NASA对2025年行星防御会议假设的小行星撞击威胁情景下的太空任务选项进行分析

2025行星防御会议中，NASA团队与联合国支持的SMPAG合作，评估了小行星侦察、偏转及颠覆任务选项，通过动能撞击器、离子束偏转和核爆炸装置等技术模拟，确定ΔV阈值和碎片化要求，优化多阶段任务方案，并总结适用于任何行星防御场景的通用结论。

Brent W. Barbee|Justin Atchison|Rylie Bull|Mary Burkey|Wendy K. Caldwell|Paul Chodas|Jessie Dotson|Davide Farnocchia|Kelly Fast|Lindley Johnson|Kathryn M. Kumamoto|Josh Lyzhoft|Daniel D. Mazanek|Ryan S. Park|Jason M. Pearl|Catherine S. Plesko|Isaiah Santistevan|Matthew A. Vavrina|Lorien Wheeler

美国宇航局/戈达德太空飞行中心，代码595，8800 Greenbelt Road，Greenbelt，MD，20771，美国

摘要

2025年行星防御会议（PDC）假设的小行星撞击威胁演习是在联合国认可的空间任务规划咨询组（SMPAG）的协调下进行的，该演习演练了SMPAG评估空间任务选项并向决策者传达信息的流程。在本文中，我们描述了由我们领导的NASA团队所完成的工作，并展示了我们为SMPAG的演习所做的贡献。我们的团队评估了多种可行的技术，包括动能撞击器、离子束偏转和核爆炸装置，用于小行星侦察（飞掠和会合）、偏转以及彻底破坏小行星的任务选项。我们的模拟和分析考虑了小行星在开始碎裂之前能够承受的多大的速度变化，并致力于制定出彻底破坏小行星的要求。基于模拟结果的经验法则被纳入到偏转和破坏任务方案的优化中。最后，我们对这些结果的一些有用的普遍性进行了观察，这些普遍性可能适用于任何行星防御场景。

引言

2025年行星防御会议（PDC）假设的小行星撞击威胁演习¹是在联合国认可的空间任务规划咨询组（SMPAG）²的协调下进行的，该演习使SMPAG能够利用来自参与国家航天机构的输入来生成空间任务选项的技术建议。在本文中，我们描述了由NASA领导的团队为此次演习所完成的工作。我们还注意到，我们团队生成的分析结果与其他参与团队的结果之间有很好的一致性。

我们讨论了使用多种方法评估应对假设场景的空间任务和行动方案的方法，包括侦察、偏转和破坏。对于侦察，我们评估了飞掠和会合选项，并考虑了重新分配现有航天器或专门建造的航天器。关于重新分配现有航天器进行侦察的详细分析结果也在相关论文[1]中呈现。对于防止小行星撞击地球的任务，我们考虑了小行星的偏转和彻底破坏，评估了以下几种任务类型：动能撞击器（KI）偏转和破坏、离子束偏转（IBD）以及核爆炸装置（NED）偏转和破坏。

我们还总结了模拟研究，以确定小行星在开始碎裂之前能够承受的多大的速度变化（ΔV）；以及制定出彻底破坏小行星的要求，即将其破碎成小而分散的碎片，从而几乎不带来对地球的剩余撞击风险。基于模拟结果的经验法则被纳入到多动作偏转任务方案的优化中，这种策略通过将总偏转脉冲分散到多个较小的脉冲上来避免小行星在偏转过程中的碎裂。我们还进行了研究，以评估在每次偏转脉冲之间所需的最短时间，以测量其对小行星轨道的影响。该研究的详细信息在相关论文[2]中呈现。

我们在场景时间线的两个时期评估了任务选项：第一时期是在发现后大约两个月，此时地球撞击的概率超过1%，小行星的物理特性和撞击地点存在较大不确定性，导致任务要求也具有较大不确定性；第二时期是在飞掠侦察任务之后，此时小行星的物理特性和撞击地点的不确定性显著降低，从而能够更精确地评估任务选项。

最后，我们总结了我们作为NASA向SMPAG提供的结果，以便与其他参与此次演习的航天机构的所有结果进行整合。我们还对这些结果的一些有用的普遍性进行了观察，这些普遍性可能适用于任何行星防御场景。

章节摘录

假设的小行星撞击威胁场景概述

作为2025年行星防御会议活动的一部分，设计了一个真实的撞击场景。该场景的主要目的是演练应对小行星撞击威胁的准备情况，包括SMPAG的参与。

选定的假设小行星的撞击轨迹定于2041年4月24日。这颗小行星的绝对星等为H = 21.9，大约对应于直径在100-250米之间，反照率在5%到25%之间。图1

偏转要求

偏转小行星的要求包括：1) 小行星的B平面坐标[8]必须在B平面上移动的距离，以便将其潜在的撞击位置完全移出地球；2) 为了使小行星在B平面上移动必要的距离以实现偏转，所需的小行星速度变化（ΔV）。

侦察任务分析

我们考虑了派遣航天器去侦察小行星的选项，包括重新分配现有航天器或执行专门的飞掠和会合任务。

动能撞击器（KI）任务方案分析

动能撞击器任务的轨迹设计与流体代码建模相结合，以完善KI设计并生成偏转性能的预测，以及相关的任务要求。

方法论

离子束偏转（IBD）是一种通过将离子引擎的排气束导向小行星表面来改变其轨道的方法。该方法涉及将高功率太阳电推进（SEP）航天器与小行星会合，在距离小行星表面大约3-4个直径的位置建立位置，然后启动一对相对的离子推进器，使其中一个推进器的大部分束流撞击小行星。撞击离子的动量被传递给小行星

核爆炸装置（NED）任务方案分析

对于使用核爆炸装置（NEDs）来偏转小行星的任务，我们假设NED携带航天器与小行星会合，而不是尝试在高速拦截时在小行星附近引爆NEDs。在本节中，我们详细介绍了NED建模、NED偏转任务设计策略以及小行星偏转性能。

讨论

通过上述对每种候选偏转任务类型的需求和性能的分析，我们可以为决策者提出关于如何继续的建议，并确定相关决策树中的分支。在本节中，我们提出了关于任务选项的建议，包括关键假设，并在建议和决策树的背景下比较和对比了候选的偏转方法。

结论

在本文中，我们描述了由我们领导的NASA团队为2025年行星防御会议（PDC）假设的小行星撞击威胁演习所完成的工作，该演习是在联合国认可的空间任务规划咨询组（SMPAG）的协调下进行的，演练了SMPAG评估空间任务选项并向决策者传达信息的流程。

我们的团队评估了小行星侦察（飞掠和会合）、偏转等任务选项

CRediT作者贡献声明

Joshua R. Lyzhoft：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论，调查，正式分析。Brent W. Barbee：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，监督，软件，方法论，调查，正式分析，概念化。Daniel D. Mazanek：撰写 – 审阅与编辑，监督。Justin Atchison：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论，调查，正式分析。Ryan S. Park：监督。

未引用的参考文献

[7A],[9A],[9B]

利益冲突声明

✔作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

这项演习的部分工作是在美国能源部的支持下，由劳伦斯利弗莫尔国家实验室根据合同DE-AC52-07NA27344进行的。LLNL-JRNL-2007733。这项演习的部分工作是在美国能源部的NNSA的支持下，由洛斯阿拉莫斯国家实验室执行的，该实验室由Triad National Security, LLC为美国能源部的国家核安全管理局管理，根据合同89233218CNA000001进行。LA-UR-25-23755。