文/张雪松

▲ DART 艺术想像图

▲ DART 宣传海报

▲ DART 任务徽章

DART 的提出和波折

行星防御对大众来说或许还是个新鲜概念，但在航天业界这个概念早已不陌生。为了预防类似6500 万年前小行星撞击地球的灾难，美国早在1998 年就正式启动近地天体探测项目，使用包括陆基和天基望远镜在内的各种观测设施发现和跟踪近地天体。近地天体研究中心的数据显示，截至2021 年11 月29 日已经发现了27613个近地天体，绝大多数是近地小行星，还有少数彗星，近地天体中有9930 个大于140 米，更有888 个大于1 千米。

虽然说行星防御的关键在于预警，但探测跟踪近地小行星还是为拦截防御小行星服务的。遗憾的是行星防御的纸面方案虽然有很多，最著名的当属用核弹头摧毁小行星，也有撞击或高能激光烧毁等方案，但要具备实际的行星防御能力，这些方案还有待实际验证。

行星防御行动上最快的是美国人。早在1996 年美国就发射了第一颗小行星环绕探测器NEAR，它还通过精巧的轨道控制意外成功软着陆小行星表面。美国2005 年1 月13 日发射的深度撞击探测器，在7 月4 日按计划释放撞击器撞击坦普尔一号彗核，实现了人类与彗星的第一次亲密接触。

2005 年欧空局提出了堂吉诃德任务，它使用SMART-1 任务使用的探测器平台，将独立实现对近地小行星的环绕和撞击。其备选目标包括著名的阿波菲斯小行星，不过后来它并入小行星撞击偏转评估(AIDA)任务。

2007 年美国宇航局的一份分析报告指出，对于小型固体近地天体来说，非核动能撞击器是最成熟的偏转防御方案。2015 年欧空局和美国宇航局达成协议，联合实施小行星撞击偏转评估任务，评估动能撞击小行星产生的偏转效果，为实际防御小行星积累经验和技术。

▲ “唐吉诃德”概念图

▲ 深度撞击探测器

小行星撞击偏转评估任务包括两个部分：美国宇航局提供的撞击器DART 和欧空局提供的探测器AIM。双小行星重定向测试（DART）撞击器由约翰·霍普金斯大学的应用物理实验室负责研制，欧空局和其他国家的机构也提供了一些支持。DART 的撞击目标是迪迪莫斯（Didymos）双小行星系统中较小的迪莫菲斯（Dimorphos）。2017 年6 月DART 从概念设计阶段转入初步设计阶段，2018 年8 月项目开始最终设计和装配，2019 年4 月选定太空探索技术公司的猎鹰9 号火箭发射。然而好事多磨，欧洲对行星防御的热情并不太高，由于德国无法提供资金，小行星撞击任务探测器（AIM）于2016 年取消，事后科学家们表示反对并得到回应，2019 年一个名为赫拉（Hera）的深空探测器获得立项，它将于2024 年发射并于2027 年抵达双小行星系统观测DART 的撞击效果。

详解DART 探测器

DART 探测器由美国宇航局行星防御协调办公室负责管理，具体研制由约翰·霍普金斯大学的应用物理实验室负责。这个实验室是美国宇航局在深空探测领域的老伙伴，虽然在旗舰级项目上它无法和喷气推进实验室竞争，但在轻量级项目上硕果累累，DART 就是它的最新研制成果。

猎鹰9 号火箭的运力很强，但DART 并非大型深空探测器，它最早计划作为次级载荷搭便车蹭商业发射上天。DART 有多小呢？它的发射总质量仅有610 千克，其中还有50 千克的肼基燃料和60 千克的氙工质，常见的家用汽车都有1.2 吨以上，换句话说它只有半辆家用小汽车重。

▲DART 结构图

常言道麻雀虽小五脏俱全，DART固然包括航天器必备的子系统，但它的复杂度也就仅此而已。如果较真地说，它甚至没有包括任何科学载荷，这完全颠覆了人们对深空探测器庞大复杂的印象。

DART 探测器不但重量轻，尺寸也不大，方形主体部分只有1.2 米 X 1.3 米X 1.3 米，除此之外就是两个滚筒展开式太阳翼，电推发动机和名为DRACO 的摄像头，以及天地通讯用的天线，当然也少不了星敏感器、电池和用于轨姿控的小型化学火箭发动机。

DART 结构这么简单并不让人意外，毕竟这是一个单程“自杀”航天器，何必要过于复杂呢。话虽如此，DART探测器的研发和制造花费达3.08 亿美元，即使以现在的汇率折合人民币也有19.65 亿。

DART 探测器虽然只是一个纯粹的撞击器，但它本身的设计和子系统仍有很多可圈可点之处。

DART 探测器将测试多种创新性技术，首当其冲的就是小天体机动和自动实时导航系统（SMART Nav）。小天体机动和自动实时导航系统让DART 探测器具备了自主导航制导控制能力，可以自行探测和识别预定撞击目标，并自主进行撞击操作。它使用DART 探测器的侦察和光学导航小行星相机，以及约翰·霍普金斯大学应用物理实验室自主研发的基于固件的核心小型航天电子套件（CORESAT）计算机。

值得一提的是，DART 探测器的侦察和光学导航小行星相机，虽然只是源自新视野号探测器远程侦察成像仪的简单设备，其口径也只有20 厘米，但配合约翰·霍普金斯大学应用物理实验室开发的自动导航算法和硬件，在深空探测器中率先实现了基于成像仪的自动导航能力。侦察和光学导航小行星相机在发射升空一周后启动，它将持续跟踪拍摄双小行星系统，实现复杂的导航制导控制，并引导DART 撞击迪莫菲斯小行星。

▲DART 的Spiral RLSA 天线

▲ DART 飞行轨道示意图

DART 使用的太阳能电池技术也值得一提。继国际空间站之后，DART也使用了滚动展开的柔性太阳翼，柔性太阳翼体积小重量轻，重量仅有传统刚性太阳翼1/3 左右，这对重量斤斤计较的航天器尤其是深空探测器是十分有利的。DART 还在局部使用了变革型太阳翼技术，使用超高效太阳能电池和反射式聚光器，发电效率是传统太阳翼的3 倍。

DART 探测器的柔性太阳翼单侧尺寸为8.5 米长、2.4 米宽，两侧太阳翼可以提供高达6.6 千瓦的电力供应。DART 装有高性能的大型太阳翼，但是载荷却十分有限，一个主要原因是它将测试名为商用版演进型氙推进器（NEXT-C）的大功率电推发动机。演进型氙推进器是一种大功率电推发动机，由美国宇航局下属的格伦研究中心和阿罗杰特洛克达因公司联合研制，能以4170 秒比冲产生237 毫牛推力，其最大功率可达6.9 千瓦，是黎明号小行星探测器电推发动机功率的3 倍！演进型氙推进器的原定装机对象在竞争中落败，于是开放技术诞生了商业版，可供美国宇航局或非宇航局用户选用，最终首先装在DART探测器上执行任务。商用版演进型氙推进器功率大而且功率可调，未来也可能被其他深空探测任务选用。

DART 探测器还配备了名为螺旋径向缝隙阵列（Spiral RLSA）的新型天线，缝隙阵列天线是一种20 世纪60 年代就出现的技术，径向缝隙阵列天线具有制造简单、体积小、效率高和功率容量大等诸多优点，不过传统缝隙阵列天线一般用于上行或下行通信，而DART 使用的大带宽螺旋径向缝隙阵列天线同时用于上行和下行，它能在探测器靠近迪迪莫斯双小行星系统时，及时回传侦察和光学导航小行星相机拍摄到的高分辨率照片。

DART 的任务和展望

DART 主要用于演示和验证动能撞击实现小行星偏转的方法，按照预定计划，DART 发射升空后将飞向迪迪莫斯双小行星系统，并在北京时间2022 年9 月27 日7 时14 分以大约6.6千米/秒的相对速度撞击迪莫菲斯小行星，届时双小行星系统距离地球只有约1100 万千米，正是距离地球较近的时候，便于地面设施进行观测。

▲ DART 及它将探测的两颗小行星的大小参照图

▲迪迪莫斯的体积示意图

在之前的计划中，欧空局的AIM探测器先于DART 发射，在DART 撞击前后观测迪迪莫斯小行星系统。现在欧空局的赫拉探测器要2024 年才能发射，但已经发射升空的DART 也并不孤单，它还携带着一个名为小行星成像的轻型意大利立方星的6U 立方星。这个立方星配备了两个光学摄像头，它将附着在DART 探测器上，直到撞击前10 天才分离，伴随DART 飞行并获取撞击小行星和撞击溅射物的图片。

DART本身只是个单纯的撞击器，立方星的性能又十分有限，而赫拉探测器还要等5 年多才到达，DART 的撞击偏转效果如何，就只能靠地面望远镜来观测。很多人都会感到疑惑：一个610 千克质量，撞击时也只有550 千克的撞击器，就算撞击速度有6.6 千米/秒，这么远的距离上怎么判断迪莫菲斯小行星轨道变了没有呢？毕竟就算是迪莫菲斯被称为孪小星，没有迪迪莫斯780 米那么大的直径，但也是163 米的庞然大物。其实这个问题科学家们早就想到了，早在2005年的堂吉诃德探测器就选择了一个双小行星系统，今天的DART 探测器选择双小行星系统作为目标，也是为了便于观测撞击偏转效果。

迪迪莫斯双小行星系统的近日点为1.0133 天文单位，远日点2.2760天文单位（超过火星轨道），这个轨道和地球轨道不相交，即使实施撞击偏转也没有一头撞向地球的危险。然而迪迪莫斯系统的公转周期为2.11年，DART的撞击固然会影响到公转周期，但这不是遥远的地球能观测到的，事情的关键还在双小行星的独特结构上。

迪迪莫斯系统包括780 米直径的迪迪莫斯和163 米直径的迪莫菲斯小行星，其中较小的迪莫菲斯绕着较大的迪迪莫斯旋转，也有很多人把迪莫菲斯称作迪迪莫斯的卫星。迪莫菲斯的环绕半径大约是1.2 千米，速度只有大约0.17 米/秒，环绕一周下来需要11 小时55 分。DART 的撞击将显著改变迪莫菲斯小行星环绕迪迪莫斯的轨道速度和周期，估计能把轨道周期改变10 分钟左右，可以由地面望远镜分辨出来。

DART 撞击器设计十分简单，它的任务看起来也如此简单，但美国宇航局肯花3 亿多美元专门进行动能偏转技术的验证，可见事情没这么简单。美国宇航局以前的报告说，对于固体小行星动能撞击技术是最成熟的方案。以前包括科学家在内人们对小行星的想象，普遍是固体实心大石头，不过我国嫦娥二号拍摄的图塔蒂斯小行星，被发现表面存在200 多个碎石，研究表明它们是母体形成小行星时的残留碎片。更早的日本“隼鸟号”，比嫦娥二号晚的“隼鸟二号”和美国奥西里斯-雷克斯探测器的绕飞探测，都发现所探测的小行星是碎石堆型小行星。科学家们还发现1950 DA 这样碎石堆型但自转速度很快的小行星，如果只有引力和摩擦力作用，这么快的自转速度下应该解体才对。

总而言之，人类对小行星的类型和结构了解还有很多不足，动能撞击偏转对实心天体和空隙碎石堆的偏转效果肯定有巨大的差异，这也是需要DART 来一次实际撞击进行验证的重要原因。不管DART 实际撞击的效果如何，人类终于迈出了保卫地球家园、防御近地小行星的关键一步。人类被称为万物之灵，可不是恐龙那样坐以待毙的生物啊。

▲ 奥西里斯-雷克斯探测器拍摄的贝努小行星

▲ 奥西里斯-雷克斯探测器拍摄的贝努小行星碎石堆