我国应对近地小行星撞击风险和动能撞击偏转研究的若干进展

近地小行星(NEA)撞击地球是人类长期面临的重大潜在威胁,基于监测预警和风险评估,实施在轨处置是防范化解NEA撞击风险的最佳途径。本文概述了国际近地小行星撞击风险应对的现状与发展趋势,介绍了2020年我国启动应对近地小行星撞击风险工作以来的主要进展。着重从实验、数值仿真和理论建模3个方面介绍了我国在动能撞击偏转在轨处置技术研究的若干进展,展望了我国即将实施的首次近地小行星动能撞击防御演示验证任务,提出了在轨处置体系能力与技术深化研究建议。     

近地小天体天基监测系统发展研究

针对140米级及以下尺寸近地小天体(NEO)全天区、全时段监测预警的发展需求,由地基设备完成近地小天体发现和编目的系统已无法满足暗弱目标探测、精细多谱段属性测量、全天区可视覆盖和全时段可用等要求,发展天基监测能力,构建天地协同监测系统成为新趋势。文章在调研已入轨/在研典型近地小天体监测系统及技术基础上,按照谱段、口径、视场等主要指标回顾分析其在小行星监测的效能,并对标分析了近地小天体-宽视场红外望远镜(NEOWISE)、近地小天体巡察器(NEO Surveyor)等两型任务,提出我国近地小天体天基监测系统发展目标,梳理提出可见光/红外多谱段大视场载荷、被动深低温制冷等技术发展方向,可为建设近地小天体防御系统提供发展建议。     

模拟偏心打击对行星防御任务中动能撞击轨道偏转的潜在增益

在小行星动量偏转任务中,溅射效应的存在导致系统动量的“放大”效应。现有研究几乎都集中在航天器撞击小行星几何中心的情境上。通过简要的理论推导表明,当航天器的速度矢量与小行星的速度矢量不平行时,若撞击点位于非几何中心位置,则偏转距离将显著高于几何中心撞击的情况。针对一颗潜在威胁小行星Apophis,开展了动能偏转防御的数值模拟,并对比了最佳双脉冲转移轨道下几何中心与非几何中心撞击产生的偏转效果。结果显示:几何中心撞击的偏转距离平均值为923.59 km,标准差为273.29 km;而非几何中心特定表面撞击的偏转距离平均值为1 328.57 km,标准差为48.61 km,相比几何中心撞击效果偏转距离增加 ,标准差降低约5.6倍,验证了该方法的有效性。针对小行星姿态信息的不足,采用蒙特卡洛方法生成10万个随机姿态样本进行仿真,以处理不确定性因素。结果表明:该方法不仅验证了理论的可行性,同时有效降低了小行星动能撞击防御任务中的不确定性。在保持撞击条件不变的情况下,非几何中心撞击可进一步放大偏转距离,具有重要的研究价值。     

国外近地小行星撞击地球防御技术研究

调研了国外8种小行星撞击地球防御的技术途径,从基本原理、优缺点、适用性、成熟度和应用情况等方面进行了分析。国际上提出的小行星撞击地球防御技术大多处于概念阶段,除了撞击技术已在\"深度撞击\"(Deep Impact)任务中得到验证,其余均没有通过在轨验证;除核爆和撞击属于短期防御技术外,其余均为长期防御技术(几年甚至十几年);采用现有的单一概念和技术完成防御任务的成功率是比较低的,所以通常采用多种技术组合的方式。通过技术途径的分析,对我国开展近地小行星撞击地球防御任务提出了初步建议,主要包括尽早开展关键技术攻关,进行防御技术的在轨演示验证,开展国际合作,建立国际预警与防御体系等。     

空间碎片超高速撞击极限穿透比动能研究

研究建立宅间碎片对目标超高速撞击条件下临界穿透靶标的损伤特性的理论模型。基于临界穿透过程的数值模拟结果，系统分析了初始条件与临界穿透的关系，捉出碎片临界穿透靶板的比动能概念。然后分析了临界穿透下的碎片比动能，认为比动能是速度的函数。最后，考虑碎片的实际撞击过程巾最大着靶面积为变形面积，对比动能进行修正，获得了极限穿透条件下的真实比动能与速度无关的结论。     

一种提升近地小行星防御中拦截效率的方法

利用核爆直接炸毁小行星或改变小行星的轨道以避免其与地球相撞,是近地小行星防御最主要的手段之一。文章基于美国爱荷华州立大学的超高速小行星拦截器(HAIV)概念,提出一种将原撞击引导器改为长杆撞击器的方案,采用自主研发的欧拉型冲击动力学仿真软件NTS模拟长杆撞击器对小行星连续开坑的过程,并在仿真中加入能量源以模拟核爆装置在不同深度爆炸对小行星产生的偏转与破坏效应。研究结果表明,采用长杆撞击器并合理控制撞击速度,能够引导核爆装置进入更深的地下爆炸,从而更加高效地耦合核爆能量,提升偏转小行星或直接摧毁小行星的能力。     

小天体高速撞击器视线制导律设计

针对小天体高速撞击器设计了一种视线制导律。为了解决轨道修正机动时机选取问题 ,本文引入B平面点位误差椭圆描述预测撞击点的置信度,通过控制撞击点落入指定的误差 椭圆概率区域内,将轨道修正机动时刻选取问题,转化为对发动机开关曲线的设计。该制导 律利用当前位置、速度信息构建视线旋转角速度与距离变化率,驱动发动机开关抑制视线的 旋转角速率,使其最终撞击到目标点上。严格的蒙特卡罗仿真表明,该制导律在节省燃料的 同时,可以使撞击精度比预测制导方法提高100米以上,达到250米以内。
     

微米级空间碎片超高速撞击地面试验技术的研究进展

微米级空间碎片对航天器的累积效应将对其性能造成严重的影响,国外已开展了相关的超高速撞击地面试验技术研究.针对微米级空间碎片特点,国外相继发展了激光驱动加速、粉尘静电加速、电炮加速和等离子体加速等四种主要的地面试验技术.主要介绍了四种试验技术的原理和方法以及国内外研究进展,并对上述试验技术的各自特点作了对比,对各自适用范围进行了讨论.     

CAST空间碎片超高速撞击试验研究进展

超高速撞击试验是开展载人航天器及大型应用卫星空间碎片超高速撞击风险评估和防护设计的基础,作为我国航天器环境效应和可靠性工程验证部门的北京卫星环境工程研究所在这个领域做了大量的工作。文章介绍了二级轻气炮超高速撞击地面模拟试验技术、典型防护结构防护性能的超高速撞击试验验证、载人航天器外露材料超高速撞击特性、毫米级弹丸7 km/s以上超高速稳定发射技术探索、高性能防护结构研究等方面的若干近期进展。展望了我国空间碎片防护需求和地面超高速撞击试验研究的发展方向。     

CAST激光驱动微小飞片及其超高速撞击效应研究进展

激光驱动飞片技术(LDFT)在模拟微米级空间碎片对航天器的超高速撞击效应方面具有独特的优势。文章全面介绍了北京卫星环境工程研究所在激光驱动飞片技术与微米级空间碎片超高速撞击效应地面模拟研究中取得的若干进展,包括激光驱动飞片的理论计算、超高速飞片的稳定发射技术、超高速飞片速度瞬态测量技术、航天器外露表面的超高速撞击特性、超高速撞击累积损伤评价方法,以及微米级空间碎片超高速撞击防护技术探索等研究。同时,展望了激光驱动飞片技术以及微米级空间碎片累积撞击实验研究的发展方向。     

Parametric study of the diversion of a near Earth object on an Earth intersecting trajectory

To date, NASA's “Near Earth Object Program” has discovered over 5500 comets and asteroids on trajectories that bring them within “the neighborhood” of Earth's orbit. Nearly 1000 of these objects are classified as “potentially hazardous,” passing within 0.05 astronomical units of Earth's orbit. Discovery rates of such threatening bodies increase each year. Given this multitude of threats, in addition to evidence that the planet has absorbed many impacts over its history, it is reasonable to assume that another object will strike the Earth at some point in the future. Consequently, researchers have studied and proposed several mitigation techniques for such an occurrence. This study seeks to determine how effectively the attachment of a tether and ballast mass would divert the trajectory of such threatening objects. Specifically, the study analyzes the effects over time of such a system on objects of varying orbital semimajor axis and eccentricity, using various tether lengths and ballast masses. It was determined that the technique is most effective for NEOs with high eccentricity and small semimajor axis, and that system performance increases as tether length and ballast mass increase.     

基于PVDF敏感器的空间碎片撞击航天器感知定位技术

从理论和实验两个方面开展了基于PVDF(Polyvinylidene Fluoride)压电薄膜敏感器的空间碎片撞击航天器感知定位技术研究,分析了基于双曲线理论的定位方法,并在理论分析的基础上,利用气枪和超高速弹道靶分别开展了平面铝板、曲面铝板等单层结构和Whipple结构下的验证实验。弹丸速度范围100m/s-3km/s,实验靶材为2mm厚的单层铝板和铝板厚为1mm、前后间距为10cm的Whipple结构,靶材上安装了4个PVDF传感器。研究结果表明：基于PVDF传感器的感知定位技术可实现空间碎片撞击航天器的位置定位,是一种可应用于航天器在轨感知空间碎片撞击系统的可选技术。     

球形弹丸高速撞击航天器防护结构的数值模拟分析

给出了空间碎片超高速撞击航天器双层防护结构模型,采用非线性有限元方法中的光滑粒子流体动力算法,计算了球形弹丸对航天器双层防护墙结构超高速撞击过程,获得了弹丸穿过第一层防护墙后,碎裂形成颗粒云团及其对第二层防护墙的损伤效应。计算结果表明多层防护墙结构能够有效地缓减高速空间碎片对航天器的破坏作用。     

单层及双层板的超高速碰撞试验(速度超过10km/s)的数值模拟

文章介绍了在Sandia国家实验室所进行的3个精确控制的超高速碰撞试验,使用两种复杂的流体码即多维流体动力学代码CTH和平滑粒子流体动力学代码SPH,对该试验进行数值模拟。该试验用质量为克大小的飞片及球形射弹以大约10km/s的速度撞击薄铝板及钢板(厚度小于1cm)。并分析了碎片云动力学计算预示结果及这些试验中金属板的损坏。     

超高速碰撞数值模拟

本文在耦合欧拉－拉格朗日动参考系中，基于流体弹粘塑性理论，用三维等参元对各向同性材料及正交各向异性材料在超高速碰撞下的动力响应进行了数值模拟。     

卫星超高速撞击解体碎片特性的试验研究

为了研究超高速撞击下卫星解体碎片的分布特性,在弹道靶上开展了三次模拟卫星的超高速撞击试验。发射铝合金钝锥弹丸以3.2km/s~4.2km/s的速度撞击模拟卫星,对解体碎片进行回收、测量和统计分析,结果表明：碎片累积数量与碎片特征尺寸/特征质量在对数坐标系中基本呈直线关系,且碎片尺寸分布和质量分布在形式上和规律上具有高度相似性。通过数据拟合得到了碎片尺寸和质量分布的具体函数形式,分析了碎片质量分布与尺寸分布之间的内在关系。将试验结果与NASA标准解体模型进行了比较,讨论了两者的差别及其原因。
     

Evaluation of craters formation in hypervelocity impact of debris particles on solid structures

The aim of this work is to develop simplified model of space debris particle collision on solid structures, which would provide closed form solution formulas for determining crater depth, radius and ejected mass being functions of impactor mass, speed and material of both impactor and target. The model will be verified with results of experiments.     

碎片云撞击密封舱穿孔对其内压力和温度影响研究

为了了解碎片云撞击密封舱穿孔对其内压力和温度的影响程度及规律,以平面激波和热力学理论为基础,建立了碎片云高速撞击密封舱穿孔对其内大气压力和温度影响的模型,通过计算发现模型计算结果与实验吻合得较好。通过模型计算,结果表明：碎片云撞击密封舱舱壁穿孔造成其内大气压力和温度的变化趋势具有相似性;舱壁穿孔瞬间,舱内大气压力和温度只在距穿孔处一定距离发生剧变;碎片云撞击速度越大,引起舱内大气压力和温度的变化也越大。