[发明专利]一种撞击近地小行星的方法

说明书

本发明提供了一种撞击近地小行星的方法，包括：利用pock‑chop图确定发射窗口，设置优化变量的范围，依据动力学模型计算观测器和撞击器的轨道，得到任务节点的位置速度参数；利用遗传算法与局部搜索相结合的模型进行优化，得到小行星偏转距离最大的任务轨道模型，确定发射时刻和撞击时刻。具体撞击过程为：从地球一箭双星发射撞击器和观测器，首先观测器飞越小行星实施近距离抵近探测；然后撞击器撞击小行星；最后观测器重访飞越进行效果评估。之后每隔一个共振周期，观测器重访飞越小行星，获得更为准确可靠的数据。本方法利用一发火箭在3到5年完成“探测‑撞击‑评估”任务，可以实现低成本、高效率完成动能撞击在轨验证任务。

技术领域

本发明属于航空航天小行星防御领域，具体涉及一种撞击近地小行星的方法。

背景技术

动能撞击防御小行星在轨验证任务通常需要间隔一段时间多次到达小行星分别进行探测、撞击和评估，往往需要使用多枚运载火箭发射多个探测器，对于运载成本和任务轨道提出了较高的要求。

目前国际上仅有一次专门设计的动能撞击小行星轨道偏转在轨验证的任务，美欧联合实施的AIDA(Asteroid ImpactDeflection Assessment，小行星撞击与偏转评估)任务，利用两发运载火箭分别发射两个飞行器完成撞击(DART)和效果评估(HERA)。综合利用了地基光学望远镜和雷达测量光度变化和小行星轨道变化，在轨释放立方星监测撞击过程、以及单独发射的HERA任务对动量传递和轨道偏转效果进行详细评估。

但该任务模式存在如下问题：一是仅适用于特性信息丰富的大尺寸小行星，对于大量小尺寸小行星，无法利用地基设备获取其详细特性信息，如果在撞击前无法获得有效的特性信息，难以保证精确击中小行星，也不利于评估动量传递和轨道偏转效果；二是由于当时火箭的运载能力、卫星变轨能力有限，且小行星在撞击后需要一定时间才能有较明显的偏转效果，一发火箭难以完成撞击偏转和效果评估的要求，需要两发火箭间隔一段时间分别进行撞击和效果评估任务，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于，克服传统动能撞击在轨验证与评估任务需要多发火箭成本高、撞击前未实施抵近探测无法为精确撞击小尺寸小行星提供足够的特性信息支持、直接动能撞击难以精确评估动量传递因子和轨道偏转效果等的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提出了一种撞击近地小行星的方法，其特征在于，利用pock-chop图确定发射窗口，设置优化变量的范围，依据动力学模型计算观测器和撞击器的轨道，得到任务节点的位置速度参数；利用遗传算法与局部搜索相结合的模型进行优化，得到小行星偏转距离最大的任务轨道模型，确定发射时刻和撞击时刻。

作为上述方法的一种改进，所述动力学模型考虑以太阳为中心的二体引力模型，和包括八大行星和冥王星、月球的第三体引力摄动模型，计算公式如下：

其中，r为航天器或小行星的日心距离；u为引力常数；d_i为第i颗行星的日心距离；r′_i表示第i颗行星到航天器或小行星的位置矢量；i从1到10分别代表水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星和月球；a_RE表示相对论效应导致的摄动加速度，是在高速问题中，广义相对论对牛顿力学的修正。

作为上述方法的一种改进，采用所述的动力学模型，选取的优化变量为发射时刻t_d和撞击时刻t_i；

优化目标为小行星的偏转距离r_CA，约束考虑发射C3、撞击时航天器质量m_sc(t_i)、发射场赤纬De和撞击时小行星视星等V：

subject to C350,De28.5,m_sc(t_i)750,V24