張 熇，顧 征，韓承志

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

引 言

近地小行星的軌道分布、物理化學(xué)特性反映了太陽(yáng)系早期物質(zhì)狀態(tài)、行星形成過(guò)程的極早期階段，同時(shí)還以撞擊方式參與地球地質(zhì)形貌及宜居條件的塑造，因此是天文學(xué)及行星科學(xué)的重點(diǎn)、熱點(diǎn)、前沿研究對(duì)象，也是深空探測(cè)廣受關(guān)注的目標(biāo)，同時(shí)一些高危的近地小行星也對(duì)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(guò)3萬(wàn)顆，約占10 m（等效直徑，下同）以上近地小行星總量的1%。據(jù)國(guó)際分析評(píng)估，在已完成軌道編目的近地小行星中，100年內(nèi)威脅最大的是約370 m的阿波菲斯（Apophis）小行星，預(yù)計(jì)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(yù)計(jì)2027年前后接近地球。實(shí)際上尚未進(jìn)入軌道編目的近地小行星數(shù)量更為龐大，其潛在撞擊風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)前評(píng)估。

近地小行星撞擊風(fēng)險(xiǎn)是人類需面對(duì)的共同威脅，本文在對(duì)小行星防御研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對(duì)小行星撞擊防御進(jìn)行了詳細(xì)的任務(wù)分析，提出了“伴飛觀測(cè)+撞擊+伴飛評(píng)估”的小行星撞擊防御任務(wù)方案，與已實(shí)施的地外天體撞擊任務(wù)方案（如美國(guó)的深度撞擊、雙小行星重定向測(cè)試任務(wù)）相比，該方案可以通過(guò)一次任務(wù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)能撞擊和天基評(píng)估，具有較好的創(chuàng)新性和工程實(shí)施性。

1 研究現(xiàn)狀

目前國(guó)際上主要以開(kāi)展在軌處置技術(shù)演示驗(yàn)證為主，重點(diǎn)發(fā)展2類技術(shù)：以動(dòng)能撞擊為主的瞬時(shí)作用手段，已經(jīng)開(kāi)展了在軌演示驗(yàn)證任務(wù)；引力牽引、激光燒蝕驅(qū)動(dòng)、附著推離、太陽(yáng)光壓、質(zhì)量驅(qū)動(dòng)、離子束推離等長(zhǎng)期作用手段[1-3]，提出了相應(yīng)的防御任務(wù)概念，形成了相對(duì)完善的技術(shù)研究體系，在軌處置技術(shù)手段匯總見(jiàn)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(shù)手段中，動(dòng)能撞擊技術(shù)成熟度高，是在軌處置首選技術(shù)手段。

美國(guó)國(guó)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(shè)想基礎(chǔ)上，提出了采用超高音速撞擊方式開(kāi)展科學(xué)探測(cè)，以探究彗星內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成分幫助人們了解太陽(yáng)系早期狀態(tài)[9-11]，并于2005年實(shí)施了“深度撞擊”（Deep Impact）任務(wù)，以科學(xué)探測(cè)為目的，重點(diǎn)驗(yàn)證了深空（距離地球約1.3億km）高速動(dòng)能導(dǎo)航制導(dǎo)與控制等技術(shù)。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(hào)”（9P/Tempel 1）彗星的彗核[12-14]期間飛越器對(duì)撞擊效果進(jìn)行了掠飛觀測(cè)。撞擊后的一段時(shí)間，撞擊坑被塵埃遮蔽，NASA科學(xué)家看不到撞擊后形成的撞擊坑，如圖1所示。2011年“星塵號(hào)”（Dusty）探測(cè)器再次飛越“坦普爾1號(hào)”彗星[15]，并沒(méi)有按預(yù)期發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的大撞擊坑，推測(cè)可能是撞擊坑隨時(shí)間發(fā)生潰散，如圖2所示。

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

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

“雙小行星重定向測(cè)試”（Double Asteroid Redirection Test，DART）是國(guó)際上首次以行星防御為目標(biāo)的試驗(yàn)任務(wù)，通過(guò)動(dòng)能撞擊改變小行星運(yùn)行軌道，并評(píng)估動(dòng)能撞擊的防御效果，初步建立撞擊防御能力，任務(wù)概念如圖3所示。

D A R T 任務(wù)選擇的最終目標(biāo)為“迪蒂莫斯”（Didymos）雙小行星系統(tǒng)，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(huán)繞迪蒂莫斯-A運(yùn)行。

北京時(shí)間2022年9月27日7點(diǎn)14分，DART任務(wù)探測(cè)器準(zhǔn)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(guò)程影像見(jiàn)圖4，由于距離較遠(yuǎn)且飛行速度快，成像的數(shù)量、圖像分辨率、清晰度等均有限，難以據(jù)此開(kāi)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(yuǎn)鏡、“露西”（Lucy）小行星探測(cè)器和全球多臺(tái)地面望遠(yuǎn)鏡對(duì)撞擊過(guò)程的監(jiān)測(cè)顯示，撞擊產(chǎn)生了大量濺射物，雙星系統(tǒng)的亮度瞬間增加到2.29 ± 0.14星[18]等，表明撞擊試驗(yàn)取得成功見(jiàn)圖5。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)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(dòng)量增益因子β在2.2～4.9之間[21]。

圖4 立方星飛掠過(guò)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(cè)圖像Fig.5 Ground observation images[18-19]

在開(kāi)展在軌動(dòng)能撞擊演示驗(yàn)證的同時(shí)，歐美等國(guó)也提出了若干基于動(dòng)能撞擊的概念任務(wù)：歐洲依托“地平線2020”（Horizon 2020）項(xiàng)目，提出了近地天體護(hù)盾任務(wù)概念，該任務(wù)計(jì)劃對(duì)小行星實(shí)施撞擊，通過(guò)測(cè)量小行星受撞擊前后軌道的變化來(lái)評(píng)估撞擊效能[23]；美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)小行星偏轉(zhuǎn)研究中心提出了編隊(duì)動(dòng)能撞擊和核爆+動(dòng)能撞擊的攔截器設(shè)計(jì)概念任務(wù)[24]；美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了多級(jí)動(dòng)能撞擊概念任務(wù)，但是以上任務(wù)都僅停留在概念設(shè)想，未見(jiàn)后續(xù)工程化進(jìn)展。

1）采用動(dòng)能撞擊成熟度較高，且能夠快速響應(yīng)，是應(yīng)對(duì)短期預(yù)警目標(biāo)實(shí)施干預(yù)的有效途徑；

2）國(guó)際上僅美國(guó)實(shí)現(xiàn)撞擊技術(shù)的在軌驗(yàn)證，均采用“撞擊+掠飛觀測(cè)”的任務(wù)形式，其有效觀測(cè)時(shí)間短、條件受限，難以獲得全面、高精度的在軌探測(cè)數(shù)據(jù)；

3）國(guó)際上尚未實(shí)現(xiàn)在撞擊前后對(duì)目標(biāo)天體的精確探測(cè)，也未實(shí)現(xiàn)撞擊時(shí)對(duì)撞擊過(guò)程的近距離凝視觀測(cè)，因此無(wú)法對(duì)撞擊前后地形地貌變化、撞擊時(shí)濺射幕的形狀、濺射物的大小、分布、速度等進(jìn)行精確分析，撞擊效果的系統(tǒng)性、精確性評(píng)估是國(guó)際公認(rèn)的技術(shù)難題。

因此，國(guó)際上對(duì)于小行星防御技術(shù)研究雖取得一定進(jìn)展，但整體上還缺乏深入研究和分析。動(dòng)能撞擊雖然是當(dāng)前主要的手段，但對(duì)于小行星軌道的改變是非常微小的，還不足以應(yīng)對(duì)未來(lái)所有可能的小行星撞擊風(fēng)險(xiǎn)。所以，當(dāng)前階段任務(wù)的主要目標(biāo)是驗(yàn)證相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，比如高精度撞擊的制導(dǎo)導(dǎo)航控制、面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)小行星的撞擊動(dòng)量傳遞機(jī)理、撞擊效果的評(píng)價(jià)方法和精度等，為未來(lái)開(kāi)展實(shí)質(zhì)性的防御奠定基礎(chǔ)。因此，系統(tǒng)開(kāi)展撞擊處置技術(shù)驗(yàn)證、精確撞擊效能評(píng)估是應(yīng)對(duì)小行星潛在威脅的迫切需求。

2 任務(wù)分析

2.1 撞擊任務(wù)分析

撞擊體撞擊小行星目標(biāo)將產(chǎn)生復(fù)雜的侵徹、開(kāi)坑和反濺，伴隨著局部相變（熔化和氣化），同時(shí)也存在著動(dòng)量交換過(guò)程，而這種動(dòng)量傳遞過(guò)程正是小行星防御的基礎(chǔ)。近些年來(lái)隨著小行星防御工程的展開(kāi)，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)探測(cè)器撞擊小行星的過(guò)程中，能量傳遞并非像以前理解的“動(dòng)量守恒”那么簡(jiǎn)單，而是在動(dòng)量傳遞時(shí)存在一個(gè)重要的物理現(xiàn)象——?jiǎng)恿吭鲆嫘?yīng)（Momentum Multiplication），即撞擊體傳遞給目標(biāo)的動(dòng)量大于撞擊體原始動(dòng)量，可顯著改變目標(biāo)軌道，這對(duì)小行星防御任務(wù)設(shè)計(jì)極其重要，如圖6所示。近些年來(lái)，國(guó)外多個(gè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展了小行星撞擊偏轉(zhuǎn)評(píng)估（Asteroid Impact and Deflection Assessment，AIDA），主要工作集中在對(duì)動(dòng)量增益效應(yīng)的研究[25-29]。

圖6 動(dòng)量增益效應(yīng)示意圖Fig.6 Momentum gain effect

反濺效應(yīng)是影響撞擊體撞擊小行星產(chǎn)生動(dòng)量增益的原因，即動(dòng)量增益效應(yīng)取決于反濺物的質(zhì)量和速度，其計(jì)算公式為

其中：β為動(dòng)量增益因子；Pp為撞擊器動(dòng)量；Pe為反濺動(dòng)量；ΔPt為小行星動(dòng)量增量。對(duì)于理想塑性碰撞，由于不產(chǎn)生反濺物，β等于1。

因此，撞擊過(guò)程的設(shè)計(jì)目標(biāo)：①最大程度的動(dòng)量傳遞；②動(dòng)量增益因子最大。在探測(cè)器和小行星組成的系統(tǒng)中，動(dòng)量傳遞過(guò)程遵循動(dòng)量守恒定律。動(dòng)量增益因子β一方面由小行星目標(biāo)特性決定，如小行星的材料成分、孔隙度、斷裂強(qiáng)度等；另一方面也由撞擊體特性決定，如撞擊體的質(zhì)量、速度、形狀等。

對(duì)于近地小行星防御任務(wù)來(lái)說(shuō)，目標(biāo)的材料、強(qiáng)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(guò)一定的裕度設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)。撞擊效果優(yōu)化的重點(diǎn)在于撞擊體自身及其運(yùn)動(dòng)特性的設(shè)計(jì)，包括撞擊方向、撞擊體形狀等，兼顧航天器設(shè)計(jì)的固有約束，優(yōu)化撞擊效能。

1）撞擊方向分析

根據(jù)高斯攝動(dòng)方程：半長(zhǎng)軸的變化僅與切向推力有關(guān)。

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(gè)方向給小行星施加速度增量5 cm/s后小行星相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)軌跡隨時(shí)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(shí)候，其偏轉(zhuǎn)距離最遠(yuǎn)，與高斯攝動(dòng)方程指出的切向方向最優(yōu)理論結(jié)果是一致的，因此，從小行星正后方（正前方）撞擊是最優(yōu)的選擇。

圖7 不同撞擊方向小行星偏轉(zhuǎn)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(duì)平板型、球型、錐型3種撞擊構(gòu)型進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。仿真過(guò)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(guò)程的材料相變效應(yīng)、作用時(shí)間與真實(shí)撞擊一致，速度效應(yīng)規(guī)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(nèi)。

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(nèi)，平板型的略高?？紤]仿真的不確定性，可近似認(rèn)為撞擊體形狀對(duì)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(duì)截面積較為接近的球形、柱形、厚柱筒、薄柱筒、柱筒+實(shí)心球、柱筒+空心球6種形狀的撞擊器，撞擊不同內(nèi)聚強(qiáng)度多孔玄武巖材料小行星的結(jié)果進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，對(duì)于內(nèi)聚強(qiáng)度較弱（1 kPa以下）的目標(biāo)小行星，球型撞擊器動(dòng)量增益因子比其它形狀大2%。對(duì)于內(nèi)聚強(qiáng)度較大（0.1 MPa以上，內(nèi)聚強(qiáng)度越大越接近于獨(dú)石）的目標(biāo)小行星，柱形、柱筒+實(shí)心球撞擊器的動(dòng)量增強(qiáng)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(duì)動(dòng)量增益因子的影響在10%以內(nèi)，且隨著小行星內(nèi)聚強(qiáng)度的下降，影響程度有所減弱?？紤]仿真的不確定性，可近似認(rèn)為撞擊體形狀對(duì)動(dòng)量增益因子β的影響可忽略。

3）撞擊控制任務(wù)分析

撞擊控制任務(wù)的主要需求及難點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。

（1）小行星的形狀、自轉(zhuǎn)和反照率等參數(shù)不確定大、幾乎未知，亮度極低（暗弱、星等高），這些給實(shí)現(xiàn)小尺寸暗弱目標(biāo)小行星的超遠(yuǎn)、遠(yuǎn)和近距離高精度在軌自主觀測(cè)和導(dǎo)航信息提取提出了很大挑戰(zhàn)。

（2）小行星的地面測(cè)軌精度低(星歷誤差200～1 000 km)、地面測(cè)控?zé)o法提供撞擊器相對(duì)目標(biāo)的高精度導(dǎo)航；撞擊器相對(duì)目標(biāo)小行星的飛行速度快（5～10 km/s）、軌道修正次數(shù)多，超遠(yuǎn)和遠(yuǎn)距離相對(duì)目標(biāo)天體的在軌測(cè)量手段有限（目前只有光學(xué)成像），這些給實(shí)現(xiàn)高速飛行環(huán)境下的高精度相對(duì)目標(biāo)自主導(dǎo)航提出了很大挑戰(zhàn)。

（3）小行星高速撞擊精度要求高，逼近段和撞擊段姿態(tài)、軌道控制耦合嚴(yán)重，需要制導(dǎo)與控制一體化來(lái)實(shí)現(xiàn)速度方向的快速跟蹤、快速穩(wěn)定控制；受推力器大小、飛行時(shí)間約束，末期修正量限制嚴(yán)格，需要實(shí)現(xiàn)多約束下的自主軌跡規(guī)劃，這些給實(shí)現(xiàn)高速飛行環(huán)境下的高精度自主規(guī)劃、制導(dǎo)與控制提出了很大挑戰(zhàn)。

根據(jù)撞擊控制任務(wù)的特點(diǎn)，確定撞擊過(guò)程的初步導(dǎo)航方式見(jiàn)表2。

表2 小行星撞擊任務(wù)導(dǎo)航方式Table 2 Navigation methods of asteroid impact missions

2.2 評(píng)估任務(wù)分析

撞擊效能評(píng)估是指對(duì)通過(guò)動(dòng)能撞擊導(dǎo)致小行星物理特性的改變進(jìn)行評(píng)估，主要包括軌道變化評(píng)估、地形地貌變化評(píng)估、濺射物評(píng)估3個(gè)方面。

1）軌道變化評(píng)估

觀測(cè)器在撞擊前后會(huì)在與小行星相對(duì)固定的距離停泊，觀測(cè)器測(cè)定軌數(shù)據(jù)及其與小行星的相對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)，都可作為評(píng)估軌道變化量的輔助信息。

利用觀測(cè)器在小行星日心軌道坐標(biāo)系下測(cè)定軌數(shù)據(jù)，修正小行星的軌道預(yù)報(bào)模型，從而對(duì)小行星未發(fā)生撞擊的狀態(tài)下半年后原本該處于的位置進(jìn)行精確預(yù)報(bào)，通過(guò)與小行星被撞擊半年后實(shí)際所處位置比較，評(píng)估軌道的變化。

而若要求撞擊后能夠?qū)π⌒行堑能壍雷兓M(jìn)行精確評(píng)估，則撞擊前小行星軌道預(yù)報(bào)的誤差需遠(yuǎn)小于小行星軌道的實(shí)際變化，一般差別在3倍以上，因此要求提前半年軌道預(yù)報(bào)誤差優(yōu)于百千米量級(jí)。

2）地形地貌變化評(píng)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(wú)特征，這就對(duì)三維建模算法的特征識(shí)別能力提出了很高的要求。地形地貌變化的評(píng)估需求主要包括以下2方面。

撞擊坑評(píng)估：包括撞擊前的天然撞擊坑的直徑和分布評(píng)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(cè)量。前者通過(guò)對(duì)天然撞擊坑密度分布來(lái)推斷小行星表面的年齡，后者對(duì)撞擊坑的地形剖面進(jìn)行分析，評(píng)估的對(duì)象直徑可能在數(shù)米至十?dāng)?shù)米量級(jí)，深度在數(shù)米量級(jí)；

石塊尺寸分布評(píng)估：“隼鳥2號(hào)”對(duì)撞擊坑內(nèi)的石塊尺寸和坑外石塊的尺寸大小進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)坑內(nèi)石塊大小降至坑外平均大小的1/3，對(duì)比撞擊坑內(nèi)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(píng)估的石塊尺寸一般為厘米級(jí)。

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

3）濺射物評(píng)估

濺射物分布是表征撞擊效能和動(dòng)能作用機(jī)理的重要依據(jù)，在高速撞擊階段，小行星的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形及局部的斷裂破碎形成濺射物，通過(guò)濺射物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)小行星孔隙率、密度、分子間作用力的評(píng)估，進(jìn)一步明確小行星受高速撞擊后的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)機(jī)理，這就對(duì)濺射物發(fā)散角、切向速度和徑向速度提出了較高的測(cè)量要求。探測(cè)器需配置高分辨率相機(jī)以優(yōu)于0.1 m的分辨率對(duì)撞擊過(guò)程產(chǎn)生的濺射物進(jìn)行清晰成像。

2.3 載荷需求分析

小行星撞擊防御任務(wù)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于對(duì)小行星精準(zhǔn)撞擊和撞擊效果精確評(píng)估。而靶體對(duì)撞擊效能的影響因素主要包括小行星基本參數(shù)、材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)、形貌等4類，如表3所示。因此，需圍繞靶體參數(shù)的精確測(cè)量，配置科學(xué)載荷，獲得目標(biāo)小行星的大小、質(zhì)量、孔隙度、結(jié)構(gòu)、形貌等詳細(xì)參數(shù)描述，從而為撞擊效能的評(píng)估提供支撐。

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

針對(duì)表3中靶體參數(shù)測(cè)量需求，初步對(duì)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(wù)方案設(shè)計(jì)

與已有的地外天體撞擊任務(wù)“撞擊+掠飛觀測(cè)”的任務(wù)形式不同，為解決當(dāng)前小行星撞擊防御任務(wù)方案中對(duì)撞擊效果系統(tǒng)性、精確性評(píng)估不足的問(wèn)題，特別是缺乏系統(tǒng)有效天基評(píng)估手段的問(wèn)題，本文提出“伴飛觀測(cè)+撞擊+伴飛評(píng)估”的任務(wù)方案，在實(shí)現(xiàn)高精度撞擊的同時(shí)，全面準(zhǔn)確地評(píng)估撞擊效能。任務(wù)的整個(gè)過(guò)程包括撞前小行星伴飛觀測(cè)、小行星撞擊和撞后小行星伴飛評(píng)估3個(gè)階段。3個(gè)階段的任務(wù)分別由觀測(cè)器和撞擊器2個(gè)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)，觀測(cè)器需要早于撞擊器數(shù)月到達(dá)小行星。

任務(wù)的飛行過(guò)程如下：觀測(cè)器和撞擊器通過(guò)一箭雙星的形式發(fā)射，兩器入軌分離，以不同的軌道飛向撞擊目標(biāo)。

觀測(cè)器從地球到小行星采用直接轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)深空機(jī)動(dòng)和中途修正到達(dá)小行星后實(shí)施交會(huì)并開(kāi)展數(shù)月科學(xué)探測(cè)，包括伴飛定軌、小行星地表三維觀測(cè)建模、物質(zhì)成分探測(cè)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)測(cè)量。撞擊器與觀測(cè)器一起發(fā)射，采用不同的直接轉(zhuǎn)移軌道，途中進(jìn)行深空機(jī)動(dòng)和數(shù)次中途修正，撞擊器自主捕獲到小行星后，采用自主導(dǎo)航控制策略實(shí)現(xiàn)與小行星的撞擊。觀測(cè)器觀測(cè)和記錄撞擊過(guò)程，對(duì)撞擊濺射物形成過(guò)程進(jìn)行探測(cè)，隨后開(kāi)展伴飛定軌、小行星地表三維觀測(cè)等工作，并與撞擊前數(shù)據(jù)對(duì)比，聯(lián)合地面觀測(cè)分析軌道變化、撞擊坑演化等完成撞擊效能評(píng)估，如圖11所示。

圖11 小行星撞擊防御任務(wù)“伴飛觀測(cè)+撞擊+伴飛評(píng)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(wù)設(shè)計(jì)

撞擊器通過(guò)逐段逼近的方式完成高速撞擊過(guò)程，在距目標(biāo)小行星40～50萬(wàn)km時(shí)，撞擊器通過(guò)光學(xué)敏感器完成目標(biāo)小行星捕獲，此后采用自主導(dǎo)航的方式逐漸接近小行星，通過(guò)自主控制在每一個(gè)飛行階段逐步收斂撞擊點(diǎn)偏差。在最后的撞擊段飛行過(guò)程中，撞擊器通過(guò)高精度的自主導(dǎo)航和快速機(jī)動(dòng)，經(jīng)過(guò)3～5次修正，實(shí)現(xiàn)小行星的精準(zhǔn)撞擊。

小行星撞擊精度主要由導(dǎo)航誤差和軌道控制誤差決定。導(dǎo)航誤差主要取決于敏感器測(cè)量和數(shù)據(jù)處理精度，軌控誤差主要受推力器執(zhí)行誤差、加速度計(jì)測(cè)量、姿控和制導(dǎo)解算誤差影響?；谥袊?guó)小行星探測(cè)及采樣任務(wù)“天問(wèn)二號(hào)”針對(duì)窄視場(chǎng)導(dǎo)航敏感器、圖像處理、自主導(dǎo)航與控制算法技術(shù)的攻關(guān)，進(jìn)一步提升硬件水平、優(yōu)化控制算法及策略，探測(cè)器在大約（40～50）萬(wàn)km捕獲目標(biāo)小行星并接近飛行過(guò)程中，采用逐段收斂的方法進(jìn)行誤差修正如圖12，最終實(shí)現(xiàn)撞擊精度滿足任務(wù)需求。

3.2 在軌評(píng)估任務(wù)設(shè)計(jì)

觀測(cè)器對(duì)撞擊效能的在軌評(píng)估觀測(cè)主要包括3方面內(nèi)容：軌道變化、地形地貌變化及濺射物觀測(cè)評(píng)估。軌道變化評(píng)估：撞擊前觀測(cè)器懸停在小行星附近開(kāi)展伴飛測(cè)量，地面對(duì)觀測(cè)器進(jìn)行多次長(zhǎng)時(shí)間測(cè)定軌，并通過(guò)測(cè)量觀測(cè)器與小行星的相對(duì)位置關(guān)系，反演高精度的小行星軌道數(shù)據(jù)，同時(shí)據(jù)此對(duì)小行星進(jìn)行高精度軌道預(yù)報(bào)。撞擊后，再次通過(guò)伴飛對(duì)小行星測(cè)軌，并和撞擊前的軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)比對(duì)，實(shí)現(xiàn)小行星撞擊前后軌道變化評(píng)估，如圖13所示。

圖13 小行星伴飛測(cè)量評(píng)估示意圖Fig.13 Schematic diagram of measurement and evaluation of spacecraft accompanying asteroid flight

地形地貌變化評(píng)估：觀測(cè)器開(kāi)展懸停探測(cè)實(shí)現(xiàn)小行星地形地貌三維建模，如圖14所示。首先通過(guò)多點(diǎn)探測(cè)獲取俯視、前視、右視的圖像，建立初始的形狀；然后依據(jù)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(xué)影像映射（配準(zhǔn)）到每塊面片，利用最小二乘方法拼接和全局優(yōu)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(dǎo)航敏感器掃描的全球高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最終獲得高精度DEM模型。三維建模過(guò)程在撞擊前后各進(jìn)行一次，通過(guò)2次DEM模型的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)小行星地形地貌變化評(píng)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(cè)評(píng)估：撞擊過(guò)程的濺射物觀測(cè)由觀測(cè)器攜帶的高分辨率相機(jī)完成，觀測(cè)器在與撞擊方向垂直的方位進(jìn)行觀測(cè)是最優(yōu)選擇，考慮光照條件以保證觀測(cè)效果，觀測(cè)位置的選擇需滿足太陽(yáng)–目標(biāo)小行星–觀測(cè)器夾角50°～70°。考慮觀測(cè)器在軌安全工作，觀測(cè)位置距離小行星保持?jǐn)?shù)10 km安全距離，撞擊過(guò)程濺射物觀測(cè)如圖15所示。

圖15 撞擊過(guò)程濺射物觀測(cè)Fig.15 Observation of sputtering during impact process

4 結(jié) 論

近地小行星對(duì)地球安全的潛在威脅一直存在，進(jìn)行小行星防御，是人類保護(hù)地球家園的必然需求。本文在對(duì)小行星防御的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前成熟度較高、具有工程實(shí)施性的動(dòng)能撞擊防御手段進(jìn)行了詳細(xì)的任務(wù)分析，并據(jù)此提出了“伴飛觀測(cè) +撞擊+伴飛評(píng)估”的小行星撞擊防御方案，通過(guò)觀測(cè)器提前抵達(dá)并對(duì)小行星的伴飛探測(cè)，獲得小行星受撞前的軌道、地形、自轉(zhuǎn)等精確信息，通過(guò)撞擊過(guò)程中觀測(cè)器的全程觀測(cè)獲得濺射物的詳細(xì)分布，通過(guò)撞擊后觀測(cè)器的伴飛評(píng)估，獲得小行星受撞后的軌道、地形、自轉(zhuǎn)等詳細(xì)信息，并通過(guò)撞擊前后的比較，從軌道變化、地形變化、濺射物分布3個(gè)方面全面的、精確地評(píng)估撞擊效能。與已有的“撞擊+掠飛觀測(cè)”方案相比，通過(guò)一次任務(wù)即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)能撞擊和天基觀測(cè)，且效能評(píng)估更全面、評(píng)估數(shù)據(jù)更精確，可以為未來(lái)中國(guó)首次小行星防御任務(wù)的實(shí)施提供重要參考。