击地球风险分析及在轨处置等问题成为了空间科学领域的研究热点。通过动能撞击方式对小天体进行拦截及偏转的模式是在轨应急处置的有效手段,本文对此开展研究,提出了目标识别与制导控制方案,采用基于边缘提取的形心定位方法确定目标视线矢量,采用改进比例导引方法实现对目标的精确撞击,并搭建了半实物仿真平台,对目标识别算法、制导控制算法的有效性进行验证评估。

动能撞击小行星防御轨道优化设计

小行星撞击对人类存在重大威胁,恐龙时代就曾因一颗直径10km的小行星而终结。在诸多防御手段中,动能撞击是目前最易实现且成熟度最高的方案。本文以偏转危地小行星Apophis为例,研究了在10年及5年预警时间的情况下,利用CZ-3B及CZ-5运载火箭发射动能撞击器,对Apophis在2029年近地距离的改变能力,同时论证了本文仿真结果的正确性及最优性。仿真结果表明,动能撞击方案的偏转能力会随着预警时间的减少而降低,运载火箭发射能力的提升可以提升动能撞击器的偏转能力,但效果并不明显;撞击时的(Δvast·vast) t值与偏转距离有较强的相关性,该值一定程度上可以表征偏转距离的变化特性。

基于改进预测制导的深空撞击探测末制导律

考虑到机动时机的选取和最终撞击的精度,针对小天体高速撞击任务的特点,设计了一种改进的末段预测制导律。该制导律引入点位误差椭圆来描述导航精度,并基于撞击器与目标的矢量计算出零控脱靶量,以此作为确定机动时机的指标来驱动预测制导律的执行与误差的校正。通过蒙特卡洛仿真分析表明:使用该制导律的GNC系统在节省燃料的同时,可以提高最终的撞击精度。

基于摆锤冲击试验的轮胎耐撞击性能研究

基于摆锤冲击试验研究轮胎耐撞击性能。结果表明:摆锤冲击试验检测结果可反映轮胎在遇到撞击时,胎侧抵抗冲击的能力;轮胎为复杂弹性体,撞击动能与鼓包高度非简单线性关系;采用摆锤冲击试验可有效检测轮胎的最小鼓包破坏能,最小鼓包破坏能越小,轮胎耐撞击性能越差。

大椭圆停泊轨道出发的小行星防御航天器轨道优化

提出了一种从大椭圆地球停泊轨道出发的近地小行星动能撞击航天器的轨道优化方法,基于遗传算法构造了以小行星偏转距离最大为目标,考虑时间、航天器燃料占比等非线性约束条件的优化模型。以小行星2019 PDC为对象,采用遗传算法优化得到了撞击航天器出发时刻和转移时间的最优解,计算了航天器大椭圆地球停泊轨道、地球逃逸轨道和行星际转移轨道段参数,同时采用遍历方法获取了小行星偏转距离与出发时刻、转移时间的Pork chop图,验证了优化算法的有效性。结果表明,所提出的动能撞击任务场景和轨道优化设计方法可有效处置直径百米量级、预警时间为数年的小行星。提出的任务轨道设计方法和处置场景可为近地小行星防御提供参考,可为进一步开展航天器轨道参数精确设计、实施工程在轨验证奠定基础。

小行星防御在轨处置技术研究进展

近地小行星撞击是人类社会面临的重大灾难性威胁,实施在轨处置是防范化解近地小行星撞击风险的最佳途径。系统梳理了近地小行星防御在轨处置技术的发展现状,对核爆、动能撞击、引力牵引、离子束偏移、激光烧蚀、拖船、质量驱动、表面喷涂等在轨处置技术的关键技术、优缺点、适用场景等进行了全面综述,提出了近地小行星防御在轨处置技术的发展建议。

“双小行星重定向测试”任务分析与小行星防御任务总体设计

2022年9月27日,美国“双小行星重定向测试”(DART)任务对Didymos双小行星系统中的次星Dimorphos实施6.2km/s高速撞击,撞击使次星绕主星运行周期缩短32min。DART任务首次实现了人类对近地小行星偏转在轨演示,验证了深空高速撞击高精度制导控制、高速撞击偏转效果数值仿真和评估等实用化小行星防御关键技术,证明了动能撞击方式对小行星偏转的可行性。此次任务对人类未来主动应对小行星撞击威胁具有里程碑意义。本文对DART任务目标选择、任务设计、制导控制、偏转评估等方面进行分析,在此基础上提出了两种形式的小行星处置任务总体设计,并对任务轨道、地面可观测性、偏转效果等进行分析。

基于动能耗散的双层铝板结构的高速撞击防护性能

通过铝球弹丸高速撞击单层铝板和双层铝板结构的动能耗散特性分析,在弹丸未破碎和已破碎两种撞击条件下,基于单层铝板撞击失效临界动能研究了双层铝板结构的高速撞击防护性能,并针对典型铝板防护结构的高速撞击防护性能评估结果进行了实验验证。结果表明,当铝球弹丸高速正撞击一定厚度的单层铝板时,铝板发生穿孔失效时的临界撞击动能近似为常数。当铝球弹丸高速正撞击双层铝板结构时弹丸击穿前板后的剩余动能,表现为弹丸初始撞击动能的比例耗散。在弹丸破碎段撞击速度区间,使双层铝板结构后板发生穿孔失效的弹丸直径越大,在弹丸击穿前板后的撞击后板有效动能中次生小碎片动能所占的比例越大。

航迹误差对无人机坠地伤人风险评估的影响

为提高无人机(UAV)安全风险评估的精确性和置信度,在坠地安全风险评估过程中,考虑航迹误差导致的事故瞬间UAV位置和高度的不确定性,及其对坠地撞击点和撞击速度的影响,分析UAV坠地的水平位置误差和高度误差分布特征,确定UAV失效瞬间位置和高度,建立坠地撞击点预测模型,计算其坠地撞击速度,并以M210-RTK型UAV为例,分析不同航迹误差对坠地时间、地面撞击点位置和坠地动能的影响。结果表明:航迹误差作用下,坠地撞击点分布遵循正态分布特征;随着飞行高度的增加,航迹误差对坠地位置的影响逐渐下降,高度误差对坠地动能的影响呈先增后减的趋势。

近地天体预警防御综述

近地天体数量多且撞击危害大,预警防御是有效应对其撞击威胁的基本手段,具体的预警防御技术已成为国际研究热点。中国已加入专门负责近地天体预警防御的国际组织,但具体研究多处于起步阶段。详细阐述了发展近地天体预警防御技术的必要性及基本的应对流程,阐述了搜索监测、国际组织及其技术研究、深空探测项目等各方面的国际研究进展情况,简要分析了轨道偏转防御的基本策略以及核爆、动能撞击、引力牵引、改变太阳光压和激光剥蚀等5种主要防御手段的原理及优缺点,总结了近地天体预警防御领域未来工作的4个重点方向。最后针对我国的研究现状提出几点建议和思考。

潜在危险性小行星偏转方法研究现状

具有潜在危险性的小行星偏转问题不断受到重视,多种偏转方法被提出。小行星偏转的主要目的是通过改变小行星的原始运行轨道,减轻小行星对地球安全所造成的威胁。目前提出的各类小行星偏转方法可归为脉冲法和慢推力法两类。其中,脉冲法主要包括核攻击和动能撞击方法;慢推力方法包括引力牵引、激光消融、离子束引导、质量驱动器、太阳能辐射等方法。同时,跟踪最新提出的几种偏转方法,概括每种小行星偏转方法的适用性及优缺点,总结小行星偏转关键技术,展望小行星偏转技术的未来发展趋势。