小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評估任務(wù)

宇 涵 （北京大學(xué)行星與空間科學(xué)研究中心）

小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評估任務(wù)

宇 涵 （北京大學(xué)行星與空間科學(xué)研究中心）

The Asteroid Impact and Deflection Assessment (AIDA) Mission

截至2017年5月1日，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了16089顆近地小行星（NEA），其中有1799顆是對地球有潛在危險(xiǎn)的小行星（PHA）。目前，全世界各研究機(jī)構(gòu)已提出數(shù)十種避免和減輕小行星撞擊風(fēng)險(xiǎn)的方法，其中一種是動(dòng)力撞擊偏轉(zhuǎn)軌道。當(dāng)前的問題是深入掌握撞擊對小行星軌道的效應(yīng)，對撞擊器大小、速度、撞擊方向以及如何選擇撞擊位置進(jìn)行深入研究。

“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評估任務(wù)”（AIDA）是歐洲航天局（ESA）、美國航空航天局（NASA）以及霍普金斯大學(xué)合作的在研項(xiàng)目。該項(xiàng)目由兩部分構(gòu)成，一個(gè)是“雙小行星再定向測試”（DART），由NASA負(fù)責(zé)；另一個(gè)是“小行星撞擊監(jiān)視器”（AIM），由ESA負(fù)責(zé)。其中，“雙小行星再定向測試”撞擊目標(biāo)小行星，“小行星撞擊監(jiān)視器”主要觀測與研究撞擊效應(yīng)。

1 “小行星撞擊監(jiān)視器”

“小行星撞擊監(jiān)視器”的目標(biāo)是撞擊65803號迪蒂莫斯雙小行星系統(tǒng)中較小的一顆—迪代莫恩小行星，其直徑約170m，計(jì)劃于2020年10月發(fā)射，2022年6月到達(dá)迪蒂莫斯小行星。

“小行星撞擊監(jiān)視器”攜帶的儀器包括可見光成像系統(tǒng)（VIS）、熱紅外成像儀（TIRI）、高頻雷達(dá)（HFR）和低頻雷達(dá)（LFR）。小行星撞擊任務(wù)探測器至少攜帶3個(gè)小的著陸器，一個(gè)是由德國研制的小行星表面移動(dòng)偵察機(jī)－2（Mascot－2），另兩顆是立方體衛(wèi)星。小行星表面移動(dòng)偵察機(jī)－2攜帶了收發(fā)分置雷達(dá)，測量小行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面機(jī)械強(qiáng)度、反照率和熱發(fā)射性質(zhì)。立方體衛(wèi)星用于研究小行星表面成分，測量重力場，評估小行星受到“雙小行星再定向測試”撞擊時(shí)的塵埃和羽煙，監(jiān)測振動(dòng)狀態(tài)。

可見光成像系統(tǒng)

用于導(dǎo)航和科學(xué)測量，所拍圖像的分辨率約0.5m。該系統(tǒng)將用于精確地確定迪代莫恩小行星在撞擊前后的形狀、大小以及動(dòng)力學(xué)狀態(tài)（周期、軌道的極向、自旋周期），也能成像整體表面特征，進(jìn)行實(shí)時(shí)的拋射物觀測。在撞擊以后，可見光成像系統(tǒng)將用于確定撞擊坑的密度，比較2顆小行星的地貌形態(tài)。

熱紅外成像儀

熱紅外成像儀主要描述迪代莫恩小行星表面性質(zhì)的差別，例如裸露的巖石對比顆粒或塵埃表面；測量小行星表面的熱性質(zhì)，這種性質(zhì)與土壤的結(jié)構(gòu)有關(guān)，對雅克夫斯基效應(yīng)有影響。熱紅外成像儀也用于監(jiān)測撞擊瞬間表面性質(zhì)以及拋射物的變化，詳細(xì)地測量撞擊所產(chǎn)生的坑。

高頻雷達(dá)

高頻雷達(dá)的主要目的是獲得小行星外表面和表面下深達(dá)10m內(nèi)的結(jié)構(gòu)信息。用高頻雷達(dá)對迪代莫恩小行星進(jìn)行掃描，可以使科學(xué)家研究表層下的分層結(jié)構(gòu)。

低頻雷達(dá)

低頻雷達(dá)主要是獲取小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，分辨率為30m。小行星撞擊任務(wù)探測器和著陸器都攜帶一個(gè)發(fā)射機(jī)和低頻雷達(dá)接收機(jī)，信號可以在迪代莫恩小行星整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)送。

激光通信

光學(xué)下聯(lián)系統(tǒng)將在軌驗(yàn)證長距離發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。從迪代莫恩小行星表面和表面下收集到的大量數(shù)據(jù)將經(jīng)過激光束返回到歐洲航天局的光學(xué)地面站，完成來自深空的高帶寬光學(xué)通信。

2 “雙小行星再定向測試”

“雙小行星再定向測試”的目標(biāo)是迪蒂莫斯雙小行星系統(tǒng)。迪蒂莫斯是食雙星（相互繞轉(zhuǎn)，彼此掩食），通過地面光曲線測量可以準(zhǔn)確地確定小的周期變化。另外，迪蒂莫斯在2022年10月靠近地球，特別適合于攔截、交會(huì)和地基觀測。

“雙小行星再定向測試”將了解超聲速撞擊對小行星的效應(yīng)，包括撞擊拋射物的長期動(dòng)力學(xué)；驗(yàn)證小行星撞擊的動(dòng)量轉(zhuǎn)移模式，推斷小行星表面和表面下的物理性質(zhì)。該測試將使用地基設(shè)備，通過測量雙星的軌道周期變化來測量軌道偏轉(zhuǎn)。撞擊會(huì)使迪蒂莫斯11.92h的軌道周期變化至少幾分鐘。在幾個(gè)月的觀測期間，這個(gè)變化可以確定在10%的精度內(nèi)。

“雙小行星再定向測試”使用電推進(jìn)系統(tǒng)，質(zhì)量大于300kg，有一副直徑為1m的高增益天線，攜帶一個(gè)高分辨率可見光成像儀，用于測量撞擊前小行星表面的形態(tài)和地質(zhì)特征，并將撞擊點(diǎn)確定在目標(biāo)直徑的1%以內(nèi)。“雙小行星再定向測試”還有精確的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)。

該測試有多個(gè)發(fā)射窗口，其中一種選擇是將發(fā)射時(shí)間選在2020年12月18日，軌道保持在到太陽的距離接近1AU（天文單位），到地球的最大距離小于0.21AU。撞擊迪代莫恩小行星的速度為7.03km/s，到達(dá)方向相對于迪蒂莫斯的軌道平面為27.5°。質(zhì)量為300kg，將以6.25km/s的速度撞擊目標(biāo)，預(yù)計(jì)目標(biāo)小行星速度的變量大約在0.4mm/s，對系統(tǒng)的日心軌道只能產(chǎn)生很小的變化。小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評估任務(wù)將提供關(guān)于小行星強(qiáng)度、表面物理性質(zhì)和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，對于計(jì)算撞擊坑的大小和動(dòng)量輸送效率等參數(shù)非常重要。“雙小行星再定向測試”將在2021年11月16日飛越3361號小行星，2022年9月20日撞擊迪蒂莫斯小行星。