NASA于2021年11月成功發射“雙小行星重定向測試”探測器，執行全球首個小行星防御技術驗證任務.

2021年11月24日，美國家航空航天局（NASA）成功發射了“雙小行星重定向測試”（DART）探測器，將執行全球首個小行星防御技術驗證任務，旨在驗證利用動能撞擊技術偏轉小行星軌道的可行性；同時驗證諸如深空高精度自主導航定位、先進能源與推進等多項深空探測關鍵技術，為后續深空探測任務和小行星資源開發利用奠定基礎。

圖1 2021年11月24日，搭載了DART的SpaceX“獵鷹”9火箭在加利福尼亞州范登堡天軍基地發射，開始了為期10個月旅程。

一、任務背景

近地天體威脅是一種“可能性極低但后果嚴重”的災害。美國和歐洲長期開展近地天體防御研究，重點致力于近地小行星防御技術研究，并提出多項任務概念與設想，如NASA的“阿波菲斯探索與減緩平臺”“超高速小行星攔截器”“表面和內部科學撞擊器”，歐洲航天局（ESA）的“堂吉訶德”“近地小行星防護盾”等。為進一步加強近地小行星防御技術研究與驗證，美歐于2015年提出合作開展“小行星撞擊和偏轉評估”（AIDA）任務，著重推進近地小行星防御技術的相關驗證工作。

AIDA任務是美歐合作開展的首個國際小行星防御任務，用于支撐行星防御戰略規劃，開發小行星偏轉技術與所需能力。該任務由NASA和ESA牽頭，約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室、德國航空航天中心（DLR）和科特迪瓦天文臺參與研究，目標天體是雙小行星系統“戴迪莫斯”（Didymos）及其衛星“戴莫福斯”（Dimorphos）。

NASA負責的“雙小行星重定向測試”（DART）是AIDA的子任務，將利用小行星撞擊器撞擊“戴莫福斯”，使其偏離運行軌道；再由ESA負責的“赫拉”（Hera）子任務，利用小行星交會探測器觀測“戴莫福斯”并測繪其表面撞擊坑圖像，近距離測量“戴莫福斯”受撞擊后的運行軌道變化，獲得詳細數據，為未來小行星防御技術的開發奠定基礎。

圖2 DART探測器將驗證利用動能撞擊技術偏轉小行星軌道的可行性。

二、任務基本情況

“雙小行星重定向測試”（DART）任務是AIDA任務的重要組成部分，也是目前全球唯一進入實際運行的近地小行星防御技術驗證任務。DART任務成本約3.3億美元，由約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室領導，并得到NASA噴氣推進實驗室、戈達德太空飛行中心和約翰遜太空中心的支持，由NASA行星防御協調辦公室資助和管理。

1.任務目標

DART任務將于2022年9月到達雙小行星系統，在機載相機和精細自主導航軟件的幫助下，DART探測器將以大約6.7km/s的速度撞擊“戴莫福斯”，利用動能撞擊驗證小行星偏轉技術。

任務目標是：

在撞擊前拍攝“戴迪衛星”的高分辨率圖像；

采用精確自主導航與制導，撞擊直徑160米“戴莫福斯”的中心；

利用立方星觀測撞擊瞬間的情況。

2.探測器平臺

DART探測器是一個動能撞擊器，主要由平臺、電源系統、推進系統和導航系統等組成。其中，探測器平臺重約500kg，尺寸約1.2m×1.3m×1.3m；電源系統采用NASA新研制的卷軸式太陽能帆板（ROSA），ROSA完全展開時，DART探測器長12.5m，寬2.4m（圖3）。

圖3 ROSA展開后的DART探測器示意圖

探測器的主推進系統采用“NASA進化氙氣推進器-商用型”（NEXT-C）推力器，該推力器是基于“黎明”號探測器推進系統而開發的下一代系統，由NASA格倫研究中心開發；NEXT-C推力器具有電推功率大、性能強等優點，能在撞擊前及時修正探測器的軌道，使其按既定要求飛行；化學推進系統由12個MR-103G肼推力器組成，每個推力器有1N推力，可幫助探測器到達目的地并撞擊目標。

探測器的導航系統由“戴迪莫斯”偵察與光學導航小行星相機（DRACO），以及采用“小天體機動自主實時導航”（SMART Nav）算法的導航軟件組成，可使探測器自主飛行到“戴迪莫斯”雙小行星系統，通過精確制導實現對“戴莫福斯”的撞擊。DRACO也是探測器攜帶的唯一科學有效載荷，是一款孔徑208mm、視場0.29°的窄角望遠鏡，其是基于“新地平線”探測器的高分辨率成像儀研制的，用于支持探測器的導航和定位，測量“戴莫福斯”的大小和形狀，并確定撞擊地點和地質背景。

探測器的通信系統采用徑向線槽陣列(RLSA)天線，這種低成本、高增益天線以緊湊、平面的形式實現高效通信，還攜帶兩個低增益天線作為通信補充；其航電系統采用一個單板計算機和一個接口模塊，兩者都具有基于現場可編程門陣列的電子設備，為探測器的導航、圖像處理、通信和推進系統提供靈活的控制和數據處理。

圖4 DART探測器構型圖

此外，DART探測器還攜帶了一顆意大利立方星（圖5），該立方星的配備可對小行星進行遠距離成像的窄視場全色相機，以及對小行星進行多色分析的寬視場彩色相機，用于監測探測器撞擊“戴莫福斯”時發生的所有情況。

圖5 意大利立方星示意圖

3.任務重要里程碑

2017年6月

DART探測器所用的卷軸式太陽能帆板完成國際空間站上的測試；同年，NASA批準探測器從概念開發階段轉入初步設計階段；

2018年8月

DART探測器進入最終設計、建造和組裝階段；

2019年4月

NASA選定SpaceX“獵鷹”9運載火箭發射DART探測器；

2020年3月

探測器的電推進系統完成性能和環境測試；

2020年5月

噴氣洛克達因公司向NASA交付探測器的電推進系統；

2021年11月

DART探測器由“獵鷹”9運載火箭成功發射；

預計

DART將于2022年9月到達“戴迪莫斯”雙小行星系統，并以大約6.7km/s的速度撞擊“戴莫福斯”。

4.任務運行

通過使用電推進，DART探測器能夠在任務時間上獲得很大的靈活性，并拓寬了發射窗口，同時也降低了運載火箭的發射成本。采用NEXT-C離子推進發動機，DART探測器將會盤旋著沖出地球同步衛星軌道和月球軌道，到達一個逃逸點，離開地-月系統前往“戴迪莫斯”雙小行星系統。DART探測器將于2022年9月26日～10月1日之間的某個時間撞擊“戴迪莫斯”的衛星“戴莫福斯”，屆時“戴迪莫斯”雙小行星系統距離地球1100萬千米以內。

預計撞擊過程：

撞擊發生前10天，DART探測器將在距離“戴莫福斯”約55km處釋放1顆意大利立方星作為觀測平臺，使用機載相機拍攝，并傳輸撞擊過程圖像。

撞擊前數小時，DART探測器將開啟機載偵察與光學導航小行星相機實施導航，并采用“小天體機動自主實時導航”算法的導航軟件自主瞄準目標小行星。

撞擊時，DART探測器將以超過6.7km/s的速度與“戴莫福斯”衛星相撞。

據NASA估算，在DART探測器撞擊“戴莫福斯”后，該衛星將靠近“戴迪莫斯”小行星，從而導致衛星軌道周期減少數分鐘。

圖6 DART探測器撞擊小行星“戴莫福斯”示意圖

三、結束語

DART任務是人類對行星防御技術的首次深空驗證，所采用的動能撞擊技術，從目前技術發展角度來說是一種較為簡單可行的近地小行星防御技術，但防御效果因近地天體大小而不同。一是在緊急情況下，可發射動能撞擊器，對小尺寸近地小行星執行撞擊任務，使其偏離撞擊地球的軌道；二是動能撞擊技術對于大尺寸近地小行星的撞擊效果有限，對于偏轉其軌道作用較小。

DART任務所驗證的技術，即可作為威脅地球安全的來襲近地天體防御技術，其發展的相關能力與技術又具有較強的軍事應用潛力；此外對多項深空關鍵技術的驗證，也將為后續深空探測器應用以及小行星資源開發利用奠定技術基礎。

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