美欧合作的近地小行星防御任务进展

李虹琳,党丽芳

(中国航天系统科学与工程研究院,北京 100037)

2020年9月,欧洲航天局 (ESA)授出价值约1.3亿欧元的合同,由德国卫星制造商OHB系统公司牵头的泛欧财团共同研制建造 “赫拉”小行星探测器[1]。这是美欧合作的 “小行星撞击和偏转评估”任务的重要组成部分,该任务将验证利用动能撞击技术偏转小行星轨道的可行性,是目前全球唯一即将开展的近地小行星防御技术验证任务。近地小行星防御主要用于防御可能撞击地球,或对地球具有潜在威胁的近地小行星①近地小行星轨道在距离太阳1.3AU(AU是天文单位,1AU=1.496×108km)范围内,离地球轨道距离小于0.3AU。一般将距离地球轨道最小距离在0.05AU范围内、直径大于140m的小行星定义为具有潜在威胁小行星。为保证地球安全,通常情况下提前编目小行星,预测其未来是否会成为具有潜在威胁小行星,以便提前预警,并在深空实施近地小行星防御技术。,是人类主动采取措施 (行动)偏转或摧毁小行星的手段,其相关技术可用于侦察、偏转、毁伤在轨航天器,军事应用潜力巨大。

1 任务背景

近地天体威胁是一种 “可能性极低但后果严重”的灾害。美国和欧洲长期开展近地天体防御研究,重点致力于近地小行星防御技术研究,并提出多项任务概念与设想,如美国国家航空航天局 (NASA)的 “阿波菲斯探索与减缓平台”(AEMP)、 “超高速小行星拦截器” (HAIV)、“表面和内部科学撞击器” (ISIS),ESA的 “堂吉诃德”、 “近地小行星防护盾” (NEOShield)等[2]。为进一步加强近地小行星防御技术研究与验证,美欧于2015年提出合作开展 “小行星撞击和偏转评估”任务,着重推进近地小行星防御技术的相关验证工作,目前该任务已进入探测器建造和组装阶段。

近年来,美欧开始从国家战略层面规划近地小行星防御研究。美国白宫于2018年6月发布《国家近地天体防备战略与行动规划》,从国家层面谋划如何构建近地天体威胁防御体系,并提出研发偏转来袭近地天体运行轨道的技术。2019年的欧洲部长级会议明确表示近地小行星防御是欧洲太空安全计划的一部分。2020年3月,美国国家航空航天局 (NASA)和美国国家科学院在即将启动的 “2023-2032年行星科学十年调查”任务声明中指出,行星防御将是下一个十年的重点研究领域,是NASA整体行星科学计划的重要组成部分。联合国和平利用外层空间委员会设立了空间任务规划咨询组,专门负责开展行星防御方法研究,评估防御手段的有效性,推动行星防御任务设计与实施领域的国际合作。

目前,近地小行星防御有两种基本防御方式:一是改变小行星轨道,使之避开地球,按作用时间,可以分为短期防御技术和长期防御技术,短期防御技术主要包括核爆和动能撞击,长期防御技术包括拖船和引力牵引等;二是使小行星分裂成碎片,使碎片避开地球或将碎片的破坏性降到最低,主要通过核爆技术实现。由于小行星分裂成碎片的过程具有较大的不可预见性,所以在预警时间充分的条件下,改变小行星轨道的方法更为合适[2]。

近地小行星防御涉及的共性关键技术包括:小行星伴飞轨道姿态控制、大功率长寿命电推进、大功率高效能源供应、深空高精度导航定位、深空高可靠自主管理、非合作高速运动目标拦截制导与控制等技术。不同的防御方式还需要开发特有的关键技术,如通过精准控制等技术实现利用核爆技术精准拦截来袭小行星;通过高精度目标识别与跟踪、先进精确制导等技术实现利用动能撞击器改变来袭小行星的轨道[2]。

图1 近地小行星防御技术分类图[2]Fig.1 Classification of near-Earth asteroid defense technologies

2 任务基本情况

“小行星撞击和偏转评估”任务是美欧合作开展的首个国际小行星防御任务,用于支撑行星防御战略规划,开发小行星偏转技术与所需能力。

2.1 任务概述

该任务由NASA和ESA牵头,约翰·霍普金斯大学应用物理实验室、德国航空航天中心和科特迪瓦天文台参与研究,目标天体是双小行星系统 “戴迪莫斯”(Didymos)及其卫星 “戴莫福斯”(Dimorphos)。任务实施方案如下:先开展由NASA负责的 “双小行星重定向测试” (DART)子任务,用小行星撞击器撞击 “戴莫福斯”,使其偏离运行轨道;再开展由ESA负责的 “赫拉”(Hera)子任务,利用小行星交会探测器观测“戴莫福斯”,测绘其表面撞击坑图像,与以往主要采用地基望远镜观测小行星不同的是,这次利用 “赫拉”探测器近距离测量 “戴莫福斯”受撞击后的运行轨道变化,将获得更详细的数据。此外,“赫拉”子任务还将对 “戴迪莫斯”小行星开展深空科学探测[3]。

2.2 美国负责的撞击任务 “双小行星重定向测试”

2.2.1 任务方案

“双小行星重定向测试” (DART)任务是首个采用动能撞击技术偏转小行星运行轨道的验证任务,将对极暗弱目标探测与精准识别、深空高精度自主导航定位、非合作目标高精度相对定位、高速运动非合作目标拦截的高精度制导控制、飞行器高可靠自主生存、先进能源与推进等关键技术进行在轨验证[4]。该任务由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室领导,并得到NASA喷气推进实验室、戈达德太空飞行中心和约翰逊太空中心的支持,由NASA行星防御协调办公室资助和管理。任务目标是:在撞击前拍摄 “戴迪卫星”的高分辨率图像;采用精确自主导航与制导,撞击直径160m的 “戴莫福斯”的中心;利用立方星观测撞击瞬间的情况。

DART探测器是一个动能撞击器,平台重约500kg,采用卷轴式太阳能帆板,完全展开时,探测器长12.5m、宽2.4m。化学推进系统由12个MR-103G肼推力器组成,每个推力器有1N推力,帮助探测器到达目的地并撞击目标。电推进系统采用 “NASA进化氙气推进器—商用型”(NEXTC)推力器,以验证其轨道修正能力和未来应用潜力。导航系统由 “戴迪莫斯”侦察与光学导航小行星相机,以及采用 “小天体机动自主实时导航”算法的导航软件组成,可使探测器自主飞行到 “戴迪莫斯”双小行星系统,通过精确制导实现对 “戴莫福斯”的撞击。此外,DART探测器还将携带一颗意大利立方星,用于监测撞击时发生的所有情况[5]。

2.2.2 进度安排

2017年6月,DART探测器所用的卷轴式太阳能帆板完成国际空间站上的测试;同年,NASA批准探测器从概念开发阶段转入初步设计阶段;2018年8月,DART探测器进入最终设计、建造和组装阶段;2019年4月,NASA选定SpaceX公司 “猎鹰”-9运载火箭发射DART探测器;2020年3月,探测器的电推进系统完成性能和环境测试;2020年5月,喷气洛克达因公司向NASA交付探测器的电推进系统。DART探测器计划2021年7月发射,预计2022年9月到达 “戴迪莫斯”双小行星系统,并以大约6km/s的速度撞击 “戴莫福斯”[6]。

图2 DART探测器构型Fig.2 Configuration of DART probe

图3 DART探测器撞击示意图[5]Fig.3 Diagram of DART probe impact

图4 Hera任务运行示意图[8]Fig.4 Schematic diagram of Hera task operation

3 欧洲负责的观测任务 “赫拉”

3.1 任务方案

“赫拉”(Hera)任务是人类首个与双小行星系统交会并观测的任务,将对受撞击后的 “戴莫福斯”进行详细勘测,首次验证或改进小行星撞击过程的数值模型,旨在培养欧洲监测太空危险和保护地球的能力。任务目标是:研究行星防御技术,研究动能撞击器撞击小行星所产生的影响;验证深空立方星技术;获得 “戴迪莫斯”双小行星系统的科学数据[7]。

“赫拉”探测器干质量约350kg,加满推进剂后重达800kg;采用太阳能帆板和肼推进系统;配备 “小行星取景相机”、激光雷达、高光谱成像仪和无线电科学试验等科学仪器,对 “戴迪莫斯”双小行星系统进行科学探测,重点观测被DART探测器撞击后 “戴莫福斯”的表面情况和轨道变化情况。此外, “赫拉”还携带2颗深空立方星,即 “小行星勘察探测器”和 “朱文塔斯”,用于辅助观测 “戴莫福斯”[8]。

3.2 进度安排

2018年3月,“赫拉”探测器进入初步设计阶段,6月进入工程研制阶段,由德国OHB系统公司负责建造;2019年1月,该任务选定要携带的2颗立方星,11月获得欧洲部长级会议正式批准发射;2020年进入全面研制阶段。“赫拉”探测器计划2024年①Hera探测器晚于DART探测器2年发射,原因在于受撞击的小行星需要经过一定时间,运行轨道才会出现明显变化,此举是为了更好地勘察动能撞击技术对小行星轨道偏转的影响。发射,2026年到达 “戴迪莫斯”双小行星系统,并部署立方星,开展科学探测,重点对DART探测器动能撞击后的 “戴莫福斯”进行详细观测。

4 结语

美欧合作的 “小行星撞击和偏转评估”任务所采用的动能撞击技术,从目前技术发展角度来说是一种较为简单可行的近地小行星防御技术,该任务推动了短期防御技术的进一步发展。未来,主要航天国家/地区也将继续推动近地小行星长期防御技术的发展。近地小行星防御技术不仅是降低小行星撞击地球风险,规避小行星撞击带给社会和自然界威胁的有效手段,还是典型的军民两用技术,与太空安全领域存在大量共性关键技术,该技术本身及其可转化为太空对抗技术的特性使其极具军事应用潜力。

同时,鉴于近地小行星撞击地球的风险是世界范围的危害,国际合作将是有效的应对手段。目前已被确认的超过2万颗近地小行星中有1876颗被认为具有 “潜在危险性”,可能对地球安全和人类生存构成巨大威胁。因此,近地小行星防御被多国视为维护地球与国家安全的重要领域。近地小行星防御任务周期长、规模大、经费多,影响面广,更加需要各个航天大国开展通力合作,不仅可以分担部分经费,发挥各国技术专长,还可以促进全球联合近地小行星防御体系的建立,共同应对小行星对地球的威胁。