利用中间小行星进行小行星偏转的序列多动力学撞击策略

《Advances in Space Research》：Sequential Multiple Kinetic Impact Strategy for Asteroid Deflection Using an Intermediate Asteroid

小行星防御中提出顺序多动能撞击（SMKI）策略，通过多次撞击中等质量小行星（IA）改变其轨道使其撞击目标小行星（TA），结合虚拟数据库和神经网络实现快速规划，模拟显示可增加TA与地球距离0.0316 AU并推迟事件436天。

　　

桥鹏浩|钱颖晶|陈文雪

北京工业大学，中国北京

摘要

本文提出了一种基于连续多次动能撞击（SMKI）的小行星防御策略，该策略通过低能量转移策略有效提高了目标小行星（TA）的轨道偏转效率。该策略包括使用多个撞击器依次撞击一个质量较小的中间小行星（IA），改变其轨迹以与大型TA发生碰撞，从而最终提高偏转效率。在单次撞击参数的基础上，本文提出了：（1）优化的连续多次撞击IA偏转轨道设计方法；（2）利用重力辅助的低能量撞击器转移轨道；（3）一种数据驱动的小行星防御任务快速规划框架。模拟结果表明，所提出的策略可以在TA下次近距离飞掠时将其与地球的相对距离增加0.0316天文单位，并将事件推迟436天，验证了其有效性和优势。

引言

小行星防御已成为国际航空航天界最关心的问题之一。主要航天机构已经启动了多项研究计划。其中最著名的项目是“深度撞击”任务，以及最近的“双小行星重定向测试”（DART）任务（Cheng等人，2018年；Rivkin和Cheng，2023年）。2022年9月26日，DART航天器成功撞击了Dimorphos小行星，使其轨道周期改变了33分钟。随后，欧洲航天局的Hera任务对DART的目标进行了全面的撞击后调查（Michel等人，2022年）。同时，中国国家航天局宣布计划建立近地小行星防御系统，以减轻潜在的撞击威胁。

已经提出了多种小行星防御技术。例如激光烧蚀和重力牵引等方法在改变小行星轨道方面的效率相对较低；而小行星拖船概念需要在小行星表面安装导航和推进系统，这带来了重大的工程挑战（Bombardelli等人，2013年；Lu和Love，2005年；Russell等人，2003年；Vasile和Thiry，2016年；Venditti等人，2020年）。相比之下，动能撞击被认为是技术最成熟且风险可控的行星防御方案（Ivashkin和Smimov，1995年）。然而，优化动能撞击方法的效率仍然是一个需要系统研究的重大挑战。

目前关于动能撞击技术的研究主要集中在两种方法上：（1）直接撞击方法，即航天器直接撞击目标小行星（TA）以改变其轨道（Greenstreet等人，2020年；Wang等人，2024年）；（2）间接撞击方法，即使用航天器将IA引向TA进行碰撞（Eismont等人，2013年）。直接方法具有成熟的任务设计（Wen等人，2025年；Zeng等人，2014a年；Zeng等人，2014b年）、较短的任务周期和较低的工程复杂性（Mereta和Izzo，2018年；Thomas J. Ahrens和Alan W. Harris，1994年）。然而，在工程限制条件下（Barbee等人，2018年；Park和Ross，1999年），撞击器的动量传递能力从根本上受到其质量和速度的限制（Sánchez-Lozano等人，2020年）。尽管通过组合撞击器配置或多次连续撞击（例如，将上面级火箭与撞击器结合使用）可以提高动量传递效率（Wang等人，2023年；2021年），但即使改进后的撞击器质量与大型小行星相比仍然微不足道（Carusi等人，2002年）。因此，通过直接撞击对TA产生的轨道偏转效果仍然非常有限，特别是对于重大威胁而言。

为此，研究方向转向了间接方法，该方法利用天然天体作为动能放大器。这种方法通常涉及航天器附着在一个较小的小行星上，并通过持续推进改变其轨道，最终引导其朝向目标（Dunham等人，2013年；Marcus等人，2017年；Zhang等人，2025年）。此类策略可以传递更大的动量。此外，创新还包括“用岩石撞击岩石”的方法，即航天器从多个近地小行星收集物质来形成更大的撞击器，从而放大轨道偏转幅度（Akiyama等人，2016年；Li等人，2020年）。这些研究明确证明了间接方法在动量传递方面的优越性。然而，旋转的小行星在表面附着过程中引入了额外的姿态-轨道集成控制复杂性（Petit，1995年），影响了任务的可靠性并带来了严重的工程障碍。

因此，虽然直接撞击方法操作简单，但间接方法提供了更高的动量传递能力。为了结合这两种优势，本文提出了一种新颖的连续多次动能撞击（SMKI）防御框架。该策略针对Apophis在接近地球后的轨道，使用多个撞击器依次撞击一个中间小行星（IA），精确地将其引导至与TA的碰撞轨道上。这结合了直接动能撞击的实施简单性和间接偏转的高动量传递效率，从而显著提高了可实现的偏转性能。一个观测航天器伴随IA，在偏转过程中提供实时的轨道和质量数据。此外，通过使用深度神经网络（DNN）和加权K-最近邻（WKNN）构建的虚拟小行星数据库，可以快速规划低能量重力辅助转移轨道，从而在不同威胁情景下实现更快的任务响应。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍了SMKI小行星防御策略和IA的选择机制。第3节描述了通过多次撞击偏转IA的轨道设计方法，包括基于单次撞击的最优可行区域估计，以及使用估计的可行区域进行多撞击偏转轨道的全局优化方法。第4节提出了撞击器和观测器的转移轨道设计模型，并提出了一种数据驱动的轨道规划方法。第5节提供了仿真结果，第6节提供了总结本研究主要成就的结论性评论。

章节摘录

任务要求

本节介绍了SMKI小行星防御策略。它解释了如何偏转IA的轨道以撞击TA，并概述了IA选择的选择机制。

IA的轨道设计

本节介绍了SMKI小行星防御策略的轨道设计方法，重点讨论了多次撞击场景的初始解搜索和全局任务规划。该任务框架解决了两个主要挑战：（1）通过单次撞击方法确定IA的初始偏转轨道；（2）基于初始解优化多次撞击的轨道设计。

撞击器和观测器的轨道设计

本节通过结合Lambert方法和重力辅助机动，在固定转移时间约束下，讨论了撞击器和观测器的轨道设计方法，以构建燃料最优轨道。该方法基于两个关键假设：

（1）排除了地球希尔球体内的转移；

（2）未考虑IA附近的终端引导。

系统地生成了一个虚拟小行星数据库，以识别最优撞击轨道，形成了撞击器的综合数据集

仿真与分析

本节展示了IA的筛选结果，并证明了第3.3节中建立的DNN在预测，以及重力辅助行星的效果。最后，为了确保计算结果的实际工程意义，本小节使用Apophis作为TA，提供了任务每个阶段的轨道设计结果，从而验证了本研究中提出的小行星防御策略的有效性。

结论与展望

本文提出了一种新颖的多次撞击SMKI小行星防御策略，该策略通过对IA进行重复撞击来改变其轨道，最终使其与TA发生碰撞。通过结合直接动能撞击的技术简单性和间接方法的高动量传递效率，该策略克服了传统单次撞击方法固有的偏转能力限制。以Apophis作为TA，该研究建立了一种IA选择机制

未引用的参考文献

Ahrens和Harris，1994年；Wang等人，2021年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到了中国国家自然科学基金（项目编号12322202、12172013）的支持。