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。

小行星防御动能撞击效果评估

以动能撞击防御潜在威胁小行星概念为背景,采用物质点法(Material Point Method,MPM)模拟了铝弹高速撞击S型小行星的过程,将撞击结果导入引力N体–离散元动力学模型中,对其后续演化过程进行仿真,并分析了撞击后碎片对地球的威胁指数。结果显示小行星在高速撞击的作用下部分破碎,大量碎片以与撞击方向相反的速度向外喷射,从而提升了小行星的撞击偏移效果。研究采用了两种不同结构的小行星模型:完整结构(monolithic structure)的小行星在遭受撞击后会喷射出比原小行星小得多的碎片,而碎石堆结构(rubble-pile structure)的小行星在撞击作用下可分裂成大小和速度分布较为均匀的碎片。威胁指数的分析表明动能撞击方式确实有效减小了小行星的威胁程度,撞击后的最大剩余碎片可被成功偏移至安全轨道,但仍有部分碎片会与地球相撞。与完整结构相比,针对碎石堆结构小行星的撞击防御的总体效果更好,次生灾害主要为大质量碎片的撞击。研究方法可用于未来开展防御小行星的动能撞击任务的撞击条件选择和撞击结果预估。

基于连续小推力转移的小行星防御轨道设计与仿真

人类发现的小行星越来越多,为应对小行星碰撞地球,国内外许多学者开展了动能撞击防御技术的研究,有学者基于脉冲转移方案开展了Apophis小行星动能撞击轨道优化设计。采用连续小推力直接转移方案对Apophis小行星动能撞击进行轨道设计和仿真。结果表明,新方案对发射时地球的位置敏感度较低,所有窗口下最优转移轨道的飞行时间都接近于最大允许飞行时间;撞击时Apophis的轨道相位均在近日点一侧,此时Apophis的轨道速度较高,有利于得到较大的撞击速度。通过对新设计方案和脉冲直接转移方案的设计结果进行比较,新方案实现的Apophis速度增量约为脉冲转移方案的1.78倍。

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.

OTM/HOTM极限力学仿真在小行星防御中的应用

小行星撞击地球是人类生存面临的重大威胁之一,减缓或避免小行星撞击是学术界和国际社会关注的热点问题。动能撞击、侵彻爆炸或激光烧蚀是当前小行星防御的几个主要手段,其涉及超高速撞击、极限条件下的热-力-化学强耦合等现象。高效高精度预测行星材料在极限热力学条件下的动态响应机制是开展计算仿真的难点,其对计算方法、材料模型与高性能计算都提出了极大的挑战。本文介绍了描述极限条件下材料超大变形、熔化气化、流固与热流固耦合、自由表面、多体接触、碎裂、层裂与碎片云等复杂物理现象的多物理场、多尺度强耦合的OTM/HOTM最优运输无网格系列方法,并初步探讨了基于此方法发展的ESCAAS极限力学仿真平台在小行星防御中的应用,为动能撞击等小行星防御手段提供相关理论与技术支撑。

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。

面向近地小行星防御验证的协同监测任务分析与设计

协同监测任务通过全过程链条测定小行星轨道并监测撞击过程,可有效评估以动能撞击手段进行小行星防御的效能,是实施近地小行星防御演示验证任务的关键环节。文章在全面调研“双小行星重定向测试”(DART)任务的评估特点和协同监测情况的基础上,面向我国近地小行星防御演示验证任务,综合分析我国现有地基、天基监测能力以及协同监测任务的特点,按照“远探、近监、回看、联测”的思路设计协同监测任务方案,并梳理出需要攻克的关键技术。最后,从推进监测能力体系建设、深化拓展国际交流合作等方面提出启示与建议,以期为我国未来近地小行星防御演示验证任务论证实施以及天地协同的监测预警能力体系建设提供支撑。

小行星防御试验任务科学目标设计与有效载荷配置

针对中国首次近地小行星防御在轨验证任务,将对近地小行星撞击地球潜在风险进行防御性处置演示验证,设计并提出小行星防御在轨验证的科学目标及其具体的科学探测任务,开展科学有效载荷需求分析,提出有效载荷配置方案及探测任务要求,为未来实施小行星防御任务提供决策依据。

小行星防御,并非杞人忧天

2023年中国航天大会(CSC2023)于4月23~26日在安徽省合肥市召开,空间碎片移除与小行星防御论坛作为本次大会的分论坛也于4月25日召开,再次唤起了各界对于小行星防御问题的关注。一般而言,轨道在离太阳1.3AU(1AU等于地球和太阳之间的平均距离,约1.5亿公里)范围内,离地球轨道距离小于0.3AU的小行星统一被称为近地小行星。

“行星防御”,出击!

瞬间,耀眼的光芒在距离地球1100余万千米的黑暗宇宙中四散开来,伴随着那道光芒的,是无数飞溅扩散,并逐渐延伸至数万千米空间的天体碎片。我知道,人类首个行星防御任务成功完成了,“它”被我撞歪,已经偏离了原来的轨道!我是DART(“双小行星重定向测试”),人类首个小行星防御航天器。相比这次直径1 60米,如埃及金字塔般庞大的撞击对象,我是个只有自动售货机大小的小个子,你们可以叫我小飞镖。

潜在威胁小行星碰撞防御的计算与分析

研究了采用碰撞的方式进行小行星防御的动力学问题。采用多面体模型来建立小行星的外形模型,以碎石堆模型来建立小行星的结构模型,计算了小行星受到与其密度和材质相同的球体高速碰撞过程和碰撞后的碎石分布。计算过程在考虑了小行星与碰撞球体的接触形变以及小行星内部组成碎石堆的接触形变条件下,计算了碎石堆内部的相互引力、法向接触力、切向静摩擦力、切向动摩擦力和滚动摩擦力矩。以小行星101955 Bennu(中文名贝努)为对象计算了潜在威胁小行星的碰撞防御过程的动力学行为。结果显示:采用高速碰撞的方法进行小行星防御可以有效地将小行星撞成大量碎小的石块,且该方法具有核爆的方法不可比拟的优势,即对空间环境无污染。

激光阵列定向能在行星防御中的进展与思考

报道了一种在轨行星防御系统,该系统能加热威胁目标表面达到汽化点,从而产生推力使目标汽化消失或变轨移除。该系统命名为"行星攻击与探测定向能系统(DE-STAR)",是一个通过太阳光伏电池供电的千瓦级激光相位锁定阵列,模块化设计可实现后续开发、风险低、技术共享等优点。该系统主要目的是利用聚焦定向能激光提高被照射物体表面温度至3000 K,直接汽化大部分物质材料,汽化过程中产生的反作用力将使小行星轨道发生变化,从而避免撞击地球的危险发生。该技术的前期成果可用于空间碎片清理。

近地小行星碰撞概率计算方法

近地小行星监测预警和危险评估已成为国内外研究的热点,而小行星碰撞概率则是评估近地小行星威胁程度的关键因素。回顾了近地小行星碰撞概率研究和发展历程,介绍了计算近地小行星碰撞概率的理论框架和主要工具,详细阐述了目前主流的线性和非线性碰撞概率计算方法,同时梳理了在极短弧资料轨道、非引力效应等特殊条件下近地小行星碰撞概率计算效率和采样完备性等方面的最新研究进展。最后基于对上述研究现状的分析,展望了该研究方向的关键问题和未来的发展趋势。

近地小行星采矿与防御计划发展现状

近地小行星交会、绕飞、着陆与采样返回技术经过数10年的发展日趋成熟。美国的OSIRIS-Rex对C类小行星进行特征分析与采样,日本宇宙航空研究开发机构的"隼鸟-2号"任务目的是小行星深层采样。美国国家航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)的小行星探测任务开始转向行星防御领域。NASA的ARM(Asteroid Redirect Mission)计划是开展小行星抓捕与轨道重定向,ESA联合NASA提出了小行星撞击与偏转评估计划,拟对双星系统开展撞击实验,为行星防御提供技术积累。此外,行星资源公司和深空工业公司分别规划了小行星商业采矿的蓝图,并已开展相关的在轨技术验证。对近地小行星的探测历程进行了回顾,重点介绍了OSIRIS-Rex、"隼鸟–2号"、NASA和ESA的行星防御计划及小行星采矿公司的商业采矿战略规划,总结了未来开展行星防御与采矿的关键技术。

超高速动能撞击密实小行星的动量传递规律

动能撞击被认为是使潜在威胁小行星偏离与地球碰撞轨道的有效方法。基于撞击速度对动量传递系数的影响规律,利用二级轻气炮进行了6mm铝弹丸以2~4km/s超高速撞击玄武岩靶试验,利用AUTODYN光滑粒子流体动力学方法开展了数值模拟,将模拟结果和试验结果进行了比较,验证了计算模型和参数的准确性。模拟结果表明在不同撞击速度下抛射物的质量和速度分布基本一致,撞击速度越大累计抛射物质量越大。结合试验和数值模拟结果,获得了动能撞击密实小行星的动量传递系数相似律,密实小行星的动量增强系数随撞击速度的0.65次方的增大而增大。动量传递相似律可为动能撞击偏转小行星提供数据支撑。

近地小行星动力推离在轨处置策略与效能分析

针对近地小行星频繁的撞击威胁,论证了小行星动力推离偏转处置任务。该处置方式通过侵彻锚固小行星表面并采用电力推进对小行星多次推离。通过建立近地小行星动力推离动力学模型,研究了不同自转状态小行星在动力推离处置策略下,其轨道偏移变化的情况。以2019VL5偏转小行星为例,通过数值仿真模拟动力推离处置效能及工程可实施性。仿真结果表明,在约4年的预警时间中,在特定轨道位置施加0.4N小推力,小行星能够获得的最大偏转距离2.91万km,在处置结束2500d后小行星能够获得9万km的最大偏转。小行星动力推离处置可使对具有威胁的小行星实现有效偏转,可用于未来小行星防御偏转和抵御其它太空物体攻击的轨道转移任务。

基于图像配准的暗弱目标小行星识别方法

针对小行星接近撞击任务的自主导航需求,提出了一种基于图像配准的暗弱目标小行星识别方法。小行星尺寸小、亮度弱(一般10星等以上),导航敏感器需要具备暗弱目标成像能力以实现小行星成像。这导致导航敏感器会同时拍摄到大量未知的暗弱恒星,给目标小行星的精确识别带来挑战。利用小行星与背景恒星的相对运动,首先采取改进的具有旋转不变性的FAST和BRIEF算法(Oriented FAST and Rotated BRIEF,ORB)特征点定位与增强的高效局部图像特征描述符(Boosted Efficient Binary Local Image Descriptor,BEBLID)特征点描述结合的方法对帧间图像进行配准,再基于阈值分割法识别星点,逐星点计算相应窗口之间的结构相似性指数,最后完成目标小行星的检测。该方法的速度和精度相比传统的图像配准方法和目标小行星检测方法有较大提升,克服了目标小行星暗弱、存在未知背景恒星的问题,为小行星防御的光学自主导航提供视线矢量等信息。

小行星防御有“术”

2022年9月27日,美国国家航空航天局(NASA)“双小行星重定向测试(DART)”航天器成功撞击一颗名为迪莫弗斯(Dimorphos)的近地小行星。这是世界上首次进行旨在防御地球免遭小行星撞击威胁的任务,揭开了人类小行星防御的序幕。在电影《独行月球》中,人类为抵御小行星撞击,拯救地球,在月球部署了“月盾计划”—通过在月球上发射核弹的方法摧毁来袭的小行星。那么,如果有一天小行星真的来了,我们是否能通过这个方法来进行自我防卫?除此之外,还有其他办法吗?