小行星防御中的撞击研究

发布时间：2020-08-22 00:39

【摘要】：在地球附近有大量的小行星不时地掠过,一旦它们撞击地球将会产生巨大的破坏力。2013年,一颗直径仅15米左右的流星在俄罗斯上空约30公里的高度爆炸就造成了 1500多人受伤。对威胁小行星防御的研究已经刻不容缓。虽然目前已经有很多小行星防御的方法被提了出来,但是使用撞击器直接撞击的方法是当前最成熟的方法之一,深度撞击号早已成功撞击了彗星。NASA和ESA已在联合开展AIDA任务专门进行撞击防御方法的相关技术验证。通过在撞击相关领域的深入研究,如提出新的撞击策略,发现新的撞击规律,探究动能撞击方法更多的应用场景等,不仅有助于防御技术发展日趋完善并尽快验证实施,也能为小行星探测任务提供了更多的科学目标和任务需求。本论文以威胁小行星的防御为背景,对小行星的撞击问题开展了进一步的研究。考虑到高速撞击容易使得撞击结果不可控的缺点,我们提出了基于母舰伴飞的多次温和撞击策略使得撞击尽量不对小行星结构产生破坏。随后研究了小行星从单次撞击到多次撞击的情况下,小行星的轨道运动和自转状态的变化规律。接着又考虑了撞击对小行星结构产生破坏的剧烈撞击方式,并选用了极度细长的长杆形状的小行星作为目标,使用数值模拟的方法研究了小行星受撞击后产生单次断裂后的运动情况。以下是本论文的主要创新点:为避免撞击速度过大,使得小行星出现意外的破碎,并且便于及时精确地观测撞击的结果,我们提出了一种基于母舰伴飞的多次温和撞击策略。首先让携带多个撞击器的母舰伴飞在小行星附近,提前进行近距离观测后,再以相对较低的速度撞击小行星表面,并观测小行星的撞击变化,并根据观测到撞击情况实时调整撞击器的速度方位等撞击条件。虽然这样的工作方式可能需要较大的航天器质量,但比多次从地面发射撞击器的方式节省了很多飞行时间和发射流程,并实现了可控的撞击结果。基于多次温和撞击的策略,研究了撞击后小行星的轨道变化。对比单次和多次的撞击结果,可使用线性叠加的方法快速估计多次撞击需要的次数和速度大小。对比了不同孔隙率材质的小行星受撞击后的轨道变化,量化地显示了孔隙对撞击效果的影响。另外,利用实际的小行星轨道的统计信息,并考虑了撞击参数的不确定性,从碰撞概率变化的角度来评估撞击的作用效果。在多次撞击策略下,研究了小行星受撞击后的自转变化。不同形状小行星的撞击结果显示了多次撞击对细长型小行星的消旋作用有明显的效果,可应用在如小行星采矿或重定向等探测任务中,这增加了动能撞击法的应用前景。通过不同孔隙率小行星的撞击结果显示了近乎垂直的撞击对无孔隙的细长型小行星同时具有高效的轨道改变和自转改变。研究时还考虑了小行星进动旋转的情况,并发现此时撞击生成的微小撞击坑对自转状态有较大的影响。考虑了使用撞击直接将目标破坏的撞击场景,以细长型的小行星为撞击目标,首次对一个自由体长杆横向受撞击后的断裂及运动情况展开了研究。同时提出了细长小行星撞击断裂的新的应用场景,可以选择撞击位置使其断裂为一个较小尺寸的碎片,然后进行抓取采样从而获得大质量的样品。使用数值模拟的方法计算了不同撞击位置下不同撞击速度的结果,然后采用标度分析构造了撞击结果和撞击条件之间的函数关系。最后使用数值模拟的计算结果对标度分析得到的函数关系进行拟合,可用于对撞击后碎片运动情况的预测和分析,这在太阳系的撞击演化中有着重要的应用前景。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P185.7
【图文】：

小行星,近地小行星,轨道,表格

太阳系中轨道接近地球的小行星都统称为近地小行星（ＮＥＡ），其轨道半长逡逑径要小于１．３个天文单位（ＡＵ）。近地小行星按其轨道半长径的大小可以分为四逡逑类：阿莫尔型、阿波罗型、阿登型和地内型，详细分类情况如图１－１所示，可逡逑以看到和地球有撞击威胁的小行星一般属于阿波罗型和阿登型，这两种类型逡逑数目占总数的近六成。那些对地球有撞击威胁的小行星称作潜在威胁小行星逡逑（ＰＨＡ），其划分标准为：和地球的最小轨道交会距离（ＭＯＩＤ）小于０．０５邋ＡＵ（小行逡逑星和地球的撞击只可能发生在轨道交点的位置），平均直径大于１４０米（目前的逡逑观测极限，对应绝对星等Ｈ＜邋２２，反照率假设为１４％下的粗略估计值）。根据逡逑小天体中心（ＭＰＣ）在２０１９年３邋的发布数椐，丨丨前已经发现了邋１９，７７７颗近地逡逑小行星，潜在威胁小行星（ＰＨＡ）有１９７４颗。逡逑地球上已经存在的不少尺寸巨大的撞击坑，这说明了地球以前已经遭受逡逑

小行星撞击,频率统计,小行星

地内型逦３４颗逡逑图１－丨：近地小行星的轨道分类，表格内的数据根据小行星中心（ＭＰＣ）在２０１９年３月份公逡逑布的数据十算而得，随着发现数目的增多，会有变化。逡逑了很多较大尺寸的小行星的撞击。大气层上空每天也会有很多流星体在其中逡逑燃烧殆尽，这其中如果尺寸稍大未被大气耗尽到达地面就会造成很大的安全逡逑隐患。Ｂｒｏｗｎ邋ｅｔａｌ．ｌ７］Ｓ计了地球和月球上撞击事件，并结合威胁小行星的碰撞逡逑概率，估计了不同尺寸的小行星撞击地球的频率，如图丨－２所示。可见小行星逡逑的撞击事件的发生和其尺寸大小大概存在着幂指数分布关系，且尺寸越小的逡逑小行星撞击地球的事件发生的越频繁。另外小行星尺寸太小，很难精确测定逡逑其轨道，这对其撞击预测也会产生较大偏差，更进一步增加了其危险性。但逡逑是目前科学界对小行星撞击地球存在周期性的观点还存在一些争议。Ｍｅｉｅｒ和逡逑Ｈｏｌｍ－Ａｌｗｍａｒｋ｜８］将地球上过去５亿年内形成的２６个陨石挽击坑进行了统计

小行星撞击,美国社会,事件,近地小行星

现威胁天体，并对这些的天体的威胁性做出准确的评估。目前已经很多近地小逡逑行星观测项目，在发现新的近地小行星的同时都把发现潜在威胁小行星作为逡逑重要目标。图１－４显示了目前几个主要的观测项目发现的近地小行星数目的对逡逑比。所有观测并被验证的小天体的观测资料都收录在小天体中心（ＭＰＣ）的网逡逑站数据库中（ｈｔｔｐ：邋／／ｗｗｗ．ｍｉｎｏｒｐｌａｎｅｔｃｅｎｔｅｒ．ｎｅｔ／）。ＭＰＣ由哈佛－史密松天体物逡逑理中心（ＳＡＯ）负责经营，是小行星观测网络的神经中心，负责收集、处理和逡逑

【相似文献】