雙小行星重定向測(cè)試:來自地球的反擊

文/張雪松

▲ DART 藝術(shù)想像圖

▲ DART 宣傳海報(bào)

▲ DART 任務(wù)徽章

DART 的提出和波折

行星防御對(duì)大眾來說或許還是個(gè)新鮮概念，但在航天業(yè)界這個(gè)概念早已不陌生。為了預(yù)防類似6500 萬年前小行星撞擊地球的災(zāi)難，美國(guó)早在1998 年就正式啟動(dòng)近地天體探測(cè)項(xiàng)目，使用包括陸基和天基望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的各種觀測(cè)設(shè)施發(fā)現(xiàn)和跟蹤近地天體。近地天體研究中心的數(shù)據(jù)顯示，截至2021 年11 月29 日已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了27613個(gè)近地天體，絕大多數(shù)是近地小行星，還有少數(shù)彗星，近地天體中有9930 個(gè)大于140 米，更有888 個(gè)大于1 千米。

雖然說行星防御的關(guān)鍵在于預(yù)警，但探測(cè)跟蹤近地小行星還是為攔截防御小行星服務(wù)的。遺憾的是行星防御的紙面方案雖然有很多，最著名的當(dāng)屬用核彈頭摧毀小行星，也有撞擊或高能激光燒毀等方案，但要具備實(shí)際的行星防御能力，這些方案還有待實(shí)際驗(yàn)證。

行星防御行動(dòng)上最快的是美國(guó)人。早在1996 年美國(guó)就發(fā)射了第一顆小行星環(huán)繞探測(cè)器NEAR，它還通過精巧的軌道控制意外成功軟著陸小行星表面。美國(guó)2005 年1 月13 日發(fā)射的深度撞擊探測(cè)器，在7 月4 日按計(jì)劃釋放撞擊器撞擊坦普爾一號(hào)彗核，實(shí)現(xiàn)了人類與彗星的第一次親密接觸。

2005 年歐空局提出了堂吉訶德任務(wù)，它使用SMART-1 任務(wù)使用的探測(cè)器平臺(tái)，將獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對(duì)近地小行星的環(huán)繞和撞擊。其備選目標(biāo)包括著名的阿波菲斯小行星，不過后來它并入小行星撞擊偏轉(zhuǎn)評(píng)估(AIDA)任務(wù)。

2007 年美國(guó)宇航局的一份分析報(bào)告指出，對(duì)于小型固體近地天體來說，非核動(dòng)能撞擊器是最成熟的偏轉(zhuǎn)防御方案。2015 年歐空局和美國(guó)宇航局達(dá)成協(xié)議，聯(lián)合實(shí)施小行星撞擊偏轉(zhuǎn)評(píng)估任務(wù)，評(píng)估動(dòng)能撞擊小行星產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)效果，為實(shí)際防御小行星積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。

▲ “唐吉訶德”概念圖

▲ 深度撞擊探測(cè)器

小行星撞擊偏轉(zhuǎn)評(píng)估任務(wù)包括兩個(gè)部分：美國(guó)宇航局提供的撞擊器DART 和歐空局提供的探測(cè)器AIM。雙小行星重定向測(cè)試（DART）撞擊器由約翰·霍普金斯大學(xué)的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)研制，歐空局和其他國(guó)家的機(jī)構(gòu)也提供了一些支持。DART 的撞擊目標(biāo)是迪迪莫斯（Didymos）雙小行星系統(tǒng)中較小的迪莫菲斯（Dimorphos）。2017 年6 月DART 從概念設(shè)計(jì)階段轉(zhuǎn)入初步設(shè)計(jì)階段，2018 年8 月項(xiàng)目開始最終設(shè)計(jì)和裝配，2019 年4 月選定太空探索技術(shù)公司的獵鷹9 號(hào)火箭發(fā)射。然而好事多磨，歐洲對(duì)行星防御的熱情并不太高，由于德國(guó)無法提供資金，小行星撞擊任務(wù)探測(cè)器（AIM）于2016 年取消，事后科學(xué)家們表示反對(duì)并得到回應(yīng)，2019 年一個(gè)名為赫拉（Hera）的深空探測(cè)器獲得立項(xiàng)，它將于2024 年發(fā)射并于2027 年抵達(dá)雙小行星系統(tǒng)觀測(cè)DART 的撞擊效果。

詳解DART 探測(cè)器

DART 探測(cè)器由美國(guó)宇航局行星防御協(xié)調(diào)辦公室負(fù)責(zé)管理，具體研制由約翰·霍普金斯大學(xué)的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)宇航局在深空探測(cè)領(lǐng)域的老伙伴，雖然在旗艦級(jí)項(xiàng)目上它無法和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室競(jìng)爭(zhēng)，但在輕量級(jí)項(xiàng)目上碩果累累，DART 就是它的最新研制成果。

獵鷹9 號(hào)火箭的運(yùn)力很強(qiáng)，但DART 并非大型深空探測(cè)器，它最早計(jì)劃作為次級(jí)載荷搭便車蹭商業(yè)發(fā)射上天。DART 有多小呢？它的發(fā)射總質(zhì)量?jī)H有610 千克，其中還有50 千克的肼基燃料和60 千克的氙工質(zhì)，常見的家用汽車都有1.2 噸以上，換句話說它只有半輛家用小汽車重。

▲DART 結(jié)構(gòu)圖

常言道麻雀雖小五臟俱全，DART固然包括航天器必備的子系統(tǒng)，但它的復(fù)雜度也就僅此而已。如果較真地說，它甚至沒有包括任何科學(xué)載荷，這完全顛覆了人們對(duì)深空探測(cè)器龐大復(fù)雜的印象。

DART 探測(cè)器不但重量輕，尺寸也不大，方形主體部分只有1.2 米 X 1.3 米X 1.3 米，除此之外就是兩個(gè)滾筒展開式太陽(yáng)翼，電推發(fā)動(dòng)機(jī)和名為DRACO 的攝像頭，以及天地通訊用的天線，當(dāng)然也少不了星敏感器、電池和用于軌姿控的小型化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

DART 結(jié)構(gòu)這么簡(jiǎn)單并不讓人意外，畢竟這是一個(gè)單程“自殺”航天器，何必要過于復(fù)雜呢。話雖如此，DART探測(cè)器的研發(fā)和制造花費(fèi)達(dá)3.08 億美元，即使以現(xiàn)在的匯率折合人民幣也有19.65 億。

DART 探測(cè)器雖然只是一個(gè)純粹的撞擊器，但它本身的設(shè)計(jì)和子系統(tǒng)仍有很多可圈可點(diǎn)之處。

DART 探測(cè)器將測(cè)試多種創(chuàng)新性技術(shù)，首當(dāng)其沖的就是小天體機(jī)動(dòng)和自動(dòng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)（SMART Nav）。小天體機(jī)動(dòng)和自動(dòng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)讓DART 探測(cè)器具備了自主導(dǎo)航制導(dǎo)控制能力，可以自行探測(cè)和識(shí)別預(yù)定撞擊目標(biāo)，并自主進(jìn)行撞擊操作。它使用DART 探測(cè)器的偵察和光學(xué)導(dǎo)航小行星相機(jī)，以及約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的基于固件的核心小型航天電子套件（CORESAT）計(jì)算機(jī)。

值得一提的是，DART 探測(cè)器的偵察和光學(xué)導(dǎo)航小行星相機(jī)，雖然只是源自新視野號(hào)探測(cè)器遠(yuǎn)程偵察成像儀的簡(jiǎn)單設(shè)備，其口徑也只有20 厘米，但配合約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的自動(dòng)導(dǎo)航算法和硬件，在深空探測(cè)器中率先實(shí)現(xiàn)了基于成像儀的自動(dòng)導(dǎo)航能力。偵察和光學(xué)導(dǎo)航小行星相機(jī)在發(fā)射升空一周后啟動(dòng)，它將持續(xù)跟蹤拍攝雙小行星系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的導(dǎo)航制導(dǎo)控制，并引導(dǎo)DART 撞擊迪莫菲斯小行星。

▲DART 的Spiral RLSA 天線

▲ DART 飛行軌道示意圖

DART 使用的太陽(yáng)能電池技術(shù)也值得一提。繼國(guó)際空間站之后，DART也使用了滾動(dòng)展開的柔性太陽(yáng)翼，柔性太陽(yáng)翼體積小重量輕，重量?jī)H有傳統(tǒng)剛性太陽(yáng)翼1/3 左右，這對(duì)重量斤斤計(jì)較的航天器尤其是深空探測(cè)器是十分有利的。DART 還在局部使用了變革型太陽(yáng)翼技術(shù)，使用超高效太陽(yáng)能電池和反射式聚光器，發(fā)電效率是傳統(tǒng)太陽(yáng)翼的3 倍。

DART 探測(cè)器的柔性太陽(yáng)翼單側(cè)尺寸為8.5 米長(zhǎng)、2.4 米寬，兩側(cè)太陽(yáng)翼可以提供高達(dá)6.6 千瓦的電力供應(yīng)。DART 裝有高性能的大型太陽(yáng)翼，但是載荷卻十分有限，一個(gè)主要原因是它將測(cè)試名為商用版演進(jìn)型氙推進(jìn)器（NEXT-C）的大功率電推發(fā)動(dòng)機(jī)。演進(jìn)型氙推進(jìn)器是一種大功率電推發(fā)動(dòng)機(jī)，由美國(guó)宇航局下屬的格倫研究中心和阿羅杰特洛克達(dá)因公司聯(lián)合研制，能以4170 秒比沖產(chǎn)生237 毫牛推力，其最大功率可達(dá)6.9 千瓦，是黎明號(hào)小行星探測(cè)器電推發(fā)動(dòng)機(jī)功率的3 倍！演進(jìn)型氙推進(jìn)器的原定裝機(jī)對(duì)象在競(jìng)爭(zhēng)中落敗，于是開放技術(shù)誕生了商業(yè)版，可供美國(guó)宇航局或非宇航局用戶選用，最終首先裝在DART探測(cè)器上執(zhí)行任務(wù)。商用版演進(jìn)型氙推進(jìn)器功率大而且功率可調(diào)，未來也可能被其他深空探測(cè)任務(wù)選用。

DART 探測(cè)器還配備了名為螺旋徑向縫隙陣列（Spiral RLSA）的新型天線，縫隙陣列天線是一種20 世紀(jì)60 年代就出現(xiàn)的技術(shù)，徑向縫隙陣列天線具有制造簡(jiǎn)單、體積小、效率高和功率容量大等諸多優(yōu)點(diǎn)，不過傳統(tǒng)縫隙陣列天線一般用于上行或下行通信，而DART 使用的大帶寬螺旋徑向縫隙陣列天線同時(shí)用于上行和下行，它能在探測(cè)器靠近迪迪莫斯雙小行星系統(tǒng)時(shí)，及時(shí)回傳偵察和光學(xué)導(dǎo)航小行星相機(jī)拍攝到的高分辨率照片。

DART 的任務(wù)和展望

DART 主要用于演示和驗(yàn)證動(dòng)能撞擊實(shí)現(xiàn)小行星偏轉(zhuǎn)的方法，按照預(yù)定計(jì)劃，DART 發(fā)射升空后將飛向迪迪莫斯雙小行星系統(tǒng)，并在北京時(shí)間2022 年9 月27 日7 時(shí)14 分以大約6.6千米/秒的相對(duì)速度撞擊迪莫菲斯小行星，屆時(shí)雙小行星系統(tǒng)距離地球只有約1100 萬千米，正是距離地球較近的時(shí)候，便于地面設(shè)施進(jìn)行觀測(cè)。

▲ DART 及它將探測(cè)的兩顆小行星的大小參照?qǐng)D

▲迪迪莫斯的體積示意圖

在之前的計(jì)劃中，歐空局的AIM探測(cè)器先于DART 發(fā)射，在DART 撞擊前后觀測(cè)迪迪莫斯小行星系統(tǒng)。現(xiàn)在歐空局的赫拉探測(cè)器要2024 年才能發(fā)射，但已經(jīng)發(fā)射升空的DART 也并不孤單，它還攜帶著一個(gè)名為小行星成像的輕型意大利立方星的6U 立方星。這個(gè)立方星配備了兩個(gè)光學(xué)攝像頭，它將附著在DART 探測(cè)器上，直到撞擊前10 天才分離，伴隨DART 飛行并獲取撞擊小行星和撞擊濺射物的圖片。

DART本身只是個(gè)單純的撞擊器，立方星的性能又十分有限，而赫拉探測(cè)器還要等5 年多才到達(dá)，DART 的撞擊偏轉(zhuǎn)效果如何，就只能靠地面望遠(yuǎn)鏡來觀測(cè)。很多人都會(huì)感到疑惑：一個(gè)610 千克質(zhì)量，撞擊時(shí)也只有550 千克的撞擊器，就算撞擊速度有6.6 千米/秒，這么遠(yuǎn)的距離上怎么判斷迪莫菲斯小行星軌道變了沒有呢？畢竟就算是迪莫菲斯被稱為孿小星，沒有迪迪莫斯780 米那么大的直徑，但也是163 米的龐然大物。其實(shí)這個(gè)問題科學(xué)家們?cè)缇拖氲搅?，早?005年的堂吉訶德探測(cè)器就選擇了一個(gè)雙小行星系統(tǒng)，今天的DART 探測(cè)器選擇雙小行星系統(tǒng)作為目標(biāo)，也是為了便于觀測(cè)撞擊偏轉(zhuǎn)效果。

迪迪莫斯雙小行星系統(tǒng)的近日點(diǎn)為1.0133 天文單位，遠(yuǎn)日點(diǎn)2.2760天文單位（超過火星軌道），這個(gè)軌道和地球軌道不相交，即使實(shí)施撞擊偏轉(zhuǎn)也沒有一頭撞向地球的危險(xiǎn)。然而迪迪莫斯系統(tǒng)的公轉(zhuǎn)周期為2.11年，DART的撞擊固然會(huì)影響到公轉(zhuǎn)周期，但這不是遙遠(yuǎn)的地球能觀測(cè)到的，事情的關(guān)鍵還在雙小行星的獨(dú)特結(jié)構(gòu)上。

迪迪莫斯系統(tǒng)包括780 米直徑的迪迪莫斯和163 米直徑的迪莫菲斯小行星，其中較小的迪莫菲斯繞著較大的迪迪莫斯旋轉(zhuǎn)，也有很多人把迪莫菲斯稱作迪迪莫斯的衛(wèi)星。迪莫菲斯的環(huán)繞半徑大約是1.2 千米，速度只有大約0.17 米/秒，環(huán)繞一周下來需要11 小時(shí)55 分。DART 的撞擊將顯著改變迪莫菲斯小行星環(huán)繞迪迪莫斯的軌道速度和周期，估計(jì)能把軌道周期改變10 分鐘左右，可以由地面望遠(yuǎn)鏡分辨出來。

DART 撞擊器設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單，它的任務(wù)看起來也如此簡(jiǎn)單，但美國(guó)宇航局肯花3 億多美元專門進(jìn)行動(dòng)能偏轉(zhuǎn)技術(shù)的驗(yàn)證，可見事情沒這么簡(jiǎn)單。美國(guó)宇航局以前的報(bào)告說，對(duì)于固體小行星動(dòng)能撞擊技術(shù)是最成熟的方案。以前包括科學(xué)家在內(nèi)人們對(duì)小行星的想象，普遍是固體實(shí)心大石頭，不過我國(guó)嫦娥二號(hào)拍攝的圖塔蒂斯小行星，被發(fā)現(xiàn)表面存在200 多個(gè)碎石，研究表明它們是母體形成小行星時(shí)的殘留碎片。更早的日本“隼鳥號(hào)”，比嫦娥二號(hào)晚的“隼鳥二號(hào)”和美國(guó)奧西里斯-雷克斯探測(cè)器的繞飛探測(cè)，都發(fā)現(xiàn)所探測(cè)的小行星是碎石堆型小行星?？茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn)1950 DA 這樣碎石堆型但自轉(zhuǎn)速度很快的小行星，如果只有引力和摩擦力作用，這么快的自轉(zhuǎn)速度下應(yīng)該解體才對(duì)。

總而言之，人類對(duì)小行星的類型和結(jié)構(gòu)了解還有很多不足，動(dòng)能撞擊偏轉(zhuǎn)對(duì)實(shí)心天體和空隙碎石堆的偏轉(zhuǎn)效果肯定有巨大的差異，這也是需要DART 來一次實(shí)際撞擊進(jìn)行驗(yàn)證的重要原因。不管DART 實(shí)際撞擊的效果如何，人類終于邁出了保衛(wèi)地球家園、防御近地小行星的關(guān)鍵一步。人類被稱為萬物之靈，可不是恐龍那樣坐以待斃的生物啊。

▲ 奧西里斯-雷克斯探測(cè)器拍攝的貝努小行星

▲ 奧西里斯-雷克斯探測(cè)器拍攝的貝努小行星碎石堆