“雙小行星重定向測試”任務分析

王帥 趙琪 秦陽（北京空間科技信息研究所 中國航天科技集團有限公司）

2021年11月24日，全球首次近地天體撞擊防御技術試驗任務—“雙小行星重定向測試”（DART）探測器搭乘獵鷹－9（Falcon－9）運載火箭發射。DART是一項行星防御技術試驗任務，將首次試驗用于改變小行星運行軌道的動能撞擊技術，為防止小行星撞擊地球奠定技術基礎。此次任務不僅將推動技術驗證和能力提升，還將助力美國國家航空航天局（NASA）在行星防御領域具備更強的影響力和話語權。

1 任務背景

太陽系中存在著數量龐大的小天體（小行星、彗星等），部分距離地球較近的小天體可能撞擊地球，引發巨大災難。導致恐龍滅絕的全球性災難以及2013年發生的俄羅斯車里雅賓斯克隕石撞擊事件，都顯示地球時刻處于小天體撞擊的威脅之中。預計平均每間隔10000年左右，就會有直徑大于100m的巖質或鐵質小行星到達地球表面并造成大規模災難。

20世紀90年代以來，各國越發關注近地天體撞擊地球的潛在威脅，開始實施行星防御活動。行星防御包括檢測和警告潛在的小行星或彗星撞擊地球，然后阻止或減緩其影響的能力。盡管NASA早在1992年就開始研討攔截近地天體的問題，但一直以來，各國的行星防御工作集中于近地天體的調查，即小天體監測。在近地天體撞擊防御方面，提出了核爆、動能撞擊、引力拖車等多種技術方案，但始終處于理論研究階段。

直到21世紀10年代，NASA和歐洲航天局（ESA）聯合提出了全球首個小行星軌道偏轉計劃—“小行星撞擊與偏轉評估”（AIDA）計劃。AIDA分為兩次任務，由美國實施DART任務，以撞擊雙小行星系統中的一顆小行星；由歐洲實施“小行星撞擊任務”（AIM），以監測小行星軌道與結構在撞擊前后的變化。

2016年，由于德國無法出資，歐洲的AIM任務被取消。2018年，歐洲決定實施另一項比AIM任務規模更小的任務——“赫拉”（Hera），任務計劃于2024年發射，并于2026年飛抵DART任務撞擊的雙小行星系統，對兩顆小行星進行詳細調查，特別關注DART探測器撞擊產生的隕石坑，并精確確定小行星的質量。歐洲任務的調整對于AIDA計劃產生了一定的影響，Hera任務無法像被取消的AIM任務一樣在撞擊前對小行星進行詳細探測，也無法觀測整個撞擊過程，只能觀測撞擊后的雙小行星系統的特征、軌道及其旋轉變化等情況。盡管如此，Hera的撞擊后調查仍將大大增強從DART小行星偏轉測試中獲得的行星防御信息，為未來的小行星防御技術研發提供基礎數據。

DART任務由NASA行星防御協調辦公室（PDCO）和科學任務部的行星科學部門負責，具體由NASA馬歇爾航天飛行中心（MSFC）的太陽系探索計劃（SSEP）管理，由約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）領導研制，NASA下屬的噴氣推進實驗室（JPL）、戈達德航天飛行中心（GSFC）、約翰遜航天中心（JSC）、格倫研究中心（GRC）、蘭利研究中心（LaRC）等為任務提供了支持，美國多所院校及天文臺也參與了任務研制與觀測。此外，DART任務還攜帶了意大利航天局（ISA）提供的立方體衛星。

“小行星撞擊與偏轉評估”計劃

2 任務基本情況

任務目標

DART任務是一項行星防御試驗任務，將撞擊近地雙小行星系統—“迪蒂莫斯”（Didymos）中較小的天體，試驗用于改變小行星運動軌道的動能撞擊技術。DART將揭示動能撞擊過程中噴射物反沖動量的影響，幫助改進動能撞擊影響的模型，降低預期撞擊影響的不確定性，從而有助于未來的任務設計。

Didymos系統并不存在撞擊地球的威脅，但由于其較小天體的尺寸與對地球造成重大威脅的典型小行星大小相近，并且很容易通過觀測小天體環繞大天體的周期變化了解撞擊造成的影響，同時交會的難度較低，撞擊也不會增加小行星撞擊地球的風險，因此Didymos是行星防御試驗的理想對象。

Didymos系統的主天體Didymos直徑約780m；次天體“迪摩法斯”（Dimorphos）直徑約160m，與可能對地球構成重大威脅的典型小行星大小相近。Dimorphos環 繞Didymos運行，環繞軌道的半長軸為1.1km，周 期 為11.9h。DART探測器將以6.6km/s的速度撞擊Dimorphos，撞擊將改變Dimorphos環繞Didymos運行速度的1%，導致環繞軌道周期改變數分鐘，這樣的改變足以使地基望遠鏡進行觀察和測量。

DART任務將測試動能撞擊對于小行星動力學的影響，以及完成對小行星撞擊后響應的觀測。DART的任務目標可以歸結為：①演示驗證對Dimorphos的動能撞擊；②改變Dimorphos環繞Didymos的軌道周期；③利用地基望遠鏡觀測撞擊前后Dimorphos軌道周期的變化；④測量撞擊和由此產生的噴射物對于Dimorphos的影響。

系統組成和有效載荷

DART探測器是一個簡易的低成本航天器，主體為一個攜帶單一儀器的動能撞擊器。DART探測器發射質量約為610kg，撞擊時質量約為550kg。DART攜帶了50kg用于機動和姿態控制的肼推進劑，以及60kg用于離子推進技術驗證發動機的氙氣。DART中心結構尺寸為1.2m×1.3m×1.3m，包含延伸結構的主體尺寸為1.8m×1.9m×2.6m。

DART安裝了2副“推出式太陽能電池陣列”（ROSA），單個ROSA展開后尺寸為8.6m×2.3m。通信系統采用X頻段，包括2個半球狀低增益天線和1個用于高增益通信的“徑向線槽天線”（RLSA）。主要姿態傳感器為慣性測量單元（IMU）和星敏感器，5個數字太陽敏感器為安全模式提供太陽方向信息。

DART攜帶2套推進系統，其中化學推進系統由多臺推進器組成，單個推進器的推力為0.2磅，用于軌道修正機動和姿態控制；電推進系統為NASA研制的新一代太陽能電推進系統——“進化氙氣推進器-商用”（NEXT-C），使用氙氣作為推進劑，主要用于軌道轉移，為發射提供更多的靈活性。化學推進系統將在巡航期間進行多次軌道修正，并在靠近小行星時的最后一刻改變方向，以確保DART準確地撞擊目標。

DART攜帶1臺“迪蒂莫斯勘察和小行星光學導航相機”（DRACO），該相機的設計基于“新視野”（New Horizons）探測器的高分辨率成像儀，主要用于支持近場光學導航和終端階段的自主導航，以及測量小行星目標的大小和形狀，并確定撞擊地點和地質背景。DRACO采用20cm孔徑的里奇-克萊琴（Ritchey-Chretien）望遠鏡，視野為0.29°，分辨率為0.5”/像素。

此外，探測器還攜帶1顆由ISA提供的6U立方星，即“意大利小行星成像輕型立方星”（LICIACube）。DART將在撞擊前大約10天部署LICIACube，后者將捕獲DART撞擊的圖像、由此產生的噴射物云，并可能瞥見Dimorphos表面的撞擊坑。LICIACube的設計基于阿爾戈泰克（Argotec）公司開發的6U平臺，上面攜帶了兩種儀器，分別用于從遠距離獲取高分辨率圖像的窄視場全色相機——LICIACube小行星探測器成像（LEIA），以及能夠進行小行星環境多色分析的寬視場RGB相機——LICIACube單元關鍵探測器（LUKE）。

DART探測器構型圖

任務過程

2021年11月24日，DART探測器搭乘獵鷹－9火箭發射，并計劃于2022年9月下旬撞擊Didymos系統。

選擇2022年秋季撞擊主要是為了最大限度地減少撞擊時Didymos與地球之間的距離，以實現最高質量的地基觀測。屆時，Didymos距離地球約1.1×107km，星等大約為14～15，孔徑低至1m的地基望遠鏡都可以獲得有用的數據。全球各地的多臺地基望遠鏡和雷達將參與觀測活動，以測量動能撞擊產生的影響。在條件允許的情況下，天基望遠鏡也將在撞擊期間對Didymos系統進行觀測，包括“哈勃空間望遠鏡”以及即將發射的“詹姆斯·韋伯空間望遠鏡”等。觀測得到的數據連同對噴射物演化的研究，將提供對DART撞擊影響更全面的理解。

3 任務特點分析

首次近地天體撞擊防御技術試驗

DART旨在測試和驗證一種減緩小行星撞擊地球威脅的方法，是全球首次演示動能撞擊器使小行星軌道發生偏轉的任務。DART將實際演示驗證動能撞擊技術，證明該技術在應對小天體撞擊地球威脅時的可行性。DART將解答關于動能撞擊器技術的一個關鍵問題，即撞擊產生的噴射物的影響，從而降低撞擊模型計算的不確定性。DART作為NASA為實現行星防御目標而開發的首次任務，將推動NASA的行星防御戰略，為未來實際行星防御任務奠定基礎。NASA實施首次近地天體撞擊防御技術試驗，不僅有利于技術的驗證和能力的提升，還將助力NASA在行星防御領域具備更強的影響力和話語權。

DART任務影響小行星軌道示意圖（演示了DART的撞擊如何改變Dimorphos環繞Didymos的軌道）

事實上，NASA早在10多年前就開展了類似的動能撞擊活動，2005年發射的“深度撞擊”（Deep Impact）曾向坦普爾－1（Tempel－1）彗星發射了一個370kg的銅制撞擊器，2011年“星塵”（Stardust）探測器則在擴展任務期間再次訪問坦普爾－1彗星，探尋撞擊對彗星軌道的影響并測量了“深度撞擊”造成的撞擊坑。正在進行的小行星采樣返回任務——“歐西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）也曾對影響小行星軌道的雅科夫斯基效應進行了測量。然而，之前的探測活動重點在于科學探測，“深度撞擊”主要目標是通過釋放拋射物對彗星撞擊使其露出彗核，從而詳細了解彗核物理特性，而對于撞擊產生的影響，特別是對于小天體軌道的影響僅獲得了非常有限的信息。“深度撞擊”任務僅試驗了動能撞擊技術，而未針對動能撞擊在行星防御領域的作用和效能進行深入研究。

撞擊雙星實現微小變化觀測

DART任務是一項低成本小型任務，航天器結構簡單，并且能力有限，但通過巧妙設計使地基設施能夠直接觀測到小行星軌道的微小變化。動能撞擊的機理是使小行星環繞太陽的軌道發生變化，進而偏離撞擊地球的軌道，從而緩解小行星撞擊地球的威脅。然而由于小行星質量非常大，數百千克的航天器高速撞擊也只能產生mm/s至cm/s的速度增量，對小行星環繞太陽軌道的即時影響非常小，測量這種微小變化極具挑戰性。DART為克服這一困難，選擇撞擊雙小行星系統的較小天體，其環繞主天體的軌道速度僅為每秒數十厘米，動能撞擊產生的速度增量可以產生大于7min的軌道周期變化，可以非常容易地由地基設施進行測量，以評估DART撞擊的有效性。

先進光學導航實現精準撞擊

DART將借助光學導航相機DRACO和復雜的自主導航軟件，在距離地球1.1×107km處實現對直徑約160m目標小行星的精準撞擊。利用數十年的導彈制導專業知識，APL開發了“小型機動自主實時導航”（SMART Nav）算法，以自主引導航天器飛向目標。在DART撞擊前的幾小時，DRACO就將提供8×104km以外的目標信息，SMART Nav將使用來自DRACO的圖像識別和區分Dimorphos與Didymos，而傳統的導航技術只能在距離目標15km左右時獲得目標信息。DART將完全自主地跟蹤目標天體，執行軌道機動，調整航天器軌跡以確保與目標天體的撞擊。SMART Nav將在APL開發的基于“現場可編程門陣列”（FPGA）的創新型小型航空電子設備上運行。

試驗驗證多項新型航天技術

DART不僅在任務層面驗證動能撞擊器技術，還將驗證多項新型航天技術。除了驗證先進的光學導航系統之外，DART在推進系統、能源系統以及通信系統方面均試驗了創新技術。推進系統采用了NASA與航空噴氣洛克達因公司（Aerojet Rocketdyne）開發的新一代太陽能電推進系統，相比于NASA此前使用的系統，NEXT-C提高了比沖、推進劑效率以及操作靈活性，后續的“新疆域”（New Frontier）和“發現”（Discovery）任務將受益于這項技術的發展。能源系統采用在“國際空間站”上試驗成功的ROSA，相比于傳統太陽能電池陣列更輕、更緊湊，DART將是首個利用這種新型太陽能電池陣列的航天器。并且ROSA的一小部分將配備APL開發的“變革型太陽能電池陣列”（Transformational Solar Array），該陣列具有非常高效的太陽能電池和反射聚光器，提供的功率是當前太陽能電池陣列技術的3倍。通信系統采用新型徑向線槽陣列，這種低成本、高增益的天線能夠以緊湊的平面形式實現高效通信，以3Mbit/s的速度將圖像傳回地球，從而能夠在撞擊前的最后17s內至少拍攝、處理和傳輸一張圖像。

多方參與以最大化任務效能

DART任務在計劃層面、任務層面、科學研究層面均引入了大量的參與者，從而最大化任務在國際合作、引領創新方面的作用。計劃層面，DART與歐洲的Hera任務共同構成“小行星撞擊與偏轉評估”國際合作計劃，兩者的探測將促進行星防御知識的擴展。任務層面，DART將攜帶意大利提供的立方體衛星，以提供近距離的觀測。同時，DART航天器攜帶的各項創新技術中有著大量美國院校以及企業的參與。科學研究層面，DART更是尋求全球各地的觀測者參與，世界各地的多個天文臺將共同觀測這一動能撞擊產生的影響。聯合觀測不僅可以降低惡劣天氣以及設備故障的風險，還可以增強美國在行星防御領域的影響力，促進世界各地科學家和工程師尋求通過國際合作解決與行星防御的相關問題。

4 小結

根據當前的觀測與預報結果，百年之內并不存在較大的小天體撞擊地球的威脅，行星防御活動本身的迫切性并不高。然而，由于這是一項全人類面臨的重大威脅，與應對氣候變化類似，開展行星防御活動有著巨大的政治影響和外交作用。在解決人類生存問題上領導相關活動，是引領全球規則體系的重要一環，因此美國在行星防御活動方面一直非常積極，主導了全球的小天體監測活動，并實施全球首次近地天體撞擊防御技術試驗任務。美國一直將小天體定位為新技術試驗的絕佳場所，其過去的小天體探測任務均為小型任務，在進行科學探測的同時試驗了大量設計方案和新型技術。DART任務在開展時就非常注重創新技術的試驗驗證，多項技術試驗將為未來任務提供更強的能力。與此同時，DART任務還是合作方面的典型案例，盡管航天器主體的研制基本全部由美國完成，但在計劃層面、任務層面、科學研究層面均引入了大量國際合作伙伴以及國內院校和企業，不僅增強了美國在行星防御的影響力，而且有助于牽引美國創新實力的提升。