“双小行星重定向测试”任务分析

王帅 赵琪 秦阳（北京空间科技信息研究所 中国航天科技集团有限公司）

2021年11月24日，全球首次近地天体撞击防御技术试验任务—“双小行星重定向测试”（DART）探测器搭乘猎鹰－9（Falcon－9）运载火箭发射。DART是一项行星防御技术试验任务，将首次试验用于改变小行星运行轨道的动能撞击技术，为防止小行星撞击地球奠定技术基础。此次任务不仅将推动技术验证和能力提升，还将助力美国国家航空航天局（NASA）在行星防御领域具备更强的影响力和话语权。

1 任务背景

太阳系中存在着数量庞大的小天体（小行星、彗星等），部分距离地球较近的小天体可能撞击地球，引发巨大灾难。导致恐龙灭绝的全球性灾难以及2013年发生的俄罗斯车里雅宾斯克陨石撞击事件，都显示地球时刻处于小天体撞击的威胁之中。预计平均每间隔10000年左右，就会有直径大于100m的岩质或铁质小行星到达地球表面并造成大规模灾难。

20世纪90年代以来，各国越发关注近地天体撞击地球的潜在威胁，开始实施行星防御活动。行星防御包括检测和警告潜在的小行星或彗星撞击地球，然后阻止或减缓其影响的能力。尽管NASA早在1992年就开始研讨拦截近地天体的问题，但一直以来，各国的行星防御工作集中于近地天体的调查，即小天体监测。在近地天体撞击防御方面，提出了核爆、动能撞击、引力拖车等多种技术方案，但始终处于理论研究阶段。

直到21世纪10年代，NASA和欧洲航天局（ESA）联合提出了全球首个小行星轨道偏转计划—“小行星撞击与偏转评估”（AIDA）计划。AIDA分为两次任务，由美国实施DART任务，以撞击双小行星系统中的一颗小行星；由欧洲实施“小行星撞击任务”（AIM），以监测小行星轨道与结构在撞击前后的变化。

2016年，由于德国无法出资，欧洲的AIM任务被取消。2018年，欧洲决定实施另一项比AIM任务规模更小的任务——“赫拉”（Hera），任务计划于2024年发射，并于2026年飞抵DART任务撞击的双小行星系统，对两颗小行星进行详细调查，特别关注DART探测器撞击产生的陨石坑，并精确确定小行星的质量。欧洲任务的调整对于AIDA计划产生了一定的影响，Hera任务无法像被取消的AIM任务一样在撞击前对小行星进行详细探测，也无法观测整个撞击过程，只能观测撞击后的双小行星系统的特征、轨道及其旋转变化等情况。尽管如此，Hera的撞击后调查仍将大大增强从DART小行星偏转测试中获得的行星防御信息，为未来的小行星防御技术研发提供基础数据。

DART任务由NASA行星防御协调办公室（PDCO）和科学任务部的行星科学部门负责，具体由NASA马歇尔航天飞行中心（MSFC）的太阳系探索计划（SSEP）管理，由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）领导研制，NASA下属的喷气推进实验室（JPL）、戈达德航天飞行中心（GSFC）、约翰逊航天中心（JSC）、格伦研究中心（GRC）、兰利研究中心（LaRC）等为任务提供了支持，美国多所院校及天文台也参与了任务研制与观测。此外，DART任务还携带了意大利航天局（ISA）提供的立方体卫星。

“小行星撞击与偏转评估”计划

2 任务基本情况

任务目标

DART任务是一项行星防御试验任务，将撞击近地双小行星系统—“迪蒂莫斯”（Didymos）中较小的天体，试验用于改变小行星运动轨道的动能撞击技术。DART将揭示动能撞击过程中喷射物反冲动量的影响，帮助改进动能撞击影响的模型，降低预期撞击影响的不确定性，从而有助于未来的任务设计。

Didymos系统并不存在撞击地球的威胁，但由于其较小天体的尺寸与对地球造成重大威胁的典型小行星大小相近，并且很容易通过观测小天体环绕大天体的周期变化了解撞击造成的影响，同时交会的难度较低，撞击也不会增加小行星撞击地球的风险，因此Didymos是行星防御试验的理想对象。

Didymos系统的主天体Didymos直径约780m；次天体“迪摩法斯”（Dimorphos）直径约160m，与可能对地球构成重大威胁的典型小行星大小相近。Dimorphos环 绕Didymos运行，环绕轨道的半长轴为1.1km，周 期 为11.9h。DART探测器将以6.6km/s的速度撞击Dimorphos，撞击将改变Dimorphos环绕Didymos运行速度的1%，导致环绕轨道周期改变数分钟，这样的改变足以使地基望远镜进行观察和测量。

DART任务将测试动能撞击对于小行星动力学的影响，以及完成对小行星撞击后响应的观测。DART的任务目标可以归结为：①演示验证对Dimorphos的动能撞击；②改变Dimorphos环绕Didymos的轨道周期；③利用地基望远镜观测撞击前后Dimorphos轨道周期的变化；④测量撞击和由此产生的喷射物对于Dimorphos的影响。

系统组成和有效载荷

DART探测器是一个简易的低成本航天器，主体为一个携带单一仪器的动能撞击器。DART探测器发射质量约为610kg，撞击时质量约为550kg。DART携带了50kg用于机动和姿态控制的肼推进剂，以及60kg用于离子推进技术验证发动机的氙气。DART中心结构尺寸为1.2m×1.3m×1.3m，包含延伸结构的主体尺寸为1.8m×1.9m×2.6m。

DART安装了2副“推出式太阳能电池阵列”（ROSA），单个ROSA展开后尺寸为8.6m×2.3m。通信系统采用X频段，包括2个半球状低增益天线和1个用于高增益通信的“径向线槽天线”（RLSA）。主要姿态传感器为惯性测量单元（IMU）和星敏感器，5个数字太阳敏感器为安全模式提供太阳方向信息。

DART携带2套推进系统，其中化学推进系统由多台推进器组成，单个推进器的推力为0.2磅，用于轨道修正机动和姿态控制；电推进系统为NASA研制的新一代太阳能电推进系统——“进化氙气推进器-商用”（NEXT-C），使用氙气作为推进剂，主要用于轨道转移，为发射提供更多的灵活性。化学推进系统将在巡航期间进行多次轨道修正，并在靠近小行星时的最后一刻改变方向，以确保DART准确地撞击目标。

DART携带1台“迪蒂莫斯勘察和小行星光学导航相机”（DRACO），该相机的设计基于“新视野”（New Horizons）探测器的高分辨率成像仪，主要用于支持近场光学导航和终端阶段的自主导航，以及测量小行星目标的大小和形状，并确定撞击地点和地质背景。DRACO采用20cm孔径的里奇-克莱琴（Ritchey-Chretien）望远镜，视野为0.29°，分辨率为0.5”/像素。

此外，探测器还携带1颗由ISA提供的6U立方星，即“意大利小行星成像轻型立方星”（LICIACube）。DART将在撞击前大约10天部署LICIACube，后者将捕获DART撞击的图像、由此产生的喷射物云，并可能瞥见Dimorphos表面的撞击坑。LICIACube的设计基于阿尔戈泰克（Argotec）公司开发的6U平台，上面携带了两种仪器，分别用于从远距离获取高分辨率图像的窄视场全色相机——LICIACube小行星探测器成像（LEIA），以及能够进行小行星环境多色分析的宽视场RGB相机——LICIACube单元关键探测器（LUKE）。

DART探测器构型图

任务过程

2021年11月24日，DART探测器搭乘猎鹰－9火箭发射，并计划于2022年9月下旬撞击Didymos系统。

选择2022年秋季撞击主要是为了最大限度地减少撞击时Didymos与地球之间的距离，以实现最高质量的地基观测。届时，Didymos距离地球约1.1×107km，星等大约为14～15，孔径低至1m的地基望远镜都可以获得有用的数据。全球各地的多台地基望远镜和雷达将参与观测活动，以测量动能撞击产生的影响。在条件允许的情况下，天基望远镜也将在撞击期间对Didymos系统进行观测，包括“哈勃空间望远镜”以及即将发射的“詹姆斯·韦伯空间望远镜”等。观测得到的数据连同对喷射物演化的研究，将提供对DART撞击影响更全面的理解。

3 任务特点分析

首次近地天体撞击防御技术试验

DART旨在测试和验证一种减缓小行星撞击地球威胁的方法，是全球首次演示动能撞击器使小行星轨道发生偏转的任务。DART将实际演示验证动能撞击技术，证明该技术在应对小天体撞击地球威胁时的可行性。DART将解答关于动能撞击器技术的一个关键问题，即撞击产生的喷射物的影响，从而降低撞击模型计算的不确定性。DART作为NASA为实现行星防御目标而开发的首次任务，将推动NASA的行星防御战略，为未来实际行星防御任务奠定基础。NASA实施首次近地天体撞击防御技术试验，不仅有利于技术的验证和能力的提升，还将助力NASA在行星防御领域具备更强的影响力和话语权。

DART任务影响小行星轨道示意图（演示了DART的撞击如何改变Dimorphos环绕Didymos的轨道）

事实上，NASA早在10多年前就开展了类似的动能撞击活动，2005年发射的“深度撞击”（Deep Impact）曾向坦普尔－1（Tempel－1）彗星发射了一个370kg的铜制撞击器，2011年“星尘”（Stardust）探测器则在扩展任务期间再次访问坦普尔－1彗星，探寻撞击对彗星轨道的影响并测量了“深度撞击”造成的撞击坑。正在进行的小行星采样返回任务——“欧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）也曾对影响小行星轨道的雅科夫斯基效应进行了测量。然而，之前的探测活动重点在于科学探测，“深度撞击”主要目标是通过释放抛射物对彗星撞击使其露出彗核，从而详细了解彗核物理特性，而对于撞击产生的影响，特别是对于小天体轨道的影响仅获得了非常有限的信息。“深度撞击”任务仅试验了动能撞击技术，而未针对动能撞击在行星防御领域的作用和效能进行深入研究。

撞击双星实现微小变化观测

DART任务是一项低成本小型任务，航天器结构简单，并且能力有限，但通过巧妙设计使地基设施能够直接观测到小行星轨道的微小变化。动能撞击的机理是使小行星环绕太阳的轨道发生变化，进而偏离撞击地球的轨道，从而缓解小行星撞击地球的威胁。然而由于小行星质量非常大，数百千克的航天器高速撞击也只能产生mm/s至cm/s的速度增量，对小行星环绕太阳轨道的即时影响非常小，测量这种微小变化极具挑战性。DART为克服这一困难，选择撞击双小行星系统的较小天体，其环绕主天体的轨道速度仅为每秒数十厘米，动能撞击产生的速度增量可以产生大于7min的轨道周期变化，可以非常容易地由地基设施进行测量，以评估DART撞击的有效性。

先进光学导航实现精准撞击

DART将借助光学导航相机DRACO和复杂的自主导航软件，在距离地球1.1×107km处实现对直径约160m目标小行星的精准撞击。利用数十年的导弹制导专业知识，APL开发了“小型机动自主实时导航”（SMART Nav）算法，以自主引导航天器飞向目标。在DART撞击前的几小时，DRACO就将提供8×104km以外的目标信息，SMART Nav将使用来自DRACO的图像识别和区分Dimorphos与Didymos，而传统的导航技术只能在距离目标15km左右时获得目标信息。DART将完全自主地跟踪目标天体，执行轨道机动，调整航天器轨迹以确保与目标天体的撞击。SMART Nav将在APL开发的基于“现场可编程门阵列”（FPGA）的创新型小型航空电子设备上运行。

试验验证多项新型航天技术

DART不仅在任务层面验证动能撞击器技术，还将验证多项新型航天技术。除了验证先进的光学导航系统之外，DART在推进系统、能源系统以及通信系统方面均试验了创新技术。推进系统采用了NASA与航空喷气洛克达因公司（Aerojet Rocketdyne）开发的新一代太阳能电推进系统，相比于NASA此前使用的系统，NEXT-C提高了比冲、推进剂效率以及操作灵活性，后续的“新疆域”（New Frontier）和“发现”（Discovery）任务将受益于这项技术的发展。能源系统采用在“国际空间站”上试验成功的ROSA，相比于传统太阳能电池阵列更轻、更紧凑，DART将是首个利用这种新型太阳能电池阵列的航天器。并且ROSA的一小部分将配备APL开发的“变革型太阳能电池阵列”（Transformational Solar Array），该阵列具有非常高效的太阳能电池和反射聚光器，提供的功率是当前太阳能电池阵列技术的3倍。通信系统采用新型径向线槽阵列，这种低成本、高增益的天线能够以紧凑的平面形式实现高效通信，以3Mbit/s的速度将图像传回地球，从而能够在撞击前的最后17s内至少拍摄、处理和传输一张图像。

多方参与以最大化任务效能

DART任务在计划层面、任务层面、科学研究层面均引入了大量的参与者，从而最大化任务在国际合作、引领创新方面的作用。计划层面，DART与欧洲的Hera任务共同构成“小行星撞击与偏转评估”国际合作计划，两者的探测将促进行星防御知识的扩展。任务层面，DART将携带意大利提供的立方体卫星，以提供近距离的观测。同时，DART航天器携带的各项创新技术中有着大量美国院校以及企业的参与。科学研究层面，DART更是寻求全球各地的观测者参与，世界各地的多个天文台将共同观测这一动能撞击产生的影响。联合观测不仅可以降低恶劣天气以及设备故障的风险，还可以增强美国在行星防御领域的影响力，促进世界各地科学家和工程师寻求通过国际合作解决与行星防御的相关问题。

4 小结

根据当前的观测与预报结果，百年之内并不存在较大的小天体撞击地球的威胁，行星防御活动本身的迫切性并不高。然而，由于这是一项全人类面临的重大威胁，与应对气候变化类似，开展行星防御活动有着巨大的政治影响和外交作用。在解决人类生存问题上领导相关活动，是引领全球规则体系的重要一环，因此美国在行星防御活动方面一直非常积极，主导了全球的小天体监测活动，并实施全球首次近地天体撞击防御技术试验任务。美国一直将小天体定位为新技术试验的绝佳场所，其过去的小天体探测任务均为小型任务，在进行科学探测的同时试验了大量设计方案和新型技术。DART任务在开展时就非常注重创新技术的试验验证，多项技术试验将为未来任务提供更强的能力。与此同时，DART任务还是合作方面的典型案例，尽管航天器主体的研制基本全部由美国完成，但在计划层面、任务层面、科学研究层面均引入了大量国际合作伙伴以及国内院校和企业，不仅增强了美国在行星防御的影响力，而且有助于牵引美国创新实力的提升。