小行星撞擊與偏轉評估任務

宇 涵 （北京大學行星與空間科學研究中心）

小行星撞擊與偏轉評估任務

宇 涵 （北京大學行星與空間科學研究中心）

The Asteroid Impact and Deflection Assessment (AIDA) Mission

截至2017年5月1日，人類已經發現了16089顆近地小行星（NEA），其中有1799顆是對地球有潛在危險的小行星（PHA）。目前，全世界各研究機構已提出數十種避免和減輕小行星撞擊風險的方法，其中一種是動力撞擊偏轉軌道。當前的問題是深入掌握撞擊對小行星軌道的效應，對撞擊器大小、速度、撞擊方向以及如何選擇撞擊位置進行深入研究。

“小行星撞擊與偏轉評估任務”（AIDA）是歐洲航天局（ESA）、美國航空航天局（NASA）以及霍普金斯大學合作的在研項目。該項目由兩部分構成，一個是“雙小行星再定向測試”（DART），由NASA負責；另一個是“小行星撞擊監視器”（AIM），由ESA負責。其中，“雙小行星再定向測試”撞擊目標小行星，“小行星撞擊監視器”主要觀測與研究撞擊效應。

1 “小行星撞擊監視器”

“小行星撞擊監視器”的目標是撞擊65803號迪蒂莫斯雙小行星系統中較小的一顆—迪代莫恩小行星，其直徑約170m，計劃于2020年10月發射，2022年6月到達迪蒂莫斯小行星。

“小行星撞擊監視器”攜帶的儀器包括可見光成像系統（VIS）、熱紅外成像儀（TIRI）、高頻雷達（HFR）和低頻雷達（LFR）。小行星撞擊任務探測器至少攜帶3個小的著陸器，一個是由德國研制的小行星表面移動偵察機－2（Mascot－2），另兩顆是立方體衛星。小行星表面移動偵察機－2攜帶了收發分置雷達，測量小行星的內部結構、表面機械強度、反照率和熱發射性質。立方體衛星用于研究小行星表面成分，測量重力場，評估小行星受到“雙小行星再定向測試”撞擊時的塵埃和羽煙，監測振動狀態。

可見光成像系統

用于導航和科學測量，所拍圖像的分辨率約0.5m。該系統將用于精確地確定迪代莫恩小行星在撞擊前后的形狀、大小以及動力學狀態（周期、軌道的極向、自旋周期），也能成像整體表面特征，進行實時的拋射物觀測。在撞擊以后，可見光成像系統將用于確定撞擊坑的密度，比較2顆小行星的地貌形態。

熱紅外成像儀

熱紅外成像儀主要描述迪代莫恩小行星表面性質的差別，例如裸露的巖石對比顆粒或塵埃表面；測量小行星表面的熱性質，這種性質與土壤的結構有關，對雅克夫斯基效應有影響。熱紅外成像儀也用于監測撞擊瞬間表面性質以及拋射物的變化，詳細地測量撞擊所產生的坑。

高頻雷達

高頻雷達的主要目的是獲得小行星外表面和表面下深達10m內的結構信息。用高頻雷達對迪代莫恩小行星進行掃描，可以使科學家研究表層下的分層結構。

低頻雷達

低頻雷達主要是獲取小行星內部結構的數據，分辨率為30m。小行星撞擊任務探測器和著陸器都攜帶一個發射機和低頻雷達接收機，信號可以在迪代莫恩小行星整個旋轉過程中發送。

激光通信

光學下聯系統將在軌驗證長距離發送數據的能力。從迪代莫恩小行星表面和表面下收集到的大量數據將經過激光束返回到歐洲航天局的光學地面站，完成來自深空的高帶寬光學通信。

2 “雙小行星再定向測試”

“雙小行星再定向測試”的目標是迪蒂莫斯雙小行星系統。迪蒂莫斯是食雙星（相互繞轉，彼此掩食），通過地面光曲線測量可以準確地確定小的周期變化。另外，迪蒂莫斯在2022年10月靠近地球，特別適合于攔截、交會和地基觀測。

“雙小行星再定向測試”將了解超聲速撞擊對小行星的效應，包括撞擊拋射物的長期動力學；驗證小行星撞擊的動量轉移模式，推斷小行星表面和表面下的物理性質。該測試將使用地基設備，通過測量雙星的軌道周期變化來測量軌道偏轉。撞擊會使迪蒂莫斯11.92h的軌道周期變化至少幾分鐘。在幾個月的觀測期間，這個變化可以確定在10%的精度內。

“雙小行星再定向測試”使用電推進系統，質量大于300kg，有一副直徑為1m的高增益天線，攜帶一個高分辨率可見光成像儀，用于測量撞擊前小行星表面的形態和地質特征，并將撞擊點確定在目標直徑的1%以內。“雙小行星再定向測試”還有精確的自動導航系統。

該測試有多個發射窗口，其中一種選擇是將發射時間選在2020年12月18日，軌道保持在到太陽的距離接近1AU（天文單位），到地球的最大距離小于0.21AU。撞擊迪代莫恩小行星的速度為7.03km/s，到達方向相對于迪蒂莫斯的軌道平面為27.5°。質量為300kg，將以6.25km/s的速度撞擊目標，預計目標小行星速度的變量大約在0.4mm/s，對系統的日心軌道只能產生很小的變化。小行星撞擊與偏轉評估任務將提供關于小行星強度、表面物理性質和其內部結構的數據，對于計算撞擊坑的大小和動量輸送效率等參數非常重要。“雙小行星再定向測試”將在2021年11月16日飛越3361號小行星，2022年9月20日撞擊迪蒂莫斯小行星。