小行星撞擊防御任務分析與設計

張 熇，顧 征，韓承志

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

引 言

近地小行星的軌道分布、物理化學特性反映了太陽系早期物質狀態、行星形成過程的極早期階段，同時還以撞擊方式參與地球地質形貌及宜居條件的塑造，因此是天文學及行星科學的重點、熱點、前沿研究對象，也是深空探測廣受關注的目標，同時一些高危的近地小行星也對地球人類的文明造成潛在安全威脅。目前已完成軌道編目的近地小行星超過3萬顆，約占10 m（等效直徑，下同）以上近地小行星總量的1%。據國際分析評估，在已完成軌道編目的近地小行星中，100年內威脅最大的是約370 m的阿波菲斯（Apophis）小行星，預計2068年前后接近地球；2035年前威脅最大的是約29 m的近地小行星2008JL3，預計2027年前后接近地球。實際上尚未進入軌道編目的近地小行星數量更為龐大，其潛在撞擊風險遠大于當前評估。

近地小行星撞擊風險是人類需面對的共同威脅，本文在對小行星防御研究現狀進行調研的基礎上，針對小行星撞擊防御進行了詳細的任務分析，提出了“伴飛觀測+撞擊+伴飛評估”的小行星撞擊防御任務方案，與已實施的地外天體撞擊任務方案（如美國的深度撞擊、雙小行星重定向測試任務）相比，該方案可以通過一次任務同時實現動能撞擊和天基評估，具有較好的創新性和工程實施性。

1 研究現狀

目前國際上主要以開展在軌處置技術演示驗證為主，重點發展2類技術：以動能撞擊為主的瞬時作用手段，已經開展了在軌演示驗證任務；引力牽引、激光燒蝕驅動、附著推離、太陽光壓、質量驅動、離子束推離等長期作用手段[1-3]，提出了相應的防御任務概念，形成了相對完善的技術研究體系，在軌處置技術手段匯總見表1。

表1 不同類型防御手段比較分析[4-8]Table 1 Comparative analysis of different types of defense measures[4-8]

在眾多在軌技術手段中，動能撞擊技術成熟度高，是在軌處置首選技術手段。

美國國家航空航天局（National Aeronautics Space and Administration，NASA）在Neugebauer等提出的登陸彗星和伴飛小行星（Comet Rendezvous Asteroid Flyby mission，CRAF）概念設想基礎上，提出了采用超高音速撞擊方式開展科學探測，以探究彗星內部結構及成分幫助人們了解太陽系早期狀態[9-11]，并于2005年實施了“深度撞擊”（Deep Impact）任務，以科學探測為目的，重點驗證了深空（距離地球約1.3億km）高速動能導航制導與控制等技術。2005年7月5日，370 kg小型撞擊器以10.2 km/s的速度擊中直徑6 km“坦普爾1號”（9P/Tempel 1）彗星的彗核[12-14]期間飛越器對撞擊效果進行了掠飛觀測。撞擊后的一段時間，撞擊坑被塵埃遮蔽，NASA科學家看不到撞擊后形成的撞擊坑，如圖1所示。2011年“星塵號”（Dusty）探測器再次飛越“坦普爾1號”彗星[15]，并沒有按預期發現對應的大撞擊坑，推測可能是撞擊坑隨時間發生潰散，如圖2所示。

圖1 “深度撞擊”飛越器高分辨率相機拍攝撞擊過程影像[16]Fig.1 High-resolution images of the impact process of “Deep impact” flyby[16]

圖2 探測器撞擊坑[17]Fig.2 Impact crater of the explorer[17]

“雙小行星重定向測試”（Double Asteroid Redirection Test，DART）是國際上首次以行星防御為目標的試驗任務，通過動能撞擊改變小行星運行軌道，并評估動能撞擊的防御效果，初步建立撞擊防御能力，任務概念如圖3所示。

D A R T 任務選擇的最終目標為“迪蒂莫斯”（Didymos）雙小行星系統，迪蒂莫斯-A（Didymos A）直徑約780 m，迪蒂莫斯-B（Dimorphos）直徑約160 m，迪蒂莫斯-B環繞迪蒂莫斯-A運行。

北京時間2022年9月27日7點14分，DART任務探測器準確撞擊了迪蒂莫斯-B小行星，其釋放的立方星掠飛拍攝撞擊過程影像見圖4，由于距離較遠且飛行速度快，成像的數量、圖像分辨率、清晰度等均有限，難以據此開展撞擊前后小行星地形地貌的變化分析?！罢材匪埂ろf伯”（James）、“哈勃”（Hubble）等太空望遠鏡、“露西”（Lucy）小行星探測器和全球多臺地面望遠鏡對撞擊過程的監測顯示，撞擊產生了大量濺射物，雙星系統的亮度瞬間增加到2.29 ± 0.14星[18]等，表明撞擊試驗取得成功見圖5。根據觀測數據分析，撞擊后迪蒂莫斯-B圍繞迪蒂莫斯-A軌道周期改變了–33 ± 1(3σ) min[19-20]，動量增益因子β在2.2～4.9之間[21]。

圖4 立方星飛掠過程中拍攝的撞擊圖像[11，22]Fig.4 Impact images captured in the flying process of cubic star[11，22]

圖5 地面觀測圖像Fig.5 Ground observation images[18-19]

在開展在軌動能撞擊演示驗證的同時，歐美等國也提出了若干基于動能撞擊的概念任務：歐洲依托“地平線2020”（Horizon 2020）項目，提出了近地天體護盾任務概念，該任務計劃對小行星實施撞擊，通過測量小行星受撞擊前后軌道的變化來評估撞擊效能[23]；美國愛荷華州立大學小行星偏轉研究中心提出了編隊動能撞擊和核爆+動能撞擊的攔截器設計概念任務[24]；美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室提出了多級動能撞擊概念任務，但是以上任務都僅停留在概念設想，未見后續工程化進展。

1）采用動能撞擊成熟度較高，且能夠快速響應，是應對短期預警目標實施干預的有效途徑；

2）國際上僅美國實現撞擊技術的在軌驗證，均采用“撞擊+掠飛觀測”的任務形式，其有效觀測時間短、條件受限，難以獲得全面、高精度的在軌探測數據；

3）國際上尚未實現在撞擊前后對目標天體的精確探測，也未實現撞擊時對撞擊過程的近距離凝視觀測，因此無法對撞擊前后地形地貌變化、撞擊時濺射幕的形狀、濺射物的大小、分布、速度等進行精確分析，撞擊效果的系統性、精確性評估是國際公認的技術難題。

因此，國際上對于小行星防御技術研究雖取得一定進展，但整體上還缺乏深入研究和分析。動能撞擊雖然是當前主要的手段，但對于小行星軌道的改變是非常微小的，還不足以應對未來所有可能的小行星撞擊風險。所以，當前階段任務的主要目標是驗證相關關鍵技術，比如高精度撞擊的制導導航控制、面對復雜結構小行星的撞擊動量傳遞機理、撞擊效果的評價方法和精度等，為未來開展實質性的防御奠定基礎。因此，系統開展撞擊處置技術驗證、精確撞擊效能評估是應對小行星潛在威脅的迫切需求。

2 任務分析

2.1 撞擊任務分析

撞擊體撞擊小行星目標將產生復雜的侵徹、開坑和反濺，伴隨著局部相變（熔化和氣化），同時也存在著動量交換過程，而這種動量傳遞過程正是小行星防御的基礎。近些年來隨著小行星防御工程的展開，技術人員發現探測器撞擊小行星的過程中，能量傳遞并非像以前理解的“動量守恒”那么簡單，而是在動量傳遞時存在一個重要的物理現象——動量增益效應（Momentum Multiplication），即撞擊體傳遞給目標的動量大于撞擊體原始動量，可顯著改變目標軌道，這對小行星防御任務設計極其重要，如圖6所示。近些年來，國外多個機構開展了小行星撞擊偏轉評估（Asteroid Impact and Deflection Assessment，AIDA），主要工作集中在對動量增益效應的研究[25-29]。

圖6 動量增益效應示意圖Fig.6 Momentum gain effect

反濺效應是影響撞擊體撞擊小行星產生動量增益的原因，即動量增益效應取決于反濺物的質量和速度，其計算公式為

其中：β為動量增益因子；Pp為撞擊器動量；Pe為反濺動量；ΔPt為小行星動量增量。對于理想塑性碰撞，由于不產生反濺物，β等于1。

因此，撞擊過程的設計目標：①最大程度的動量傳遞；②動量增益因子最大。在探測器和小行星組成的系統中，動量傳遞過程遵循動量守恒定律。動量增益因子β一方面由小行星目標特性決定，如小行星的材料成分、孔隙度、斷裂強度等；另一方面也由撞擊體特性決定，如撞擊體的質量、速度、形狀等。

對于近地小行星防御任務來說，目標的材料、強度、孔隙度等特性是小行星固有的屬性，目前并不完全掌握，需要航天器通過一定的裕度設計來適應。撞擊效果優化的重點在于撞擊體自身及其運動特性的設計，包括撞擊方向、撞擊體形狀等，兼顧航天器設計的固有約束，優化撞擊效能。

1）撞擊方向分析

根據高斯攝動方程：半長軸的變化僅與切向推力有關。

分別分析了以正后方為中心，沿偏下方60°、偏下方30°、偏上方60°、偏上方30°、偏法向30°共6個方向給小行星施加速度增量5 cm/s后小行星相對地球的運動軌跡隨時間的變化（如圖7所示），可以看出撞擊器從正后方撞擊小行星的時候，其偏轉距離最遠，與高斯攝動方程指出的切向方向最優理論結果是一致的，因此，從小行星正后方（正前方）撞擊是最優的選擇。

圖7 不同撞擊方向小行星偏轉距離比較Fig.7 Comparison of asteroid deflection distances in different impact directions

2）撞擊體形狀分析

使用autodyn軟件，采用幾何縮比方法對平板型、球型、錐型3種撞擊構型進行仿真，結果如圖8所示。仿真過程中，速度不變，撞擊器、小行星尺度都為原尺度的1/1 000，這樣確保撞擊過程的材料相變效應、作用時間與真實撞擊一致，速度效應規律相同。撞擊后成坑效果如圖9所示，可以看出撞擊坑均為接近碗形的典型撞擊坑，撞擊坑半徑與體積基本不受撞擊器形狀的影響，偏差在5%以內。

圖8 不同形狀撞擊器Fig.8 Impactors of different shapes

圖9 小行星撞擊后成坑效果圖Fig.9 Rendering of the crater created by the asteroid impact

撞擊后小行星速度變化如圖10所示，可以看出平板型、球型和錐型在撞擊方向速度變化接近，偏差在10%之內，平板型的略高?？紤]仿真的不確定性，可近似認為撞擊體形狀對小行星速度改變的影響可忽略。

圖10 小行星速度變化Fig.10 Asteroid velocity variation

此外，研究人員對截面積較為接近的球形、柱形、厚柱筒、薄柱筒、柱筒+實心球、柱筒+空心球6種形狀的撞擊器，撞擊不同內聚強度多孔玄武巖材料小行星的結果進行了分析。分析結果表明，對于內聚強度較弱（1 kPa以下）的目標小行星，球型撞擊器動量增益因子比其它形狀大2%。對于內聚強度較大（0.1 MPa以上，內聚強度越大越接近于獨石）的目標小行星，柱形、柱筒+實心球撞擊器的動量增強因子比球體提升3%，薄柱筒比球體降低3%，厚柱筒與柱筒+空心球相比球體撞擊器相差不多。整體而言不同形狀撞擊器對動量增益因子的影響在10%以內，且隨著小行星內聚強度的下降，影響程度有所減弱?？紤]仿真的不確定性，可近似認為撞擊體形狀對動量增益因子β的影響可忽略。

3）撞擊控制任務分析

撞擊控制任務的主要需求及難點有以下幾個方面。

（1）小行星的形狀、自轉和反照率等參數不確定大、幾乎未知，亮度極低（暗弱、星等高），這些給實現小尺寸暗弱目標小行星的超遠、遠和近距離高精度在軌自主觀測和導航信息提取提出了很大挑戰。

（2）小行星的地面測軌精度低(星歷誤差200～1 000 km)、地面測控無法提供撞擊器相對目標的高精度導航；撞擊器相對目標小行星的飛行速度快（5～10 km/s）、軌道修正次數多，超遠和遠距離相對目標天體的在軌測量手段有限（目前只有光學成像），這些給實現高速飛行環境下的高精度相對目標自主導航提出了很大挑戰。

（3）小行星高速撞擊精度要求高，逼近段和撞擊段姿態、軌道控制耦合嚴重，需要制導與控制一體化來實現速度方向的快速跟蹤、快速穩定控制；受推力器大小、飛行時間約束，末期修正量限制嚴格，需要實現多約束下的自主軌跡規劃，這些給實現高速飛行環境下的高精度自主規劃、制導與控制提出了很大挑戰。

根據撞擊控制任務的特點，確定撞擊過程的初步導航方式見表2。

表2 小行星撞擊任務導航方式Table 2 Navigation methods of asteroid impact missions

2.2 評估任務分析

撞擊效能評估是指對通過動能撞擊導致小行星物理特性的改變進行評估，主要包括軌道變化評估、地形地貌變化評估、濺射物評估3個方面。

1）軌道變化評估

觀測器在撞擊前后會在與小行星相對固定的距離停泊，觀測器測定軌數據及其與小行星的相對測量數據，都可作為評估軌道變化量的輔助信息。

利用觀測器在小行星日心軌道坐標系下測定軌數據，修正小行星的軌道預報模型，從而對小行星未發生撞擊的狀態下半年后原本該處于的位置進行精確預報，通過與小行星被撞擊半年后實際所處位置比較，評估軌道的變化。

而若要求撞擊后能夠對小行星的軌道變化進行精確評估，則撞擊前小行星軌道預報的誤差需遠小于小行星軌道的實際變化，一般差別在3倍以上，因此要求提前半年軌道預報誤差優于百千米量級。

2）地形地貌變化評估

撞擊前后的地形變化，如撞擊坑的直徑、深度可以最直接表征撞擊的效果。而小行星表面紋理稀疏，通常大片都光滑無特征，這就對三維建模算法的特征識別能力提出了很高的要求。地形地貌變化的評估需求主要包括以下2方面。

撞擊坑評估：包括撞擊前的天然撞擊坑的直徑和分布評估，以及撞擊器撞擊小行星形成撞擊坑的直徑和地形起伏測量。前者通過對天然撞擊坑密度分布來推斷小行星表面的年齡，后者對撞擊坑的地形剖面進行分析，評估的對象直徑可能在數米至十數米量級，深度在數米量級；

石塊尺寸分布評估：“隼鳥2號”對撞擊坑內的石塊尺寸和坑外石塊的尺寸大小進行了對比，發現坑內石塊大小降至坑外平均大小的1/3，對比撞擊坑內外的石塊尺寸大小，可以獲取小行星次表層物理特性的更多信息。評估的石塊尺寸一般為厘米級。

綜上，為能夠精確分辨撞擊前后地形地貌的變化，數字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）的分辨率要優于厘米級，數字高程圖（Digital Elevation Model，DEM）的水平分辨率和高程精度要優于10 cm級。

3）濺射物評估

濺射物分布是表征撞擊效能和動能作用機理的重要依據，在高速撞擊階段，小行星的結構會產生強烈的變形及局部的斷裂破碎形成濺射物，通過濺射物的運動狀態可實現對目標小行星孔隙率、密度、分子間作用力的評估，進一步明確小行星受高速撞擊后的動力學響應機理，這就對濺射物發散角、切向速度和徑向速度提出了較高的測量要求。探測器需配置高分辨率相機以優于0.1 m的分辨率對撞擊過程產生的濺射物進行清晰成像。

2.3 載荷需求分析

小行星撞擊防御任務的設計重點在于對小行星精準撞擊和撞擊效果精確評估。而靶體對撞擊效能的影響因素主要包括小行星基本參數、材料參數、結構、形貌等4類，如表3所示。因此，需圍繞靶體參數的精確測量，配置科學載荷，獲得目標小行星的大小、質量、孔隙度、結構、形貌等詳細參數描述，從而為撞擊效能的評估提供支撐。

表3 影響撞擊效能的主要靶體參數Table 3 Main parameters affecting impact efficiency

針對表3中靶體參數測量需求，初步對有效載荷配置需求如表4所示。

表4 初步載荷配置需求Table 4 Load configuration requirements

3 任務方案設計

與已有的地外天體撞擊任務“撞擊+掠飛觀測”的任務形式不同，為解決當前小行星撞擊防御任務方案中對撞擊效果系統性、精確性評估不足的問題，特別是缺乏系統有效天基評估手段的問題，本文提出“伴飛觀測+撞擊+伴飛評估”的任務方案，在實現高精度撞擊的同時，全面準確地評估撞擊效能。任務的整個過程包括撞前小行星伴飛觀測、小行星撞擊和撞后小行星伴飛評估3個階段。3個階段的任務分別由觀測器和撞擊器2個探測器實現，觀測器需要早于撞擊器數月到達小行星。

任務的飛行過程如下：觀測器和撞擊器通過一箭雙星的形式發射，兩器入軌分離，以不同的軌道飛向撞擊目標。

觀測器從地球到小行星采用直接轉移軌道，經深空機動和中途修正到達小行星后實施交會并開展數月科學探測，包括伴飛定軌、小行星地表三維觀測建模、物質成分探測以及內部結構測量。撞擊器與觀測器一起發射，采用不同的直接轉移軌道，途中進行深空機動和數次中途修正，撞擊器自主捕獲到小行星后，采用自主導航控制策略實現與小行星的撞擊。觀測器觀測和記錄撞擊過程，對撞擊濺射物形成過程進行探測，隨后開展伴飛定軌、小行星地表三維觀測等工作，并與撞擊前數據對比，聯合地面觀測分析軌道變化、撞擊坑演化等完成撞擊效能評估，如圖11所示。

圖11 小行星撞擊防御任務“伴飛觀測+撞擊+伴飛評估”方案示意圖Fig.11 Schematic diagram of the asteroid impact defense mission “observation+impact+evaluation” plan

3.1 撞擊任務設計

撞擊器通過逐段逼近的方式完成高速撞擊過程，在距目標小行星40～50萬km時，撞擊器通過光學敏感器完成目標小行星捕獲，此后采用自主導航的方式逐漸接近小行星，通過自主控制在每一個飛行階段逐步收斂撞擊點偏差。在最后的撞擊段飛行過程中，撞擊器通過高精度的自主導航和快速機動，經過3～5次修正，實現小行星的精準撞擊。

小行星撞擊精度主要由導航誤差和軌道控制誤差決定。導航誤差主要取決于敏感器測量和數據處理精度，軌控誤差主要受推力器執行誤差、加速度計測量、姿控和制導解算誤差影響?；谥袊⌒行翘綔y及采樣任務“天問二號”針對窄視場導航敏感器、圖像處理、自主導航與控制算法技術的攻關，進一步提升硬件水平、優化控制算法及策略，探測器在大約（40～50）萬km捕獲目標小行星并接近飛行過程中，采用逐段收斂的方法進行誤差修正如圖12，最終實現撞擊精度滿足任務需求。

3.2 在軌評估任務設計

觀測器對撞擊效能的在軌評估觀測主要包括3方面內容：軌道變化、地形地貌變化及濺射物觀測評估。軌道變化評估：撞擊前觀測器懸停在小行星附近開展伴飛測量，地面對觀測器進行多次長時間測定軌，并通過測量觀測器與小行星的相對位置關系，反演高精度的小行星軌道數據，同時據此對小行星進行高精度軌道預報。撞擊后，再次通過伴飛對小行星測軌，并和撞擊前的軌道預報數據比對，實現小行星撞擊前后軌道變化評估，如圖13所示。

圖13 小行星伴飛測量評估示意圖Fig.13 Schematic diagram of measurement and evaluation of spacecraft accompanying asteroid flight

地形地貌變化評估：觀測器開展懸停探測實現小行星地形地貌三維建模，如圖14所示。首先通過多點探測獲取俯視、前視、右視的圖像，建立初始的形狀；然后依據小行星表面特征選取面片，將三維表面模型劃分為不同的塊；將光學影像映射（配準）到每塊面片，利用最小二乘方法拼接和全局優化各面片，得到高分辨率的小行星三維表面模型。并與激光一體化導航敏感器掃描的全球高精度點云數據進行融合，最終獲得高精度DEM模型。三維建模過程在撞擊前后各進行一次，通過2次DEM模型的對比，實現小行星地形地貌變化評估。

圖14 小行星地形地貌三維建模Fig.14 3D Modeling of asteroid topography and landform

濺射物觀測評估：撞擊過程的濺射物觀測由觀測器攜帶的高分辨率相機完成，觀測器在與撞擊方向垂直的方位進行觀測是最優選擇，考慮光照條件以保證觀測效果，觀測位置的選擇需滿足太陽–目標小行星–觀測器夾角50°～70°?？紤]觀測器在軌安全工作，觀測位置距離小行星保持數10 km安全距離，撞擊過程濺射物觀測如圖15所示。

圖15 撞擊過程濺射物觀測Fig.15 Observation of sputtering during impact process

4 結 論

近地小行星對地球安全的潛在威脅一直存在，進行小行星防御，是人類保護地球家園的必然需求。本文在對小行星防御的研究現狀進行分析的基礎上，對當前成熟度較高、具有工程實施性的動能撞擊防御手段進行了詳細的任務分析，并據此提出了“伴飛觀測 +撞擊+伴飛評估”的小行星撞擊防御方案，通過觀測器提前抵達并對小行星的伴飛探測，獲得小行星受撞前的軌道、地形、自轉等精確信息，通過撞擊過程中觀測器的全程觀測獲得濺射物的詳細分布，通過撞擊后觀測器的伴飛評估，獲得小行星受撞后的軌道、地形、自轉等詳細信息，并通過撞擊前后的比較，從軌道變化、地形變化、濺射物分布3個方面全面的、精確地評估撞擊效能。與已有的“撞擊+掠飛觀測”方案相比，通過一次任務即可實現動能撞擊和天基觀測，且效能評估更全面、評估數據更精確，可以為未來中國首次小行星防御任務的實施提供重要參考。