国外近地小行星在轨处置任务分析与设计软件研究进展

宋光明,武强,陈川,龚自正,张品亮,曹燕,杨武霖

(北京卫星环境工程研究所,北京 100094)

1 引言

小行星是指围绕太阳运行,尺寸在1m～800km内 (体积和质量比行星和矮行星小),且不易释放出气体和尘埃的天体[1]。近地小行星 (NEA)是指轨道能够进入地球附近的小行星。由小行星的轨道根数,定义近日点距离q小于1.3 AU(1AU=1.496×108km)的小行星为近地小行星。

根据来自加州理工大学喷气推进实验室(JPL)近地物体研究中心的数据显示[2],截至2021年7月25日,共发现编目近地小行星26243个,其中尺寸在140m以上的近地小行星9732个,尺寸在1km以上的近地小行星889个。如图1所示。

图1 已发现编目近地小行星数量(数据来源:JPL,2021.7.25)[2]Fig.1 Catalogued near Earth asteroids

近地小行星存在与地球相撞的风险,相对撞击速度可达15～75km/s[1]。如此高的相对撞击速度可对地面造成灾难性后果,空爆或直接撞击地表产生的冲击波和热辐射会对地面人员、建筑物等设施造成损伤,大尺寸近地小行星还可能引起地震或者海啸等地质灾害,进而引发一系列的次生灾害,形成大范围的灾难,甚至引发全球范围的生物灭绝[3]。

历史上已经多次发生近地小行星撞击地球事件[4-6],由此引发的灾难性后果已经引起国际社会的广泛关注。美国和欧洲等航天研究机构纷纷就如何应对近地小行星撞击地球开展了深入研究,在监测预警[7,8]、在轨处置[9,10]、灾害评估与应对[11-13]等方面开展了大量的工作。其中,在轨处置是指通过航天器在轨作用,将近地小行星偏转出撞击地球轨道或者摧毁破坏其结构,从而消除对地球的威胁。在轨处置直接作用于近地小行星,是应对近地小行星撞击地球问题的关键。目前美国和欧洲航天机构已经提出了多种在轨处置技术,独立或者合作开展了多项在轨处置任务可行性研究[14-16],研发了功能较为完善的在轨处置任务分析与设计仿真平台,在此基础上正在合作实施首个工程化技术在轨演示验证任务——“小行星撞击和偏转评估” (AIDA)任务[16],以验证动能撞击在轨处置技术。

近年来,我国多次发生近地小行星进入大气层的火流星或空爆事件,其中2014年11月5日在我国内蒙古锡林郭勒盟地区、2017年10月4日在我国云南香格里拉、2018年6月1日在我国云南西双版纳、2020年12月23日在我国青海玉树接连发生火流星事件,所幸都未造成人员伤亡。最近的一次发生在2021年7月7日凌晨,我国台湾地区上空出现火流星,巨型火球划过夜空,连续多次的爆闪使得夜空宛如白昼。一系列的火流星和空爆事件引起了我国政府部门和公众对近地小行星撞击地球问题的广泛关注。值得一提的是,2021年4月24日,在 “中国航天日”开幕启动仪式上,国家航天局局长张克俭透露中国航天未来将论证建设近地小行星防御系统,这标志着我国将正式启动应对近地小行星威胁的系统研究。

虽然近年来有关近地小行星撞击地球的威胁问题已经得到了我国的广泛关注,但是由于我国在相关领域起步晚,基础研究条件薄弱,因此与国外相比差距很大。国内对于近地小行星在轨处置问题的研究还处于概念的可行性研究阶段,公开的文献中对动能撞击技术[17-19]、动能撞击任务算法与轨道设计[20,21]、核爆技术[22]、少量的中长期作用防御技术[23,24]和创新性的方案和概念设计[25,26]等方面开展了初步的概念性研究。现阶段我国还没有公开发布的专门在轨处置任务分析与设计软件工具,无法满足我国未来近地小行星在轨处置的工程任务分析与设计需求。

近地小行星在轨处置任务分析与设计软件集成了近地小行星在轨处置任务设计过程中所涉及的近地小行星撞击风险评估、潜在危险近地小行星应对与处置策略制定、任务后处置效果评估等关键内容,是开展近地小行星在轨处置任务方案设计不可或缺的分析与设计工具。美国与欧洲在开展在轨处置相关基础科学问题研究的基础上均研发了相关的软件工具,有力支撑了其在轨演示验证任务的顺利实施。本文通过分析综述国外在近地小行星在轨处置任务分许与设计软件相关领域的研究进展,希望能够为我国发展自主的分析与设计工具提供一定的参考和借鉴。

2 国外近地小行星在轨处置任务分析与设计软件

国外近地小行星在轨处置任务分析与设计软件的开发是在现有深空任务分析工具的基础上,结合在轨处置任务需求逐渐有针对性地发展而来。软件的开发经历了由通用软件工具向专业软件工具、由初步算法到完善的软件平台的发展过程。

2.1 通用深空任务轨道设计软件工具

早期由于没有专门的在轨处置任务分析工具,研究者们只能基于现有的深空任务轨道设计工具,充分利用其轨道优化设计等功能,开展初步的任务分析与设计研究。被较多应用于近地小行星在轨处置任务分析与设计的通用分析软件主要有以下几种[27,28]。

(1)哥白尼 (COPERNICUS)轨道优化设计软件

COPERNICUS最初由得克萨斯大学奥斯汀分校在约翰逊航天中心的技术指导下开发,是一个通用的轨道设计和优化程序,允许用户使用约束、优化变量和成本函数对简单到复杂的任务建模。COPERNICUS可以用来模拟复杂引力场中多个航天器的点质量简单脉冲机动和多个有限脉冲机动。

(2)最优轨道隐式模拟 (OTIS)轨道分析软件

OTIS程序是由美国国家航空航天局 (NASA)格伦研究中心和波音公司共同开发的。OTIS以其原始的隐式积分方法命名,但包含显式积分和解析传播的功能。早期版本的OTIS主要是运载火箭轨道和分析程序,经过程序更新,后期版本可以进行稳健和精确的星际任务分析,包括低推力轨道。

(3)Mystic任务设计软件

Mystic由喷气推进实验室 (JPL)开发,使用静态/动态最优控制 (SDC)方法来进行非线性优化。该软件可以分析星际任务以及复杂引力场中以行星为中心的任务。Mystic的优势之一是它能够自动找到并使用引力辅助,还允许用户计划航天器的运行和导航活动。任务输入和后处理可以使用基于MATLAB的GUI进行。

(4)GMAT(General Mission Analysis Tool)通用任务分析软件

通用任务分析工具 (GMAT)由NASA戈达德航天飞行中心开发,是一个空间轨道优化和任务分析系统。分析人员使用GMAT设计航天器轨道,优化机动,可视化和传达任务参数,并了解任务交互空间。除了许多任务分析系统所共有的特性之外,GMAT相比其他软件的主要优势是GMAT的多功能性。它的脚本功能很容易使用和编辑,不需要计算机语言知识。而且,它的MATLAB插件功能允许用户根据不同的任务扩展个性化功能。

综上所述,通用深空任务轨道设计软件工具并不专用于近地小行星在轨处置任务分析与设计,在没有专门的近地小行星在轨处置任务分析设计软件时,可借助这些工具开展辅助的设计研究,不过由于软件功能与任务需求之间不完全匹配,因而使得整个任务设计过程效率低下。

2.2 任务前设计过程算法[29]

最初专门开发的用于近地小行星在轨处置任务设计的程序主要是一个任务前设计软件工具,用于超高速小行星拦截器 (HAIV)[30]处置威胁地球的小行星。任务前设计过程算法由美国爱荷华州立大学于2012年开发完成,它由几个函数和计算几个初步设计变量的子程序组成。程序假设HAIV由一个主航天器和跟随器组成,携带一个用于穿透地下爆炸任务的核爆炸装置 (NED)。该算法利用HAIV总线和NED有效载荷的质量、到达目标近地天体任务所需的ΔV或C3,以及待分析的运载火箭类别等信息,计算运载火箭的有效载荷容量、任务细节,并分析解决方案。图2提供了任务前设计过程算法的流程图。

图2 任务前设计过程算法流程图[29]Fig.2 Pre-mission design process algorithm flow chart

2.3 NASA/JPL近地小行星偏转应用程序[31]

基于网络的近地小行星偏转应用程序由美国航空航天公司开发,目前该应用程序对公众开放,公开于NASA/JPL近地小行星研究中心网站(https://cneos.jpl.nasa.gov/),线上工具的界面如图3所示。该网络工具主要面向教育目的,旨在向公众阐明近地小行星偏转问题,提高公众对近地小行星未来潜在威胁的认识,并帮助评估可能的缓解办法。该线上分析工具允许用户以交互方式预测给定一组近地小行星特征参数,以及各种减缓任务设计参数,计算在现有和设想的发射能力下所能达到的相对地球偏移量。该线上工具功能正在逐渐完善,允许用户改变任何设计参数,以达到更好的偏移量性能,并确定完成偏转目标所需的任务数量。

图3 NEO行星防御线上工具界面[31]Fig.3 NEO planetary defense on-line tool interface

2.4 小行星任务设计软件工具 (AMiDST)[32,33]

在任务前设计算法开发的基础上,AMiDST整合了现有算法的所有元素,并对其进行了扩展。图4给出了AMiDST软件的分析流程图。设计工具从分析预先确定的目标近地小行星清单开始,以便为个人选定的近地小行星设计任务,或为个人选定的近地小行星建立自定义任务设计。对于预先确定的近地小行星目标清单,该软件遵循先前所述的任务前设计算法来分析所有的发射配置,并在确定用于进一步设计和分析的任务架构之前纳入估计的任务成本。

图4 AMiDST软件分析流程图[32]Fig.4 AMiDST Software analysis flow chart

对于定制任务设计,用户首先输入目标近地小行星和近地轨道出发半径的信息。然后在两种用于任务的航天器中进行选择,即HAIV概念航天器或动能撞击器 (KI)。对于HAIV航天器,有关主航天器、跟随器和NED的质量信息是从用户处获得的,而在KI航天器的情况下,则需要卫星的总质量。在这两种情况下,用户都会被提示在三种任务类型之间做出选择:直接拦截、以10km/s的相对速度直接拦截或交会。然后,软件工具加载适当的下拉菜单图,显示所需的总任务ΔV,用户可以根据需要选择任意多个设计点,从而得到一组发射日期和任务持续时间。考虑到发射日期和任务持续时间,地球与目标近地天体之间的转移轨道完全由兰伯特 (Lambert's)问题决定,允许分析任务的可能发射配置及其估计的任务成本,并进行比较,得出每个给定任务的首选发射配置。软件提供所得到的HAIV或KI航天器的飞行轨道与到达撞击角。由于HAIV设计的目的是彻底摧毁近地小行星,因此软件任务设计不跟踪剩余小行星碎片的轨道,但是,对于KI航天器来说,受到撞击扰动的近地小行星轨道会出现扰动,任务设计将对比观察,比较在施加脉冲扰动后轨道与原轨道的变化。

该软件工具相比其他软件最大的特点和优势,是考虑了诸如任务成本等的工程约束条件。考虑工程约束条件的任务分析与设计软件可以为在轨处置任务的工程化实施提供强大的技术支撑。

2.5 端到端近地小行星威胁减缓软件[34,35]

端到端近地小行星威胁减缓软件由Elecnor Deimos公司开发,开发过程由欧空局 (ESA)于2012年实施的NEOShield[15]工程支持。该软件旨在建立一套完整的工具来全面评估为防止近地小行星对地球的撞击而可以采取的撞击风险减缓行动,并帮助确定空间飞行任务的规模。该软件最大的特点是提供了从撞击风险评估、轨道计算、不同在轨处置手段或其组合的任务设计,提供了从任务开始到结束的 “端到端”软件工具。该软件在开展任务设计时简化了工程约束条件的影响。

该软件由三部分组成,分别为确定近地小行星是否与地球相撞的近地小行星撞击风险评估工具 (NIRAT)、计算所需的近地小行星偏转的近地小行星偏转评估工具 (NEODET)、评估可能的减缓空间任务的设计特点的风险减缓策略评估工具 (RIMISET)工具。

(1)近地小行星风险评估工具-NIRAT

近地小行星撞击风险评估工具 (NIRAT)是一款旨在识别未来可能来自近地小行星的碰撞威胁的软件。

当一颗新的小行星被发现并对其轨道进行估计时,轨道确定解的精度可能存在相关的不确定性。这意味着近地小行星轨道的实际演变可能会大大偏离参考解。如果存在其他行星扰动,它们可能会扩大不确定性区域的规模,从而可能会增加撞击地球的风险。因此,为了确定可能与地球相撞的轨道并提供风险的统计评估,尽可能多的评估与不确定性域兼容的不同轨道是至关重要的。

目前最先进的小行星轨道确定和碰撞风险监测工具是CLOMON2,该工具由比萨大学和其他机构共同管理。该软件的NIRAT功能并不是要实现与CLOMON2相同的精度和完整性,而是旨在通过简单的算法,在用户干预最少的情况下,评估未来可能撞击的风险,提供一个快速评估工具以支持撞击减缓任务的系统级研究。

(2)近地小行星偏转评估工具-NEODET

软件中的第二个工具NEODET,专注于探索一颗小行星在可能的偏转任务中的轨道动力学约束,该小行星此前已被NIRAT认定为威胁。该工具支持两种不同类型的偏转尝试:

①脉冲问题:小行星在位置不变的情况下,速度几乎瞬时变化。这种情况可以模拟动能撞击器的撞击或者核爆炸。

②连续问题:在一段时间内施加的力,施加时间与近地小行星轨道周期相比无法忽略。例如引力牵引方法和离子束偏转方法等。

在每种情况下,工具程序都允许对偏转扰动的正问题或反问题进行评估。在前者中,输入包含对引入扰动的描述 (例如,对于脉冲问题,赋予Δv),而输出是相关的b平面偏转。而对于反问题,输入是期望的b平面位移,输出是产生所需偏转的最佳扰动。

(3)风险减缓策略评估工具-RIMISET

该软件中的最后一个工具RIMISET,旨在评估不同处置方法在特定偏转情况下的性能,并比较其结果。每种处置方法都提供了有关近地小行星的信息、其轨道、从地球到达它的可用运载以及其他特定方法有关的信息。该工具的程序允许定义两个不同的问题,每个问题都有一组不同的优点:

①正问题。在这种情况下,处置方法被限定地球逃逸质量,输出任务可达到的最大偏转效果。基于脉冲偏转的处置方法输出最大的Δv;连续偏转处置方法输出可持续的最长推力时间Tp。

②反问题。即设定这些处置方法在近地小行星上产生一定的偏转,输出满足要求的任务的最小地球逃逸质量。

这种软件设计理念中各工具是互补的。例如NEODET是从轨道力学的角度计算了如何使一个有威胁的近地小行星偏转,换言之,NEODET量化了偏转要求,而RIMISET则评估了实际产生此类偏转的处置方法的性能。与该软件中的其他工具不同,RIMISET没有轨道积分计算能力,它依赖于其他工具的数据,专注于处置方法的实施。三个工具功能之间的有机结合形成了完整的近地小行星在轨处置任务分析与设计能力。该软件功能完整,涵盖了从撞击风险评估到处置后效果分析的在轨处置一整套完整流程,不过该软件最大的缺陷在于软件算法程序开发的过程中简化了工程约束条件的影响,因而限制了该软件的进一步工程应用。

3 结语

综上所述,近几十年来,为应对近地小行星撞击地球的威胁问题,美国和欧洲等航天研究机构纷纷开发了多个专门用于近地小行星在轨处置任务设计的软件工具。但目前这些软件的功能均不够完善,或不具有端到端的全周期在轨处置任务设计与分析能力,或未考虑工程约束条件,因此有待于对软件功能的进一步开发完善。

通过对国外近地小行星在轨处置任务设计与分析软件的研究,可以看出其发展过程具有如下趋势:

(1)由通用化的深空轨道任务设计分析工具向专业化的能够满足近地小行星在轨处置任务的分析工具发展;

(2)由初具在轨处置任务设计功能的算法开发向近地小行星在轨处置全流程任务分析软件发展;

(3)由忽略各种工程约束条件的简化的分析向充分考虑工程约束条件的分析工具发展。

未来随着我国近地小行星防御系统建设的深入推进,必将开展类似AIDA任务的近地小行星在轨处置技术在轨演示验证,然而国外软件对我国实施封锁禁运,我国目前无法通过借助国外软件开展任务分析与设计。为了能够为我国近地小行星在轨处置任务的工程实施提供坚实支撑,开发考虑工程约束条件的 “端到端”在轨处置任务全周期设计分析软件将是我国自主发展的必然选择。