造访NASA：探索旨在保护地球免受危险小行星侵害的第一个探测器。它的推出定于明年。
我们最好的防御小行星杀手的方法是，将白色的立方体大小的洗衣机在干净的房间里拆开。在马里兰州。上周，我到达了约翰·霍普金斯大学应用物理实验室，这是一个庞大的研究中心，大多数研究人员都在从事他们无法谈论的政府项目。然后，航天器缺少了两个侧板，正在清洁其离子引擎，并且主舱位于走廊的冰箱中。通常情况下，无菌储藏室将充满技术人员身穿干净的白色防护服，在船上奔波忙碌-但是，那天，大多数人都在玻璃的另一侧。他们试图让未完成的立方体与全国范围内的大型抛物面天线进行通信。
明年夏天，位于加利福尼亚的同一根天线将成为与该航天器的主要链接，该航天器将迅速进行此类自杀任务。 DART实验的目标（双小行星重定向测试，即两次小行星重定向测试）-将一个立方体与一个绕着1100万公里的较大小行星绕行的小小行星相撞。从地球。到目前为止，还没有人确切知道探针与目标碰撞后会发生什么。我们肯定知道船上什么也不会剩下。同时，他应该能够足够强烈地改变小行星的轨道，使其从地球上可以注意到，从而证明这种打击可以转移接近我们的潜在威胁。好吧，其他一切都来自合理假设的范畴。这就是为什么NASA想要用机器人撞击小行星的原因。
根据天文学家，在我们的约16000个小行星与来自140的直径太阳系兽皮的计算，以千米。DART的目标将双晶片和迪迪姆他绕着旋转。第一个在此范围的底部，第二个在顶部。如果它们中的任何一个与地球相撞，将导致区域性灾难性破坏，在地球的整个历史中都没有发现类似的灾难。已经发现了超过一千颗直径大于迪迪姆和狄莫西特之和的小行星，如果它们中的任何一个与地球相撞，这可能导致大规模灭绝和文明灭绝。这样做的机会非常小，但是鉴于后果的严重性，美国宇航局和其他太空机构希望为此做好准备，以防万一。
从积极的一面来看，科学家认为，如果足够早地发现杀手小行星，它就有可能偏转。没有任何保证-小行星以不规则的规律爬上地球-但是，多年来，已经提出了解决这一问题的方法的足够建议。最实用的想法是建议发生小行星爆炸或碰撞。但是为了使它们有效，科学家需要更好地了解小行星的反应。因此，他们建立了DART，这是一种深空探测器，可以自我破坏以证明想法可行。
“每个人都知道您会撞上小行星，”约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的DART任务设计师贾斯汀·阿奇森说。 “但是，说有可能与实际做到之间有很大的不同。您在此过程中学到了很多东西。”
DART任务的两位主要研究人员之一安迪·里夫金（Andy Rivkin）惊奇地对创建可以拯救地球的航天器的任务无动于衷。他说：“我完全不怕小行星撞击。” -我们对此有一个很好的想法，并且在不久的将来我们不会有这样的问题。这项任务与遥远的将来的工作有关，人们可能需要这样的工具-我们正在为他们创建它。”
在一项典型的NASA任务中，一个由Rivkin担任职务的人将负责管理一群愿意使用飞船进行研究的科学家。但是，DART的主要任务不科学。这是一个演示，应该演示在测试某些新技术时偏转小行星的能力。
通常，航天器开发人员试图将风险降到最低，这就是为什么他们通常使用已经在太空中展示过的设备，并且不尝试测试新技术的原因。由于这些车辆的重量受到严格限制，因此工程师不能简单地在船上添加额外的组件来对它们进行测试。在这方面，DART项目看起来更加不寻常，因为其许多关键技术将首次进入太空。而且由于DART的主要目的是使飞机崩溃而不是收集科学数据，因此工程师在设备的重量方面拥有更大的操纵自由度-因此它可以携带一些技术来对其进行测试。
DART首席工程师Elena Adams说：“当我加入该项目时，我立即注意到我们正在收集一整套新技术，并说：不，我们无法处理。”帕克太阳探测器和朱诺航天器。 “但是，一项新技术只能通过执行任务并在工作中展现自己的价值来证明其价值。”
DART发射窗口将于明年7月打开，这是小行星最接近地球的轨道-仅1100万公里。 SpaceX Falcon 9火箭将加速探测，并按正确的方向发射，并持续约一年的时间以104,000 km / h的速度冲过太阳系。尽管控制中心的专家将能够介入DART飞行，直到碰撞发生前仅剩几分钟，但该船的设计使其可以在最少的人工干预下完成其任务。
DART将与Falcon 9火箭分开，部署其太阳能电池板。面板固定在弹性材料上，该弹性材料将在船两侧的一对梁之间拉伸。与传统的太阳能电池板相比，此类系统的重量将减轻5倍。亚当斯说：“太阳能电池阵列将使我们能够向外行星发送许多任务。” “节省太空中的每一公斤都是大问题。”
太阳能电池板的部署机制已于2017年在ISS上进行了测试，但首次将其用于实际的太阳能电池。准备好电源后，船将开始从面板向离子引擎供电。也在船上。离子引擎将电子从燃料中敲除，使其电离。带正电的气体会被电场排斥，并且离子会从发动机发出，从而将其向前推进。
离子发动机提供的推力不大，但比燃烧燃料的火箭发动机效率更高。 DART将使用12种传统的小型化学燃料引擎进行航向校正和重新定向，但同时将测试NASA的新型氙气引擎的商业版本：NASA的Evolutionary Xenon Thruster或NEXT-C...该发动机已经开发了近二十年，但尚未在太空中进行测试。它的运行功率是美国宇航局在深空任务中使用的其他发动机的三倍，并且其效率是传统化学燃料发动机的约十倍。
根据Atchison的说法，NEXT-C发动机的真正潜力在于其推力变化很大的能力-大多数离子发动机限于一个狭窄的范围。因此，与其在任务的不同阶段携带许多发动机，不如说太空飞船可以与之相伴。他只需将唯一的引擎移至较高的档位，接近太阳，那里有大量的光子可以转化为电能，然后远离恒星，他将下落。
NEXT-C将用于短期测试，是主推进系统的后备。在实验室进行了如此长时间的测试后，重要的是要证明该系统可以在太空中工作。在探针飞行期间，离子驱动器将仅用于纠正DART航向或用于一些小样的演示，这些演示会稍微改变探针的轨迹，然后将其返回。 “展示之后，将有可能在许多不同的任务中使用它，” Atchison说。 “这是一项非常酷的技术。”
太阳能电池板还将为DART无线电天线供电，该天线也将在太空中进行首次测试。由于它是扁平的圆形天线，因此比航天器通常需要回家的大抛物面天线要容易发射到太空中。所有发送到地面的数据将由现场可编程门阵列或FPGA处理。与通用计算机不同，这些芯片专门设计用于有效地执行特定任务。这对于DART非常重要-他将需要进行大量准确的计算才能达到目标。
在该方法的最后阶段，直到碰撞发生前几秒钟，它会将图像从相机传输到地球。同时，另一台计算机将需要处理这些图像并将其提供给船上的专用自主导航系统Smart Nav。 DART算法飞行员部分基于旨在瞄准地球上导弹的系统。但是对它进行了修改，使飞船指向小行星的中心。 “ Smart Nav是我们撞击小行星的独特关键技术，” Adams说。
在DART的大部分旅程中，它将基本上是盲目飞行。尽管将为他提供恒星跟踪设备，可用于通过我们银河系中恒星的位置来确定其在太阳系中的位置，但只有在碰撞发生前仅一个月时，他才会看到目标。即使到那时，他也将看不到Dimorph-只有系统较大的Didyme，才能作为单个像素进行区分。碰撞发生前一个小时，Dimorph才可见。
“ Draco会每秒不断地向我们提供图像，”亚当斯指的是船上的摄像头。-这将是一个非常无聊的一像素视频。令人惊讶的是，为了看到这个像素，我们将需要放大图像，但是到那时，导航系统已经开始将飞船对准它并锁定它。”
此时，从地面更改控制中心的轨迹为时已晚。任务的成功将取决于Smart Nav算法将微型小行星保持在视场中央并将飞船对准目标的能力。 DART小组花费了许多时间来模拟飞船和小行星的进近，教该算法在仍然几乎看不见时识别并专注于小行星。这是一个令人无聊的消遣，但对成功完成任务绝对必要。如果探测器不知道如何识别目标，可以将其与镜头上的灰尘斑点或主要小行星而不是卫星的目标混淆。
打造能够满足小行星驱动任务的严苛条件的相机是一项艰巨的任务。 Draco主要是一种导航工具，这意味着她的照片必须非常准确。问题是光学器件对温度变化极为敏感。 “随着温度的降低，情况开始发生变化，” Draco的系统工程师Zach Fletcher说。即使对Draco的光学系统进行很小的更改（将主摄像机和辅助摄像机彼此相对移动一个微米），也会使图像散焦并使DART失明。因此，在相机的光学系统中使用了特殊的玻璃，当温度变化时该玻璃不会变形。 “这完全不同，”弗莱彻说。 “这种玻璃不会在地球上使用。”
在Draco完全组装好之后，Fletcher和他的团队将调整相机几个星期，以准备发射。他们将使用干涉仪-极高精度的激光系统-在Draco的光学元件放置在模拟外太空冻结温度的室内时测量其光学变形。需要对摄像机进行微调，以识别数百万公里外微弱的Didyma系统。同时，它必须能够将清晰的太空石影像传回地球。 “我们希望尝试获取尽可能多的数据，以便我们可以看到小行星的次亮部分，”弗莱彻说。摄像头必须能够在较大的动态范围内工作，这是一项艰巨的任务，因为DART团队中尚无人知道。飞船抵达时可能会遇到什么。
任务最独特的功能之一与建筑师对任务的了解程度无关。 Didyme于1996年被发现，然后天文学家怀疑它可能有卫星，但直到2003年才确认它的存在。迪迪姆的直径约为800 m，比Dimorph的直径大得多（直径只有150 m）.Dimorph太暗了，无法像大多数主要小行星一样直接用来自地球的望远镜看到。当迪迪姆（Dydyme）距离明年足够近以恢复目击时，它的亮度将比夜间肉眼可见的最微弱的恒星低十万倍。
我们对Didyme和Dimorph的了解很少，是来自地面光学和射电望远镜的观测结果。天文学家猜测，迪迪姆之所以拥有卫星，是因为它的亮度每隔一定的间隔下降，这表明它的轨道上存在一个物体。 “关于Didyma系统的大多数信息来自2003年的观测，”北亚利桑那大学的天文学家，DART观测工作组负责人克里斯蒂娜·托马斯（Christina Thomas）说。 “ Didyma系统的观察窗口每两年打开一次，当DART的想法出现时，我们开始定期对其进行监视。”
DART的历史始于“ Don Quixote ”项目“-一艘与小行星相撞的航天器，是欧洲航天局在2000年代初提出的。其想法是同时发送两艘飞船，其中一艘与小行星相撞，第二艘必须与之相撞。在受到太阳的撞击后，欧空局最终认为该任务太昂贵并放弃了这项任务。几年后，优先考虑各种科学学科的美国国家科学，工程和医学研究院发表了一份报告，强烈建议实施小行星撞击任务。在降低其价值。
低成本任务的一个新主意是安迪·郑（Andy Cheng），他现在是应用物理实验室的首席科学顾问，也是DART任务的主要研究人员之一，当时他在报告发表后不久的早晨忙于工作。 “我突然想到我们应该在双小行星上进行这个项目，因为那样的话，我们就不需要第二艘飞船来观察偏转了，” Cheng说。 “我们可以通过地球上的地面望远镜来实现。”
寻找目标仍然有余。太空中没有那么多的二元小行星，并且只有一小部分通过与地球足够近的距离，以便在与航天器相撞时可以通过地面望远镜看到。甚至更少的东西足以使船显着改变其轨道。到Cheng和他的团队筛选出可能的目标清单时，他们只剩下两个选择，其中一个是Didyme。 “这种选择具有很大的优势，” Cheng说。因此，他和一小群同事提出了一个提案，并在2011年将该想法推广到了NASA。该机构没有考虑很长时间。到2012年，DART正式列入预算。
天文学家以迪迪玛为目标，每两年接近地球时就开始监测该系统。 “我们意识到，在永久更改系统参数之前，我们需要在碰撞之前尽可能研究系统的行为，” Rivkin说。自2003年以来，对Didim的首次观测始于2015年，此后每两年进行一次。
根据以前的观察，天文学家知道迪莫夫大约每12小时绕着迪迪姆公转一次，直径约150 m，其他一切仍然是个谜。在迪迪姆成为DART的目标之前，没有必要对他进行监视-至少在可预见的将来，他不会对地球构成威胁。 “我们不知道Dimorph的外观，”亚当斯说。 “我们只看到了迪迪玛。”
如果您甚至不知道它是什么样子，如何计划小行星碰撞任务？通过模拟-很多模拟。 DART团队在发射前必须建模的最重要的未知参数是Dimorph的形状和成分，因为这些因素在确定碰撞对轨迹的影响方面起着重要作用。例如，狗骨头形状的小行星的行为与球形小行星的行为将有所不同，并且船将很难找到其中心并进入该中心。根据各种证据，许多小行星不是固体，而仅仅是靠重力聚集在一起的一堆碎片。这些碎片的大小和分布将决定DART撞击将如何影响它们，因为撞击地点附近的鹅卵石将飞入太空。推小行星他们将进一步改变其轨迹。
通过对各种可能的形状进行建模，DART可以自主决定目标位置。通过模拟小行星的不同形状和成分的贡献，科学家可以将模拟结果与实际碰撞数据进行比较。 DART团队与利弗莫尔国家实验室的行星防御团队合作，在实验室的两台超级计算机上模拟了各种碰撞情况。在实验室中，这种情况并不是什么新鲜事物-它们使用核弹头模拟小行星爆炸的结果。通过研究碎片如何从小行星中传播出来，他们可以更好地了解其组成以及其组成如何影响轨迹变化。如果我们需要执行真正的任务来保护地球，那么准确预测小行星对撞击的反应就至关重要。
碰撞数据将由所有设备中唯一的一个收集，而不是用于将飞船定向到目标或将数据传输到地球的。这是一种意大利的名为LICIACube的微卫星，将在DART与小行星撞击之前几分钟被推出。此后不久，LICIACube将飞越小行星并拍照。这些图像将帮助科学家确认他们的模型。微卫星的位置将与小行星相距很远，因此其图像将不太清晰。但是，这总比没有好。也就是说，当ESA在2016年放弃任务时，NASA将一无所有。
尽管DART原本打算作为一个单独的NASA项目进行，但Cheng和该任务的设计师很快与ESA合作进行了一个联合的小行星撞击和变形评估任务。按照计划，欧洲人将进行一次AIM探测，该探测器将在DART前方发射，并在主舰抵达前几个月对小行星进行探测。当DART撞击表面时，AIM会观察发生的情况。
尽管ESA成员积极支持AIM任务，但2016年，当他们没有通过投票分配此计划的预算时，一切都破裂了。 “有很多任务是从美国宇航局和欧空局之间的伙伴关系开始的，但是由于一方由于种种原因无法履行职责而分崩离析，” Cheng说。 “我们建议使这些任务独立进行，以便即使在另一伙伴拒绝之后也应继续执行其中任何一项。”事实证明这种方法是谨慎的。
直到2018年，DART似乎都会自行完成所有工作。然后，意大利航天局向NASA提出要他们随身携带其中一颗建造的微卫星。 NASA的高管们很喜欢这个主意，并将LICIACube添加到了任务中。不久之后，ESA提出了Hera仪器AIM的后继产品。这个想法是让一艘带有两个微卫星的小型飞船进入Didyma系统周围的轨道，以观察DART任务的后果。虽然新的ESA探针由于要等到2024年才准备就绪才能在主要事件之前及时发布，但当它到达时，它将能够测量DART留下的弹坑并进行详细的Dimorph测量以了解其影响如何对其产生影响。
同时，一个望远镜网络将监视地球的迪迪玛系统。他们将在DART达到目标之前数月开始观察，他们的观察对于确定小行星的卫星位置至关重要。当飞船飞向他时，团队绝对不需要Dimorph在Didim的另一侧-后者会与错误的小行星碰撞。到DART足够接近以独立确定卫星轨道参数的时间时，刹车已经为时已晚。里夫金说，将在春季开始的最后一次发射前观测活动将足以确定必要精度的轨道参数，并确保Dimorph在正确的时间放置在正确的位置。
托马斯说，地面望远镜甚至有可能看到碰撞本身。她说：“如果有机会，它很可能看起来像是闪光灯。” - 这将会非常棒”。
但是，即使望远镜未检测到碰撞耀斑，它们在观察后果方面仍将发挥重要作用。毕竟，整个操作的重点是确定航天器在与小行星碰撞时如何改变其轨迹。 DART碰撞只会使Didim绕12小时的轨道仅增加10分钟左右。但是，这足以使托马斯和天文学家团队能够观察到Dimorph绕其旋转的小行星的亮度变化，从而观察到差异。像LICIACube的图像一样，这些数据将帮助科学家完善小行星撞击的模型，直到Hera收集其他数据。对于团队来说，重要的是要在碰撞后立即收集最大的数据量，因为Didyma系统在接下来的40年中将比现在更远离地球。
DART任务由NASA领导，但保护地球自然是一项全球挑战。 2016年，美国宇航局启动了总部位于华盛顿特区的行星防卫协调服务，与世界太空总署的相关计划合作。到目前为止，保护地球的大部分工作一直在协调全球范围内对潜在危险小行星的监视运动并绘制其轨迹。里夫金说：“人们一直在寻找小行星，因为发现越早，就越需要做更多的事情。”
在我们几乎没有错过1980年代后期能够消灭文明的小行星之后，美国国会通过计算小行星对地球生命的严重威胁使美国宇航局感到困惑。该机构的官方报告中描绘了一幅令人毛骨悚然的图画，并提出了一项预算以解决这一问题的建议-首先是对太阳系中所有潜在危险的小行星进行认真搜索。报告指出：“尽管地球在一年之内与大型小行星或彗星相遇的可能性非常小，但这种碰撞的后果看起来是如此灾难性，以至于评估威胁的性质并准备将其击退似乎是合理的。”
两年后，美国国会指示NASA在直径超过1公里的太阳系中发现90％的小行星。像这样的小行星与我们相撞后，几乎肯定会导致生物大灭绝。 1998年，该机构正式开始搜寻，到2010年，它已经完成了任务。但是，直径小于1 km的小行星也会造成严重的局部破坏。因此，在2005年，美国国会扩大了NASA的权力，并设定了任务，到2020年底，找到90％直径超过140 m的小行星（这与莫斯科Komsomolskaya Square上Leningradskaya Hotel的高度相当）。
但是即使该机构完成了这项任务，仍有数百个未被注意的小行星可以进入剩余的10％。同样，在太阳系中找到致命的太空岩石也只是成功的一半。尽管NASA已经找到了几乎所有的轨道，但要计算它们的轨道可能要花费数年。因此，不仅有许多我们尚未注意到的大型小行星-即使我们已经注意到的小行星也可能对我们构成威胁，直到我们以足够的精度预测它们的轨迹。
在实际发生小行星警报的情况下，确定像DART这样的拯救世界任务的成功与否的关键因素将是我们发现小行星的时间有多早。这很重要，原因有几个。首先，使航天器准备发射需要很长时间。从概念到接近完成的交付，DART花费了近十年的时间。亚当斯说，如果一颗小行星真正朝我们的方向前进，并有能力将一个国家从地球表面抹去，那么这个过程就可以加速。她说：“如果您要保护地球，就不会有那么多新技术在飞走。” “我们已经学到了很多东西，所以我认为我们下次可以更快地做到这一点。”
另一个因素与飞船能否实际改变小行星的轨道有关。与其他小行星相比，Dimorph没有那么大，但是DART也不是最大的飞船。即使以6 km / s的速度与小行星碰撞，它也几乎不会移动-它的轨道每秒变化不超过1毫米。里夫金说：“取决于您拥有什么样的临时起步，这可能就足够了，或者很少。”在行星防御中，时间至关重要。
在明年夏天准备发射之前，实验室团队还有很多工作要做。一旦团队确认DART可以通过NASA的深空通信网络发送和接收数据，它将需要使用计算机模拟来仔细制定发射程序。将会进行诸如在发射前给电池放电以及跟踪太阳能电池板的部署之类的事情。
目的是在测试与环境的相互作用之前获得航天器的基本参数。工程师称此过程为摇动和烘烤。它也是面包屑的品牌/大约。翻译]。 DART将在大型振动平台上以每秒3,000次的速度振动，以模拟发射载荷，并在室内模拟空气真空效应的室内定期暴露于高温下。当DART通过所有测试时，团队将再次运行整个设备，以确保其正常运行。如果一切顺利，该船将在五月被送到加利福尼亚的范登堡空军基地，在那里进行最后检查，然后SpaceX技术人员将其装载到火箭中进行发射。
太空飞船的工程师通常会被他们的聪明才智所吸引；毕竟，他们经常在同一个项目上工作数年，并且有些人将研究飞船向地球传输数年的数据。但是我与之交谈的所有DART团队成员都对销毁他们无所畏惧的机器人的想法充满热情。 “当我设法粉碎或炸毁某些东西时，我的一部分总是会感到高兴，” Cheng说。弗莱彻（Fletcher）同意：“我做恶梦，一艘船飞到一颗小行星上，却没有任何反应。这将是一个失败。我等不及要被摧毁了。”
值得注意的是，该团队能够在大流行期间维持发射前的时间表，但亚当斯说，他们很快找到了解决新限制的方法。需要在车间组装轮船的人们分小组轮班工作，而其他人则在远程一起进行模拟工作。今年冬天和春天，情况将变得更加复杂-整个团队将需要亲自出席以进行仿真。他们已经开始根据社交距离协议来计划未来的工作。
小行星碰撞的危险，像大流行的危险，似乎是不可能的并且是抽象的-直到发生。这里的主要内容是即使面对不利的情况，也要知道如何对此做出快速而果断的反应。这就是DART任务的目的。亚当斯说：“我们不会被冠状病毒或其他任何病毒所阻止。” “我们有一个目标，我们将实现这一目标。”