NASA于2021年11月成功發(fā)射“雙小行星重定向測(cè)試”探測(cè)器，執(zhí)行全球首個(gè)小行星防御技術(shù)驗(yàn)證任務(wù).

2021年11月24日，美國(guó)家航空航天局（NASA）成功發(fā)射了“雙小行星重定向測(cè)試”（DART）探測(cè)器，將執(zhí)行全球首個(gè)小行星防御技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)，旨在驗(yàn)證利用動(dòng)能撞擊技術(shù)偏轉(zhuǎn)小行星軌道的可行性；同時(shí)驗(yàn)證諸如深空高精度自主導(dǎo)航定位、先進(jìn)能源與推進(jìn)等多項(xiàng)深空探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)和小行星資源開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

圖1 2021年11月24日，搭載了DART的SpaceX“獵鷹”9火箭在加利福尼亞州范登堡天軍基地發(fā)射，開始了為期10個(gè)月旅程。

一、任務(wù)背景

近地天體威脅是一種“可能性極低但后果嚴(yán)重”的災(zāi)害。美國(guó)和歐洲長(zhǎng)期開展近地天體防御研究，重點(diǎn)致力于近地小行星防御技術(shù)研究，并提出多項(xiàng)任務(wù)概念與設(shè)想，如NASA的“阿波菲斯探索與減緩平臺(tái)”“超高速小行星攔截器”“表面和內(nèi)部科學(xué)撞擊器”，歐洲航天局（ESA）的“堂吉訶德”“近地小行星防護(hù)盾”等。為進(jìn)一步加強(qiáng)近地小行星防御技術(shù)研究與驗(yàn)證，美歐于2015年提出合作開展“小行星撞擊和偏轉(zhuǎn)評(píng)估”（AIDA）任務(wù)，著重推進(jìn)近地小行星防御技術(shù)的相關(guān)驗(yàn)證工作。

AIDA任務(wù)是美歐合作開展的首個(gè)國(guó)際小行星防御任務(wù)，用于支撐行星防御戰(zhàn)略規(guī)劃，開發(fā)小行星偏轉(zhuǎn)技術(shù)與所需能力。該任務(wù)由NASA和ESA牽頭，約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)航空航天中心（DLR）和科特迪瓦天文臺(tái)參與研究，目標(biāo)天體是雙小行星系統(tǒng)“戴迪莫斯”（Didymos）及其衛(wèi)星“戴莫福斯”（Dimorphos）。

NASA負(fù)責(zé)的“雙小行星重定向測(cè)試”（DART）是AIDA的子任務(wù)，將利用小行星撞擊器撞擊“戴莫福斯”，使其偏離運(yùn)行軌道；再由ESA負(fù)責(zé)的“赫拉”（Hera）子任務(wù)，利用小行星交會(huì)探測(cè)器觀測(cè)“戴莫福斯”并測(cè)繪其表面撞擊坑圖像，近距離測(cè)量“戴莫福斯”受撞擊后的運(yùn)行軌道變化，獲得詳細(xì)數(shù)據(jù)，為未來(lái)小行星防御技術(shù)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

圖2 DART探測(cè)器將驗(yàn)證利用動(dòng)能撞擊技術(shù)偏轉(zhuǎn)小行星軌道的可行性。

二、任務(wù)基本情況

“雙小行星重定向測(cè)試”（DART）任務(wù)是AIDA任務(wù)的重要組成部分，也是目前全球唯一進(jìn)入實(shí)際運(yùn)行的近地小行星防御技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)。DART任務(wù)成本約3.3億美元，由約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)，并得到NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、戈達(dá)德太空飛行中心和約翰遜太空中心的支持，由NASA行星防御協(xié)調(diào)辦公室資助和管理。

1.任務(wù)目標(biāo)

DART任務(wù)將于2022年9月到達(dá)雙小行星系統(tǒng)，在機(jī)載相機(jī)和精細(xì)自主導(dǎo)航軟件的幫助下，DART探測(cè)器將以大約6.7km/s的速度撞擊“戴莫福斯”，利用動(dòng)能撞擊驗(yàn)證小行星偏轉(zhuǎn)技術(shù)。

任務(wù)目標(biāo)是：

在撞擊前拍攝“戴迪衛(wèi)星”的高分辨率圖像；

采用精確自主導(dǎo)航與制導(dǎo)，撞擊直徑160米“戴莫福斯”的中心；

利用立方星觀測(cè)撞擊瞬間的情況。

2.探測(cè)器平臺(tái)

DART探測(cè)器是一個(gè)動(dòng)能撞擊器，主要由平臺(tái)、電源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)等組成。其中，探測(cè)器平臺(tái)重約500kg，尺寸約1.2m×1.3m×1.3m；電源系統(tǒng)采用NASA新研制的卷軸式太陽(yáng)能帆板（ROSA），ROSA完全展開時(shí)，DART探測(cè)器長(zhǎng)12.5m，寬2.4m（圖3）。

圖3 ROSA展開后的DART探測(cè)器示意圖

探測(cè)器的主推進(jìn)系統(tǒng)采用“NASA進(jìn)化氙氣推進(jìn)器-商用型”（NEXT-C）推力器，該推力器是基于“黎明”號(hào)探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)而開發(fā)的下一代系統(tǒng)，由NASA格倫研究中心開發(fā)；NEXT-C推力器具有電推功率大、性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能在撞擊前及時(shí)修正探測(cè)器的軌道，使其按既定要求飛行；化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)由12個(gè)MR-103G肼推力器組成，每個(gè)推力器有1N推力，可幫助探測(cè)器到達(dá)目的地并撞擊目標(biāo)。

探測(cè)器的導(dǎo)航系統(tǒng)由“戴迪莫斯”偵察與光學(xué)導(dǎo)航小行星相機(jī)（DRACO），以及采用“小天體機(jī)動(dòng)自主實(shí)時(shí)導(dǎo)航”（SMART Nav）算法的導(dǎo)航軟件組成，可使探測(cè)器自主飛行到“戴迪莫斯”雙小行星系統(tǒng)，通過精確制導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)“戴莫福斯”的撞擊。DRACO也是探測(cè)器攜帶的唯一科學(xué)有效載荷，是一款孔徑208mm、視場(chǎng)0.29°的窄角望遠(yuǎn)鏡，其是基于“新地平線”探測(cè)器的高分辨率成像儀研制的，用于支持探測(cè)器的導(dǎo)航和定位，測(cè)量“戴莫福斯”的大小和形狀，并確定撞擊地點(diǎn)和地質(zhì)背景。

探測(cè)器的通信系統(tǒng)采用徑向線槽陣列(RLSA)天線，這種低成本、高增益天線以緊湊、平面的形式實(shí)現(xiàn)高效通信，還攜帶兩個(gè)低增益天線作為通信補(bǔ)充；其航電系統(tǒng)采用一個(gè)單板計(jì)算機(jī)和一個(gè)接口模塊，兩者都具有基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的電子設(shè)備，為探測(cè)器的導(dǎo)航、圖像處理、通信和推進(jìn)系統(tǒng)提供靈活的控制和數(shù)據(jù)處理。

圖4 DART探測(cè)器構(gòu)型圖

此外，DART探測(cè)器還攜帶了一顆意大利立方星（圖5），該立方星的配備可對(duì)小行星進(jìn)行遠(yuǎn)距離成像的窄視場(chǎng)全色相機(jī)，以及對(duì)小行星進(jìn)行多色分析的寬視場(chǎng)彩色相機(jī)，用于監(jiān)測(cè)探測(cè)器撞擊“戴莫福斯”時(shí)發(fā)生的所有情況。

圖5 意大利立方星示意圖

3.任務(wù)重要里程碑

2017年6月

DART探測(cè)器所用的卷軸式太陽(yáng)能帆板完成國(guó)際空間站上的測(cè)試；同年，NASA批準(zhǔn)探測(cè)器從概念開發(fā)階段轉(zhuǎn)入初步設(shè)計(jì)階段；

2018年8月

DART探測(cè)器進(jìn)入最終設(shè)計(jì)、建造和組裝階段；

2019年4月

NASA選定SpaceX“獵鷹”9運(yùn)載火箭發(fā)射DART探測(cè)器；

2020年3月

探測(cè)器的電推進(jìn)系統(tǒng)完成性能和環(huán)境測(cè)試；

2020年5月

噴氣洛克達(dá)因公司向NASA交付探測(cè)器的電推進(jìn)系統(tǒng)；

2021年11月

DART探測(cè)器由“獵鷹”9運(yùn)載火箭成功發(fā)射；

預(yù)計(jì)

DART將于2022年9月到達(dá)“戴迪莫斯”雙小行星系統(tǒng)，并以大約6.7km/s的速度撞擊“戴莫福斯”。

4.任務(wù)運(yùn)行

通過使用電推進(jìn)，DART探測(cè)器能夠在任務(wù)時(shí)間上獲得很大的靈活性，并拓寬了發(fā)射窗口，同時(shí)也降低了運(yùn)載火箭的發(fā)射成本。采用NEXT-C離子推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，DART探測(cè)器將會(huì)盤旋著沖出地球同步衛(wèi)星軌道和月球軌道，到達(dá)一個(gè)逃逸點(diǎn)，離開地-月系統(tǒng)前往“戴迪莫斯”雙小行星系統(tǒng)。DART探測(cè)器將于2022年9月26日～10月1日之間的某個(gè)時(shí)間撞擊“戴迪莫斯”的衛(wèi)星“戴莫福斯”，屆時(shí)“戴迪莫斯”雙小行星系統(tǒng)距離地球1100萬(wàn)千米以內(nèi)。

預(yù)計(jì)撞擊過程：

撞擊發(fā)生前10天，DART探測(cè)器將在距離“戴莫福斯”約55km處釋放1顆意大利立方星作為觀測(cè)平臺(tái)，使用機(jī)載相機(jī)拍攝，并傳輸撞擊過程圖像。

撞擊前數(shù)小時(shí)，DART探測(cè)器將開啟機(jī)載偵察與光學(xué)導(dǎo)航小行星相機(jī)實(shí)施導(dǎo)航，并采用“小天體機(jī)動(dòng)自主實(shí)時(shí)導(dǎo)航”算法的導(dǎo)航軟件自主瞄準(zhǔn)目標(biāo)小行星。

撞擊時(shí)，DART探測(cè)器將以超過6.7km/s的速度與“戴莫福斯”衛(wèi)星相撞。

據(jù)NASA估算，在DART探測(cè)器撞擊“戴莫福斯”后，該衛(wèi)星將靠近“戴迪莫斯”小行星，從而導(dǎo)致衛(wèi)星軌道周期減少數(shù)分鐘。

圖6 DART探測(cè)器撞擊小行星“戴莫福斯”示意圖

三、結(jié)束語(yǔ)

DART任務(wù)是人類對(duì)行星防御技術(shù)的首次深空驗(yàn)證，所采用的動(dòng)能撞擊技術(shù)，從目前技術(shù)發(fā)展角度來(lái)說是一種較為簡(jiǎn)單可行的近地小行星防御技術(shù)，但防御效果因近地天體大小而不同。一是在緊急情況下，可發(fā)射動(dòng)能撞擊器，對(duì)小尺寸近地小行星執(zhí)行撞擊任務(wù)，使其偏離撞擊地球的軌道；二是動(dòng)能撞擊技術(shù)對(duì)于大尺寸近地小行星的撞擊效果有限，對(duì)于偏轉(zhuǎn)其軌道作用較小。

DART任務(wù)所驗(yàn)證的技術(shù)，即可作為威脅地球安全的來(lái)襲近地天體防御技術(shù)，其發(fā)展的相關(guān)能力與技術(shù)又具有較強(qiáng)的軍事應(yīng)用潛力；此外對(duì)多項(xiàng)深空關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證，也將為后續(xù)深空探測(cè)器應(yīng)用以及小行星資源開發(fā)利用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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