NASA的行星防御测试：DART航天器即将撞击小行星

位于马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯应用物理实验室（APL）为NASA设计并领导这项雄心勃勃的任务。然而，与许多任务一样，这项工作需要NASA各中心的专业知识。在该机构位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室（JPL）的情况下，这些专业知识用于导航、小行星科学、目标的精确定位，以及地球到航天器的通信。

“像我们与APL的战略伙伴关系是先进空间任务发展的命脉，”JPL主任Laurie Leshin说。“我们与APL合作的历史可以追溯到旅行者号，并延伸到未来，如 Europa Clipper任务。我们一起做的工作使我们所有人--以及我们的任务--变得更好。我们很自豪能够支持DART任务和团队。”

DART航天器于2021年11月23日发射，大约1320磅（约600公斤），当它撞击直径仅为525英尺（160米）的Dimorphos时，将位于距离地球680万英里（约1100万公里）的地方。更具挑战性的是，航天器将以每秒约4英里（6.1公里）的速度接近这块太空岩石，也就是每小时约14000英里（22530公里）。Dimorphos每隔11.9小时绕着直径约为半英里（780米）的Didymos运行一次。

JPL的导航部门在使航天器准确到达遥远的地点方面相当有经验（例如：卡西尼号到土星，朱诺号到木星，毅力号到火星）。每个任务都会带来其独特的挑战，而DART就有很多。

“这是一项困难的工作，”JPL的Julie Bellerose说，她领导DART航天器的导航团队。“导航团队工作的很大一部分是在撞击前24小时让DART进入一个9英里宽（15公里宽）的空间盒子。”Bellerose说，在那个时候，任务的最后一次轨迹修正机动（发射推进器以改变飞行方向）将由任务控制人员在地球上执行。从那时起，一切都取决于DART。

在其单程旅程的最后几个小时里，DART将使用由APL创建的自主机载导航仪来保持航线。SMART Nav，即小体机动自主实时导航，从DART的DRACO（Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical navigation）高分辨率相机中收集和处理Didymos和Dimorphos的图像，然后使用一套计算算法来确定在撞击前的最后四个小时需要做什么机动。

与DART团队一起，另一组JPL导航员正在计算和规划DART航天器同伴的轨迹。意大利航天局（ASI）的轻型意大利小行星成像立方体卫星，或LICIACube，它的重要任务是对DART对Dimorphos的撞击效果进行成像。这个烤面包机大小的航天器于9月11日与DART断开连接--正好是DART计划撞击小行星月球Dimorphos的15天之前--在JPL团队的协助下，自己在行星际空间中航行。

JPL的LICIACube导航负责人Dan Lubey说：“我们正在与ASI合作，使LICIACube在DART撞击后2至3分钟内到达Dimorphos的25至50英里（40至80公里）范围内--足够近，以获得撞击和喷出物羽流的良好图像，但不会近到LICIACube可能被喷出物击中。”

虽然不是DART任务成功的必要条件，但这颗小卫星的两台光学相机LEIA（LICIACube Explorer Imaging for Asteroid）和LUKE（LICIACube Unit Key Explorer）将提供的撞击前和撞击后的图像可以使科学界在研究近地天体方面受益，并有助于解释DART的结果。

时间和空间

JPL的近地天体研究中心（CNEOS）是NASA行星防御协调办公室（PDCO）的一个组成部分，其任务不仅是确定Didymos在太空中16英里（25公里）内的位置，而且还要确定Dimorphos何时能从DART的接近方向看到--并能进入。

与其他机构的研究人员一起，CNEOS的成员将研究由撞击喷出的岩石和碎石（破碎的岩石和灰尘），以及新形成的撞击坑和Dimorphos在其母小行星周围轨道上的运动。在JPL的Steve Chesley领导下，他们不仅将检查来自DART和LICIACube的数据和图像，还将检查来自太空和地面望远镜的数据。

科学家们认为，这次撞击应该使小卫星围绕大小行星的轨道周期缩短数分钟。这个时间长度应该足以让地球上的望远镜观察和测量这些影响。它也应该足以让这次试验证明动能撞击技术--撞击小行星以调整其速度，从而调整其路径--事实上可以保护地球免受小行星的撞击。

在这些基于地球的望远镜中，重要的贡献者包括NASA的深空网络，即JPL管理的巨型射电望远镜天线阵列。在JPL科学家Shantanu Naidu的领导下，位于加利福尼亚州巴斯托附近的深空网络Goldstone综合体的深空站14号巨大的70米（230英尺）天线，将在撞击后约11小时开始观测天体碰撞的后果，当时地球的旋转将Didymos和Dimorphos带入Goldstone的视野。从这两颗太空岩石上反弹出来的回波数据应该有助于确定小卫星的轨道发生了什么变化，甚至可能提供一些粗略的分辨率雷达图像。

当然，无线电科学只是深空网络作用的一部分。导航小组也依赖于它，因为该网络是美国宇航局自1963年以来与月球和其他地方的航天器进行通信的手段。