小行星撞击与偏转评估任务

宇 涵 （北京大学行星与空间科学研究中心）

小行星撞击与偏转评估任务

宇 涵 （北京大学行星与空间科学研究中心）

The Asteroid Impact and Deflection Assessment (AIDA) Mission

截至2017年5月1日，人类已经发现了16089颗近地小行星（NEA），其中有1799颗是对地球有潜在危险的小行星（PHA）。目前，全世界各研究机构已提出数十种避免和减轻小行星撞击风险的方法，其中一种是动力撞击偏转轨道。当前的问题是深入掌握撞击对小行星轨道的效应，对撞击器大小、速度、撞击方向以及如何选择撞击位置进行深入研究。

“小行星撞击与偏转评估任务”（AIDA）是欧洲航天局（ESA）、美国航空航天局（NASA）以及霍普金斯大学合作的在研项目。该项目由两部分构成，一个是“双小行星再定向测试”（DART），由NASA负责；另一个是“小行星撞击监视器”（AIM），由ESA负责。其中，“双小行星再定向测试”撞击目标小行星，“小行星撞击监视器”主要观测与研究撞击效应。

1 “小行星撞击监视器”

“小行星撞击监视器”的目标是撞击65803号迪蒂莫斯双小行星系统中较小的一颗—迪代莫恩小行星，其直径约170m，计划于2020年10月发射，2022年6月到达迪蒂莫斯小行星。

“小行星撞击监视器”携带的仪器包括可见光成像系统（VIS）、热红外成像仪（TIRI）、高频雷达（HFR）和低频雷达（LFR）。小行星撞击任务探测器至少携带3个小的着陆器，一个是由德国研制的小行星表面移动侦察机－2（Mascot－2），另两颗是立方体卫星。小行星表面移动侦察机－2携带了收发分置雷达，测量小行星的内部结构、表面机械强度、反照率和热发射性质。立方体卫星用于研究小行星表面成分，测量重力场，评估小行星受到“双小行星再定向测试”撞击时的尘埃和羽烟，监测振动状态。

可见光成像系统

用于导航和科学测量，所拍图像的分辨率约0.5m。该系统将用于精确地确定迪代莫恩小行星在撞击前后的形状、大小以及动力学状态（周期、轨道的极向、自旋周期），也能成像整体表面特征，进行实时的抛射物观测。在撞击以后，可见光成像系统将用于确定撞击坑的密度，比较2颗小行星的地貌形态。

热红外成像仪

热红外成像仪主要描述迪代莫恩小行星表面性质的差别，例如裸露的岩石对比颗粒或尘埃表面；测量小行星表面的热性质，这种性质与土壤的结构有关，对雅克夫斯基效应有影响。热红外成像仪也用于监测撞击瞬间表面性质以及抛射物的变化，详细地测量撞击所产生的坑。

高频雷达

高频雷达的主要目的是获得小行星外表面和表面下深达10m内的结构信息。用高频雷达对迪代莫恩小行星进行扫描，可以使科学家研究表层下的分层结构。

低频雷达

低频雷达主要是获取小行星内部结构的数据，分辨率为30m。小行星撞击任务探测器和着陆器都携带一个发射机和低频雷达接收机，信号可以在迪代莫恩小行星整个旋转过程中发送。

激光通信

光学下联系统将在轨验证长距离发送数据的能力。从迪代莫恩小行星表面和表面下收集到的大量数据将经过激光束返回到欧洲航天局的光学地面站，完成来自深空的高带宽光学通信。

2 “双小行星再定向测试”

“双小行星再定向测试”的目标是迪蒂莫斯双小行星系统。迪蒂莫斯是食双星（相互绕转，彼此掩食），通过地面光曲线测量可以准确地确定小的周期变化。另外，迪蒂莫斯在2022年10月靠近地球，特别适合于拦截、交会和地基观测。

“双小行星再定向测试”将了解超声速撞击对小行星的效应，包括撞击抛射物的长期动力学；验证小行星撞击的动量转移模式，推断小行星表面和表面下的物理性质。该测试将使用地基设备，通过测量双星的轨道周期变化来测量轨道偏转。撞击会使迪蒂莫斯11.92h的轨道周期变化至少几分钟。在几个月的观测期间，这个变化可以确定在10%的精度内。

“双小行星再定向测试”使用电推进系统，质量大于300kg，有一副直径为1m的高增益天线，携带一个高分辨率可见光成像仪，用于测量撞击前小行星表面的形态和地质特征，并将撞击点确定在目标直径的1%以内。“双小行星再定向测试”还有精确的自动导航系统。

该测试有多个发射窗口，其中一种选择是将发射时间选在2020年12月18日，轨道保持在到太阳的距离接近1AU（天文单位），到地球的最大距离小于0.21AU。撞击迪代莫恩小行星的速度为7.03km/s，到达方向相对于迪蒂莫斯的轨道平面为27.5°。质量为300kg，将以6.25km/s的速度撞击目标，预计目标小行星速度的变量大约在0.4mm/s，对系统的日心轨道只能产生很小的变化。小行星撞击与偏转评估任务将提供关于小行星强度、表面物理性质和其内部结构的数据，对于计算撞击坑的大小和动量输送效率等参数非常重要。“双小行星再定向测试”将在2021年11月16日飞越3361号小行星，2022年9月20日撞击迪蒂莫斯小行星。