王帥 趙琪 秦陽(yáng)（北京空間科技信息研究所 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司）

2021年11月24日，全球首次近地天體撞擊防御技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)—“雙小行星重定向測(cè)試”（DART）探測(cè)器搭乘獵鷹－9（Falcon－9）運(yùn)載火箭發(fā)射。DART是一項(xiàng)行星防御技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)，將首次試驗(yàn)用于改變小行星運(yùn)行軌道的動(dòng)能撞擊技術(shù)，為防止小行星撞擊地球奠定技術(shù)基礎(chǔ)。此次任務(wù)不僅將推動(dòng)技術(shù)驗(yàn)證和能力提升，還將助力美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在行星防御領(lǐng)域具備更強(qiáng)的影響力和話語(yǔ)權(quán)。

1 任務(wù)背景

太陽(yáng)系中存在著數(shù)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(fā)巨大災(zāi)難。導(dǎo)致恐龍滅絕的全球性災(zāi)難以及2013年發(fā)生的俄羅斯車?yán)镅刨e斯克隕石撞擊事件，都顯示地球時(shí)刻處于小天體撞擊的威脅之中。預(yù)計(jì)平均每間隔10000年左右，就會(huì)有直徑大于100m的巖質(zhì)或鐵質(zhì)小行星到達(dá)地球表面并造成大規(guī)模災(zāi)難。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，各國(guó)越發(fā)關(guān)注近地天體撞擊地球的潛在威脅，開(kāi)始實(shí)施行星防御活動(dòng)。行星防御包括檢測(cè)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(kāi)始研討攔截近地天體的問(wèn)題，但一直以來(lái)，各國(guó)的行星防御工作集中于近地天體的調(diào)查，即小天體監(jiān)測(cè)。在近地天體撞擊防御方面，提出了核爆、動(dòng)能撞擊、引力拖車等多種技術(shù)方案，但始終處于理論研究階段。

直到21世紀(jì)10年代，NASA和歐洲航天局（ESA）聯(lián)合提出了全球首個(gè)小行星軌道偏轉(zhuǎn)計(jì)劃—“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評(píng)估”（AIDA）計(jì)劃。AIDA分為兩次任務(wù)，由美國(guó)實(shí)施DART任務(wù)，以撞擊雙小行星系統(tǒng)中的一顆小行星；由歐洲實(shí)施“小行星撞擊任務(wù)”（AIM），以監(jiān)測(cè)小行星軌道與結(jié)構(gòu)在撞擊前后的變化。

2016年，由于德國(guó)無(wú)法出資，歐洲的AIM任務(wù)被取消。2018年，歐洲決定實(shí)施另一項(xiàng)比AIM任務(wù)規(guī)模更小的任務(wù)——“赫拉”（Hera），任務(wù)計(jì)劃于2024年發(fā)射，并于2026年飛抵DART任務(wù)撞擊的雙小行星系統(tǒng)，對(duì)兩顆小行星進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，特別關(guān)注DART探測(cè)器撞擊產(chǎn)生的隕石坑，并精確確定小行星的質(zhì)量。歐洲任務(wù)的調(diào)整對(duì)于AIDA計(jì)劃產(chǎn)生了一定的影響，Hera任務(wù)無(wú)法像被取消的AIM任務(wù)一樣在撞擊前對(duì)小行星進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，也無(wú)法觀測(cè)整個(gè)撞擊過(guò)程，只能觀測(cè)撞擊后的雙小行星系統(tǒng)的特征、軌道及其旋轉(zhuǎn)變化等情況。盡管如此，Hera的撞擊后調(diào)查仍將大大增強(qiáng)從DART小行星偏轉(zhuǎn)測(cè)試中獲得的行星防御信息，為未來(lái)的小行星防御技術(shù)研發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

DART任務(wù)由NASA行星防御協(xié)調(diào)辦公室（PDCO）和科學(xué)任務(wù)部的行星科學(xué)部門負(fù)責(zé)，具體由NASA馬歇爾航天飛行中心（MSFC）的太陽(yáng)系探索計(jì)劃（SSEP）管理，由約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（APL）領(lǐng)導(dǎo)研制，NASA下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）、戈達(dá)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(wù)提供了支持，美國(guó)多所院校及天文臺(tái)也參與了任務(wù)研制與觀測(cè)。此外，DART任務(wù)還攜帶了意大利航天局（ISA）提供的立方體衛(wèi)星。

“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評(píng)估”計(jì)劃

2 任務(wù)基本情況

任務(wù)目標(biāo)

DART任務(wù)是一項(xiàng)行星防御試驗(yàn)任務(wù)，將撞擊近地雙小行星系統(tǒng)—“迪蒂莫斯”（Didymos）中較小的天體，試驗(yàn)用于改變小行星運(yùn)動(dòng)軌道的動(dòng)能撞擊技術(shù)。DART將揭示動(dòng)能撞擊過(guò)程中噴射物反沖動(dòng)量的影響，幫助改進(jìn)動(dòng)能撞擊影響的模型，降低預(yù)期撞擊影響的不確定性，從而有助于未來(lái)的任務(wù)設(shè)計(jì)。

Didymos系統(tǒng)并不存在撞擊地球的威脅，但由于其較小天體的尺寸與對(duì)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(guò)觀測(cè)小天體環(huán)繞大天體的周期變化了解撞擊造成的影響，同時(shí)交會(huì)的難度較低，撞擊也不會(huì)增加小行星撞擊地球的風(fēng)險(xiǎn)，因此Didymos是行星防御試驗(yàn)的理想對(duì)象。

Didymos系統(tǒng)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(duì)地球構(gòu)成重大威脅的典型小行星大小相近。Dimorphos環(huán) 繞Didymos運(yùn)行，環(huán)繞軌道的半長(zhǎng)軸為1.1km，周 期 為11.9h。DART探測(cè)器將以6.6km/s的速度撞擊Dimorphos，撞擊將改變Dimorphos環(huán)繞Didymos運(yùn)行速度的1%，導(dǎo)致環(huán)繞軌道周期改變數(shù)分鐘，這樣的改變足以使地基望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀察和測(cè)量。

DART任務(wù)將測(cè)試動(dòng)能撞擊對(duì)于小行星動(dòng)力學(xué)的影響，以及完成對(duì)小行星撞擊后響應(yīng)的觀測(cè)。DART的任務(wù)目標(biāo)可以歸結(jié)為：①演示驗(yàn)證對(duì)Dimorphos的動(dòng)能撞擊；②改變Dimorphos環(huán)繞Didymos的軌道周期；③利用地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)撞擊前后Dimorphos軌道周期的變化；④測(cè)量撞擊和由此產(chǎn)生的噴射物對(duì)于Dimorphos的影響。

系統(tǒng)組成和有效載荷

DART探測(cè)器是一個(gè)簡(jiǎn)易的低成本航天器，主體為一個(gè)攜帶單一儀器的動(dòng)能撞擊器。DART探測(cè)器發(fā)射質(zhì)量約為610kg，撞擊時(shí)質(zhì)量約為550kg。DART攜帶了50kg用于機(jī)動(dòng)和姿態(tài)控制的肼推進(jìn)劑，以及60kg用于離子推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的氙氣。DART中心結(jié)構(gòu)尺寸為1.2m×1.3m×1.3m，包含延伸結(jié)構(gòu)的主體尺寸為1.8m×1.9m×2.6m。

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

DART攜帶2套推進(jìn)系統(tǒng)，其中化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)由多臺(tái)推進(jìn)器組成，單個(gè)推進(jìn)器的推力為0.2磅，用于軌道修正機(jī)動(dòng)和姿態(tài)控制；電推進(jìn)系統(tǒng)為NASA研制的新一代太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)——“進(jìn)化氙氣推進(jìn)器-商用”（NEXT-C），使用氙氣作為推進(jìn)劑，主要用于軌道轉(zhuǎn)移，為發(fā)射提供更多的靈活性?；瘜W(xué)推進(jìn)系統(tǒng)將在巡航期間進(jìn)行多次軌道修正，并在靠近小行星時(shí)的最后一刻改變方向，以確保DART準(zhǔn)確地撞擊目標(biāo)。

DART攜帶1臺(tái)“迪蒂莫斯勘察和小行星光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)”（DRACO），該相機(jī)的設(shè)計(jì)基于“新視野”（New Horizons）探測(cè)器的高分辨率成像儀，主要用于支持近場(chǎng)光學(xué)導(dǎo)航和終端階段的自主導(dǎo)航，以及測(cè)量小行星目標(biāo)的大小和形狀，并確定撞擊地點(diǎn)和地質(zhì)背景。DRACO采用20cm孔徑的里奇-克萊琴（Ritchey-Chretien）望遠(yuǎn)鏡，視野為0.29°，分辨率為0.5”/像素。

此外，探測(cè)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(chǎn)生的噴射物云，并可能瞥見(jiàn)Dimorphos表面的撞擊坑。LICIACube的設(shè)計(jì)基于阿爾戈泰克（Argotec）公司開(kāi)發(fā)的6U平臺(tái)，上面攜帶了兩種儀器，分別用于從遠(yuǎn)距離獲取高分辨率圖像的窄視場(chǎng)全色相機(jī)——LICIACube小行星探測(cè)器成像（LEIA），以及能夠進(jìn)行小行星環(huán)境多色分析的寬視場(chǎng)RGB相機(jī)——LICIACube單元關(guān)鍵探測(cè)器（LUKE）。

DART探測(cè)器構(gòu)型圖

任務(wù)過(guò)程

2021年11月24日，DART探測(cè)器搭乘獵鷹－9火箭發(fā)射，并計(jì)劃于2022年9月下旬撞擊Didymos系統(tǒng)。

選擇2022年秋季撞擊主要是為了最大限度地減少撞擊時(shí)Didymos與地球之間的距離，以實(shí)現(xiàn)最高質(zhì)量的地基觀測(cè)。屆時(shí)，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(yuǎn)鏡都可以獲得有用的數(shù)據(jù)。全球各地的多臺(tái)地基望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)將參與觀測(cè)活動(dòng)，以測(cè)量動(dòng)能撞擊產(chǎn)生的影響。在條件允許的情況下，天基望遠(yuǎn)鏡也將在撞擊期間對(duì)Didymos系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)，包括“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”以及即將發(fā)射的“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”等。觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)連同對(duì)噴射物演化的研究，將提供對(duì)DART撞擊影響更全面的理解。

3 任務(wù)特點(diǎn)分析

首次近地天體撞擊防御技術(shù)試驗(yàn)

DART旨在測(cè)試和驗(yàn)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(dòng)能撞擊器使小行星軌道發(fā)生偏轉(zhuǎn)的任務(wù)。DART將實(shí)際演示驗(yàn)證動(dòng)能撞擊技術(shù)，證明該技術(shù)在應(yīng)對(duì)小天體撞擊地球威脅時(shí)的可行性。DART將解答關(guān)于動(dòng)能撞擊器技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即撞擊產(chǎn)生的噴射物的影響，從而降低撞擊模型計(jì)算的不確定性。DART作為NASA為實(shí)現(xiàn)行星防御目標(biāo)而開(kāi)發(fā)的首次任務(wù)，將推動(dòng)NASA的行星防御戰(zhàn)略，為未來(lái)實(shí)際行星防御任務(wù)奠定基礎(chǔ)。NASA實(shí)施首次近地天體撞擊防御技術(shù)試驗(yàn)，不僅有利于技術(shù)的驗(yàn)證和能力的提升，還將助力NASA在行星防御領(lǐng)域具備更強(qiáng)的影響力和話語(yǔ)權(quán)。

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

事實(shí)上，NASA早在10多年前就開(kāi)展了類似的動(dòng)能撞擊活動(dòng)，2005年發(fā)射的“深度撞擊”（Deep Impact）曾向坦普爾－1（Tempel－1）彗星發(fā)射了一個(gè)370kg的銅制撞擊器，2011年“星塵”（Stardust）探測(cè)器則在擴(kuò)展任務(wù)期間再次訪問(wèn)坦普爾－1彗星，探尋撞擊對(duì)彗星軌道的影響并測(cè)量了“深度撞擊”造成的撞擊坑。正在進(jìn)行的小行星采樣返回任務(wù)——“歐西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）也曾對(duì)影響小行星軌道的雅科夫斯基效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量。然而，之前的探測(cè)活動(dòng)重點(diǎn)在于科學(xué)探測(cè)，“深度撞擊”主要目標(biāo)是通過(guò)釋放拋射物對(duì)彗星撞擊使其露出彗核，從而詳細(xì)了解彗核物理特性，而對(duì)于撞擊產(chǎn)生的影響，特別是對(duì)于小天體軌道的影響僅獲得了非常有限的信息?！吧疃茸矒簟比蝿?wù)僅試驗(yàn)了動(dòng)能撞擊技術(shù)，而未針對(duì)動(dòng)能撞擊在行星防御領(lǐng)域的作用和效能進(jìn)行深入研究。

撞擊雙星實(shí)現(xiàn)微小變化觀測(cè)

DART任務(wù)是一項(xiàng)低成本小型任務(wù)，航天器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且能力有限，但通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)使地基設(shè)施能夠直接觀測(cè)到小行星軌道的微小變化。動(dòng)能撞擊的機(jī)理是使小行星環(huán)繞太陽(yáng)的軌道發(fā)生變化，進(jìn)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(zhì)量非常大，數(shù)百千克的航天器高速撞擊也只能產(chǎn)生mm/s至cm/s的速度增量，對(duì)小行星環(huán)繞太陽(yáng)軌道的即時(shí)影響非常小，測(cè)量這種微小變化極具挑戰(zhàn)性。DART為克服這一困難，選擇撞擊雙小行星系統(tǒng)的較小天體，其環(huán)繞主天體的軌道速度僅為每秒數(shù)十厘米，動(dòng)能撞擊產(chǎn)生的速度增量可以產(chǎn)生大于7min的軌道周期變化，可以非常容易地由地基設(shè)施進(jìn)行測(cè)量，以評(píng)估DART撞擊的有效性。

先進(jìn)光學(xué)導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)撞擊

DART將借助光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)DRACO和復(fù)雜的自主導(dǎo)航軟件，在距離地球1.1×107km處實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑約160m目標(biāo)小行星的精準(zhǔn)撞擊。利用數(shù)十年的導(dǎo)彈制導(dǎo)專業(yè)知識(shí)，APL開(kāi)發(fā)了“小型機(jī)動(dòng)自主實(shí)時(shí)導(dǎo)航”（SMART Nav）算法，以自主引導(dǎo)航天器飛向目標(biāo)。在DART撞擊前的幾小時(shí)，DRACO就將提供8×104km以外的目標(biāo)信息，SMART Nav將使用來(lái)自DRACO的圖像識(shí)別和區(qū)分Dimorphos與Didymos，而傳統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)只能在距離目標(biāo)15km左右時(shí)獲得目標(biāo)信息。DART將完全自主地跟蹤目標(biāo)天體，執(zhí)行軌道機(jī)動(dòng)，調(diào)整航天器軌跡以確保與目標(biāo)天體的撞擊。SMART Nav將在APL開(kāi)發(fā)的基于“現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列”（FPGA）的創(chuàng)新型小型航空電子設(shè)備上運(yùn)行。

試驗(yàn)驗(yàn)證多項(xiàng)新型航天技術(shù)

DART不僅在任務(wù)層面驗(yàn)證動(dòng)能撞擊器技術(shù)，還將驗(yàn)證多項(xiàng)新型航天技術(shù)。除了驗(yàn)證先進(jìn)的光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)之外，DART在推進(jìn)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)方面均試驗(yàn)了創(chuàng)新技術(shù)。推進(jìn)系統(tǒng)采用了NASA與航空噴氣洛克達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）開(kāi)發(fā)的新一代太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)，相比于NASA此前使用的系統(tǒng)，NEXT-C提高了比沖、推進(jìn)劑效率以及操作靈活性，后續(xù)的“新疆域”（New Frontier）和“發(fā)現(xiàn)”（Discovery）任務(wù)將受益于這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。能源系統(tǒng)采用在“國(guó)際空間站”上試驗(yàn)成功的ROSA，相比于傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池陣列更輕、更緊湊，DART將是首個(gè)利用這種新型太陽(yáng)能電池陣列的航天器。并且ROSA的一小部分將配備APL開(kāi)發(fā)的“變革型太陽(yáng)能電池陣列”（Transformational Solar Array），該陣列具有非常高效的太陽(yáng)能電池和反射聚光器，提供的功率是當(dāng)前太陽(yáng)能電池陣列技術(shù)的3倍。通信系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)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(nèi)至少拍攝、處理和傳輸一張圖像。

多方參與以最大化任務(wù)效能

DART任務(wù)在計(jì)劃層面、任務(wù)層面、科學(xué)研究層面均引入了大量的參與者，從而最大化任務(wù)在國(guó)際合作、引領(lǐng)創(chuàng)新方面的作用。計(jì)劃層面，DART與歐洲的Hera任務(wù)共同構(gòu)成“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評(píng)估”國(guó)際合作計(jì)劃，兩者的探測(cè)將促進(jìn)行星防御知識(shí)的擴(kuò)展。任務(wù)層面，DART將攜帶意大利提供的立方體衛(wèi)星，以提供近距離的觀測(cè)。同時(shí)，DART航天器攜帶的各項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)中有著大量美國(guó)院校以及企業(yè)的參與?？茖W(xué)研究層面，DART更是尋求全球各地的觀測(cè)者參與，世界各地的多個(gè)天文臺(tái)將共同觀測(cè)這一動(dòng)能撞擊產(chǎn)生的影響。聯(lián)合觀測(cè)不僅可以降低惡劣天氣以及設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)，還可以增強(qiáng)美國(guó)在行星防御領(lǐng)域的影響力，促進(jìn)世界各地科學(xué)家和工程師尋求通過(guò)國(guó)際合作解決與行星防御的相關(guān)問(wèn)題。

4 小結(jié)

根據(jù)當(dāng)前的觀測(cè)與預(yù)報(bào)結(jié)果，百年之內(nèi)并不存在較大的小天體撞擊地球的威脅，行星防御活動(dòng)本身的迫切性并不高。然而，由于這是一項(xiàng)全人類面臨的重大威脅，與應(yīng)對(duì)氣候變化類似，開(kāi)展行星防御活動(dòng)有著巨大的政治影響和外交作用。在解決人類生存問(wèn)題上領(lǐng)導(dǎo)相關(guān)活動(dòng)，是引領(lǐng)全球規(guī)則體系的重要一環(huán)，因此美國(guó)在行星防御活動(dòng)方面一直非常積極，主導(dǎo)了全球的小天體監(jiān)測(cè)活動(dòng)，并實(shí)施全球首次近地天體撞擊防御技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)。美國(guó)一直將小天體定位為新技術(shù)試驗(yàn)的絕佳場(chǎng)所，其過(guò)去的小天體探測(cè)任務(wù)均為小型任務(wù)，在進(jìn)行科學(xué)探測(cè)的同時(shí)試驗(yàn)了大量設(shè)計(jì)方案和新型技術(shù)。DART任務(wù)在開(kāi)展時(shí)就非常注重創(chuàng)新技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，多項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)將為未來(lái)任務(wù)提供更強(qiáng)的能力。與此同時(shí)，DART任務(wù)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(guó)完成，但在計(jì)劃層面、任務(wù)層面、科學(xué)研究層面均引入了大量國(guó)際合作伙伴以及國(guó)內(nèi)院校和企業(yè)，不僅增強(qiáng)了美國(guó)在行星防御的影響力，而且有助于牽引美國(guó)創(chuàng)新實(shí)力的提升。