近地小行星防御策略分析

近年来,各国针对近地小行星的威胁及相应防御策略的研究越来越多。调研了国内外近地天体观测发展现状和多种近地小行星撞击地球的防御策略,通过比较分析防御策略的实现原理、关键技术和存在的问题,对各种策略的适用性、可行性和有效性进行了评估。通过对各种策略的分析和总结,结合我国近地小行星防御策略的研究现状,尝试性提出了采用多种策略组合的方式对有潜在威胁的小行星采取相关有效方案,为航天器的研制和防御策略的实施争取更多的时间。     

近地小行星观测技术分析

数量庞大的近地小行星对地球安全构成了重大潜在威胁,受现阶段小天体观测技术水平限制,仍有大量危险性小行星尚未发现。瞄准我国近地小行星空间观测技术发展需求,通过综合分析国内外近地小行星观测现状及相关技术水平,并结合天/地基小行星观测平台能力对比,从我国近地小天体观测技术基础出发,提出了我国空间红外小行星观测技术方案。采用可见–红外融合探测的技术方案开展小行星搜寻与光谱详察,并通过空间小行星观测平台与地面观测装备网络协同观测,为推动形成我国天体一体化小行星观测体系奠定基础;同时通过对多种小行星撞击地球的防御策略以及小行星利用价值综合分析,为我国开展近地小行星观测、预警、防御等任务提出了初步建议。     

近地小行星采矿与防御计划发展现状

近地小行星交会、绕飞、着陆与采样返回技术经过数10年的发展日趋成熟。美国的OSIRIS-Rex对C类小行星进行特征分析与采样,日本宇宙航空研究开发机构的“隼鸟-2号”任务目的是小行星深层采样。美国国家航空航天局（NASA）和欧洲空间局（ESA）的小行星探测任务开始转向行星防御领域。NASA的ARM（Asteroid Redirect Mission）计划是开展小行星抓捕与轨道重定向,ESA联合NASA提出了小行星撞击与偏转评估计划,拟对双星系统开展撞击实验,为行星防御提供技术积累。此外,行星资源公司和深空工业公司分别规划了小行星商业采矿的蓝图,并已开展相关的在轨技术验证。对近地小行星的探测历程进行了回顾,重点介绍了OSIRIS-Rex、“隼鸟-2号”、NASA和ESA的行星防御计划及小行星采矿公司的商业采矿战略规划,总结了未来开展行星防御与采矿的关键技术。     

如何应对近地小行星撞地的威胁

2012年1月27日,一颗公共汽车大小的小行星与地球擦肩而过,距离地球最近时只有6万千米。这颗名为“2012BX34”的小行星位列20颗最接近地球的小行星之首。尽管它没有对地球造成威胁,但再次向地球人敲响了警钟,要加速研究如何防止近地小行星撞击地球的方法和技术了,     

小行星探测科学目标进展与展望

由于较好地保留了太阳系早期形成和演化历史的遗迹,小行星,尤其是近地小行星,已成为国际深空探测领域的研究热点。介绍了小行星的定义、分类和主要探测方式,指出目前小行星探测已进入空间探测的新时代;总结了国际小行星探测的现状,包括已实施和正在实施的小行星探测任务的科学目标、科学载荷配置,以及获取的主要科学数据等;探讨了未来小行星探测的发展趋势和主要科学问题,并对我国未来自主小行星探测任务科学目标的制定进行了展望。     

我国载人小行星探测任务规划

小行星是太阳系形成时残留下来的初始物质,保存了太阳系形成时大量的珍贵信息,近地小行星还存在撞击地球的威胁,因此,小行星探测越来越引起人们的关注。迄今为止,人类已发射了10个以小天体为主要探测对象的无人深空探测器,其中有7个探访过小行星。2010年4月15日,奥巴马宣布美国最早将于2025年实施近地小行星的载人探测。     

小行星防御动能撞击效果评估

以动能撞击防御潜在威胁小行星概念为背景,采用物质点法(Material Point Method,MPM)模拟了铝弹高速撞击S型小行星的过程,将撞击结果导入引力N体–离散元动力学模型中,对其后续演化过程进行仿真,并分析了撞击后碎片对地球的威胁指数。结果显示小行星在高速撞击的作用下部分破碎,大量碎片以与撞击方向相反的速度向外喷射,从而提升了小行星的撞击偏移效果。研究采用了两种不同结构的小行星模型:完整结构(monolithic structure)的小行星在遭受撞击后会喷射出比原小行星小得多的碎片,而碎石堆结构(rubble-pile structure)的小行星在撞击作用下可分裂成大小和速度分布较为均匀的碎片。威胁指数的分析表明动能撞击方式确实有效减小了小行星的威胁程度,撞击后的最大剩余碎片可被成功偏移至安全轨道,但仍有部分碎片会与地球相撞。与完整结构相比,针对碎石堆结构小行星的撞击防御的总体效果更好,次生灾害主要为大质量碎片的撞击。研究方法可用于未来开展防御小行星的动能撞击任务的撞击条件选择和撞击结果预估。     

潜在威胁小行星碰撞防御的计算与分析

研究了采用碰撞的方式进行小行星防御的动力学问题。采用多面体模型来建立小行星的外形模型,以碎石堆模型来建立小行星的结构模型,计算了小行星受到与其密度和材质相同的球体高速碰撞过程和碰撞后的碎石分布。计算过程在考虑了小行星与碰撞球体的接触形变以及小行星内部组成碎石堆的接触形变条件下,计算了碎石堆内部的相互引力、法向接触力、切向静摩擦力、切向动摩擦力和滚动摩擦力矩。以小行星101955 Bennu(中文名贝努)为对象计算了潜在威胁小行星的碰撞防御过程的动力学行为。结果显示:采用高速碰撞的方法进行小行星防御可以有效地将小行星撞成大量碎小的石块,且该方法具有核爆的方法不可比拟的优势,即对空间环境无污染。     

美国“小行星重定向任务”步伐加快,载人登火星时间表出台

<正>小行星是太阳系最早期的产物,保留了太阳系形成之初的形态,对小行星的探索有助于了解太阳系的起源和演化过程,可用于进一步研究地球的起源。近地小行星在运行过程中受到大天体的摄动作用,运行轨道不断变化,使得小行星或者其碎片存在与地球相撞的潜在威胁,所以探索小行星也可为研究避免这种碰撞奠定基础。不少行星科学家都将小行星视为太空探索的自然跳板,它将展示今后至少20年太空探索灵活的发展方向。从某种意     

近地小行星搜索

近地小行星搜索鉴于天文学家和天文爱好者的研究结果证明小行星有可能对地球构成威胁，美国联邦政府前不久悄悄地开始在这项研究中充当一个重要角色：搜索从外层空间以极快的速度飞来的有可能撞击地球从而造成广泛破坏和人员死亡的小行星。参与这项名为“近地小行星搜索”...     

深空撞击载荷总体技术分析与效能仿真

以近地小行星2016HO3为深空撞击目标开展科学探测,从爆炸成型弹丸技术、安全可靠爆炸技术、撞击载荷分离技术、撞击效能仿真技术等7个方面系统详细地进行了基于聚能爆炸成型弹丸的撞击载荷技术体系解析与技术内涵阐述,给出了深空撞击载荷初步总体设计方案;通过弹丸撞击靶板的数值模拟仿真,得到了撞击速度在0.2～0.4 cm/μs...     

A sample collector for robotic sample return missions I: Temperature effect on collected mass

Sample return is playing an increasingly important role in solar system exploration. Among the possible mission on the horizon, are sample return from asteroids, comets, the Moon and Mars. A collector initially intended for near-Earth asteroids is the touch-and-go-impregnable-pad (TGIP). Here we explore the effect of temperature on its collection capabilities. Temperatures expected on near-Earth asteroid mission targets range from −43 to 36 °C. Experiments were conducted at −75, −50, −25, 23, 65, and 105 °C. It was found that the mass of sample collected by the TGIP increased almost linearly to 23 °C and then leveled off at higher temperatures. We also found that the collector did not lose its ability to collect samples after being subjected to −75 °C temperatures (essentially frozen) and then thawed. These experiments have shown that the TGIP can operate effectively at temperatures expected on near-Earth asteroids, especially if collection is performed on the sunward side of the asteroid.     

从日地系统L2出发借力月球飞越近地小行星

对于停留在日地系统L2的“嫦娥2号”探测器,其后续飞行方案有多个选项,例如主动撞月或重返月球轨道、返回地球轨道或再入大气、飞往地月系统L1/L2或日地系统L1、进入深空飞越近地小行星(最终,“嫦娥2号”于2012年12月13日成功地实现了对Toutatis小行星的近距离飞越)。探讨上述的飞行方案需要对飞行轨道进行初步设计,总的速度脉冲限制在100 m/s以内并且需要考虑探测器同时受到太阳、地球、月球的引力作用。本研究设计了探测器从日地系统L2出发借力月球实现Toutatis小行星飞越的飞行方案,与直接飞越方案相比,借力月球可以进一步节省探测器的燃料消耗,其等效速度脉冲设计值为58.47 m/s。     

载人小行星探测的总体方案设想

载人探测近地小行星的工程规模和技术难度介于载人探月和载人火星探测之间,是人类开展载人火星探测和飞向更遥远深空的跳板,对于航天技术的发展和科学问题的探索有着极其重要的意义。在调研国外载人小行星探测方案设想的基础上,结合我国航天技术现状和发展趋势,提出了一种载人小行星探测的总体方案设想,并梳理了载人小行星探测的关键技术。研究成果可以作为我国载人小行星探测任务论证和设计的有益参考。     

一种利用非均质多面体模型确定小行星附近引力场的方法

从力学的角度出发,如何准确地建立小行星附近的引力场模型是小行星研究中最为基础、最为关键的部分。提出一种基于多面体模型的模拟小行星附近引力场的方法。该方法的准确性一方面取决于多面体模型的精细程度,即模型分辨率,另一方面取决于勒让德级数的截断误差。选取均质小行星模型,求取其引力场并与使用原有多面体方法求得的引力场进行对比,以此验证本方法的可行性。通过对形状参数相同的均质、非均质多面体模型附近的引力场进行对比来说明非均质小行星引力场建模的重要意义。     

A multiple-rendezvous,sample-return mission to two near-Earth asteroids

We propose a dual-rendezvous mission, targeting near-Earth asteroids, including sample-return. The mission, Asteroid Sampling Mission (ASM), consists of two parts: (i) flyby and remote sensing of a Q-type asteroid, and (ii) sampling of a V-type asteroid. The targeted undifferentiated Q-type are found mainly in the near-Earth space, and to this date have not been the target of a space mission. We have chosen, for our sampling target, an asteroid from the basaltic class (V-type), as asteroids in this class exhibit spectral signatures that resemble those of the well-studied Howardite–Eucrite–Diogenite (HED) meteorite suite. With this mission, we expect to answer specific questions about the links between differentiated meteorites and asteroids, as well as gain further insight into the broader issues of early Solar System (SS) evolution and the formation of terrestrial planets. To achieve the mission, we designed a spacecraft with a dry mass of less than 3 tonnes that uses electric propulsion with a solar-electric power supply of 15 kW at 1 Astronomical Unit (AU). The mission includes a series of remote sensing instruments, envisages landing of the whole spacecraft on the sampling target, and employs an innovative sampling mechanism. Launch is foreseen to occur in 2018, as the designed timetable, and the mission would last about 10 years, bringing back a 150 g subsurface sample within a small re-entry capsule. This paper is a work presented at the 2008 Summer School Alpbach,“Sample return from the Moon, asteroids and comets” organized by the Aeronautics and Space Agency of the Austrian Research Promotion Agency. It is co-sponsored by ESA and the national space authorities of its Member and Co-operating States, with the support of the International Space Science Institute and Austrospace.     

小行星附近制导与控制研究综述

由于小行星具有引力场不规则、物理参数不确定性大、表面逃逸速度小等因素,使得小行星附近制导和控制极具挑战性。回顾了小行星探测任务的历史、现状和意义;针对小行星附近制导与控制研究的基础即小行星附近动力学,分析了研究现状;针对悬停、绕飞、转移、着陆等任务形式,详细介绍了轨道制导和控制方法方面的热点问题和研究现状;基于研究现状,列举了部分未来可进一步研究的方向和问题。     

Deep space environments for human exploration.

Mission scenarios outside the Earth's protective magnetic shield are being studied. Included are high usage assets in the near-Earth environment for casual trips, for research, and for commercial/operational platforms, in which career exposures will be multi-mission determined over the astronaut's lifetime. The operational platforms will serve as launching points for deep space exploration missions, characterized by a single long-duration mission during the astronaut's career. The exploration beyond these operational platforms will include missions to planets, asteroids, and planetary satellites. The interplanetary environment is evaluated using convective diffusion theory. Local environments for each celestial body are modeled by using results from the most recent targeted spacecraft, and integrated into the design environments. Design scenarios are then evaluated for these missions. The underlying assumptions in arriving at the model environments and their impact on mission exposures within various shield materials will be discussed.     

Do we understand the inner magnetotail dynamics during substorms?

Substorm evolution of the near-Earth (|X|<15 R_E) plasma sheet has been emphasized recently because the inner tail is thought to link closely to the substorm auroral activity in the ionosphere during the early stage of substorms. In this paper, we discuss how the inner tail substorm phenomena during the late substorm growth phase and early expansion phase are accounted for by the two prevailing substorm models, namely, the near-Earth neutral line model and the current disruption model. We find that the late growth phase features are more satisfactorily accounted for by the current disruption model than by the near-Earth neutral line model. In addition, detailed observations on current disruption show evidence inconsistent with the proposed idea of dipolarization being due to plasma flow braking from reconnection in the mid-tail region, which poses a difficulty to the near-Earth neutral line model as well.