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工程师设计了一个决策图 以找出最佳的任务类型

更新时间:2020-09-16 03:59点击:

  2029年4月13日,一块比艾菲尔铁塔高的冰冷大块太空岩石将以每秒30公里的速度在地球上掠过,掠过地球静止卫星的范围。在未来十年中,这将是穿越地球轨道的最大小行星之一最接近的方法。

工程师设计了一个决策图 以找出最佳的任务类型

  对小行星(称为99942 Apophis)的观察表明埃及的混乱之神曾经建议说,其2029年的飞越将使其通过引力匙孔-地球重力场中的一个位置,它将拉动小行星的轨迹,以便在其下一次飞越时,在2036年,这可能会产生毁灭性的影响。

  值得庆幸的是,最近的观察结果已经证实,小行星将在2029年和2036年无任何事故地绕地球飞行。然而,大多数科学家认为,如果一个小行星与我们的房屋一起坠毁,那么考虑偏转小行星的策略永远不会太早。行星。

  现在,麻省理工学院的研究人员已经设计出一种框架,用于确定哪种类型的任务最能成功偏转小行星。他们的决策方法考虑到小行星的质量和动量,其与重力锁孔的接近程度以及科学家即将发生碰撞的警告时间-所有这些都具有一定程度的不确定性,研究人员还将这些因素确定为给定小行星最成功的任务。

  研究人员将他们的方法应用于Apophis和另一颗近地小行星Bennu,这是OSIRIS-REx的目标,这是NASA的一项业务任务,计划在2023年将Bennu的地表材料样本返回地球。麻省理工学院的学生建造的这也是该任务的一部分,其任务是表征表面化学元素的丰度。

  在本月刊《 Acta Astronautica》上发表的一篇论文中,研究人员使用他们的决策图来确定在小行星可能朝着小行星前进的各种情况下偏转Apophis和Bennu的任务类型可能最成功。重力锁孔。他们说,该方法可用于设计最佳的任务配置和运动,以偏转可能有害的近地小行星。

  这项研究的主要作者,麻省理工学院前研究生Sung Wook Paek说:“当小行星已经通过了一个锁孔并正在与地球碰撞时,人们通常会考虑最后一分钟的偏转策略。”航空航天。“我有兴趣在地球撞击之前防止钥匙孔通过。这就像是先发制人的罢工,减少了混乱。”

  2007年,美国宇航局在提交给美国国会的报告中得出结论,如果小行星朝向地球,最有效的偏转方法是将核弹发射到太空。它的爆炸力将把小行星炸开,尽管那时星球将不得不应对任何核尘埃。在行星防御界,使用核武器减轻小行星撞击仍然是一个有争议的问题。

  第二个最佳选择是发射“动力冲击器”,即航天器,火箭或其他弹丸,如果以正确的方向对准正确的方向,应与小行星碰撞,转移其部分动量,然后偏离路线。

  但是,要使任何动力撞击器成功,航空航天工程学教授德·威克(De Weck)表示,必须“尽可能精确地知道小行星的性质,例如其质量,动量,轨迹和表面成分” 。”这意味着,在设计偏转任务时,科学家和任务经理需要考虑不确定性。

  德威克说:“执行一次任务的概率是99.9%还是只有90%无关紧要?在转移潜在的行星杀手方面,您敢打赌。”“因此,根据不确定性程度来设计任务时,我们必须变得更加聪明。以前没有人以这种方式研究过这个问题。”

  Paek和他的同事开发了一个模拟代码,以识别在小行星具有不确定属性的情况下最有可能获得成功的小行星偏转任务的类型。

  他们考虑的任务包括一个基本的动力学撞击器,在该撞击器中,将一枚弹丸射入太空,以使小行星偏离航向。其他变化包括派遣侦察员先测量小行星以磨练将在以后发送的弹丸的规格,或派遣两个侦察员,一个侦察小行星,另一个侦察小行星,使小行星偏离较大的弹丸。随后发射升空,使小行星几乎可以肯定地想念地球。

  研究人员将模拟变量输入到模拟中,例如小行星的质量,动量和轨迹,以及每个变量的不确定性范围。最重要的是,它们将小行星与重力锁孔的距离以及科学家在小行星穿过锁孔之前所花费的时间都考虑在内。

  研究人员在Apophis和Bennu上测试了他们的模拟,Apophis和Bennu是仅有的几个小行星中的两个,它们的重力锁孔相对于地球的位置是已知的。他们模拟了每个小行星与它们各自的锁孔之间的各种距离,并针对每个距离计算了一个“安全港”区域,在该区域中,小行星必须偏转,以便既避免撞击地球又避免穿过附近的任何其他锁孔。

  然后,他们评估了三种主要任务类型中哪种最能成功地将小行星偏转到安全港中,具体取决于科学家需要准备的时间。

  例如,如果Apophis将在五年或更长时间内通过钥匙孔,那么在派遣主要撞击者之前,有足够的时间派出两个侦察员-一个用于测量小行星的尺寸,另一个在测试中将其略微偏离轨道进行测试。如果在两到五年内发生钥匙孔通过,则可能有时间派遣侦察员测量小行星并调整较大弹丸的参数,然后再将撞击器送去转移小行星。佩克说,如果阿波菲斯在地球一年或更短的时间内通过其钥匙孔,那可能为时已晚。

  本努(Bennu)是一个类似的案例,尽管科学家对它的材料成分了解得更多,这意味着在发射弹丸之前可能不必派遣侦察员。

  “我们可以改变发射的次数,而不是改变弹丸的大小,而是发射多个较小的航天器,使其与小行星逐一碰撞。或者我们可以从月球发射弹丸,或者使用失效的卫星作为动力。冲击器。” Paek说。“我们创建了一个决策图,可以帮助完成任务原型。”


工程师设计了一个决策图 以找出最佳的任务类型