小行星交會

小行星的交會問題主要分為兩個方面：一是太空飛行器與小行星的交會問題，實現對小行星的探測，從而在太空探索的道路上實現重大的意義；二是地球與小行星的交會問題，利用現有的科技避免小行星與地球的碰撞，從而避免對人類的傷害。

基本介紹

• 中文名：小行星交會
• 外文名：The Asteroid Rendezvous
• 拼音：xiao xing xing jiao hui
• 類型：2
• 範疇：航空航天 深空探索
• 方式：脈衝 小推進

小行星是 21世紀深空探測活動的重要目標。至今為止在太陽系內已經發現了超過 70萬顆小行星。小行星按照其軌道類型可以分為:近地小行星、主帶小行星和特洛伊小行星。太陽系中小行星大多分布在火星和木星軌道之間 ，離太陽 2。1～ 3。3AU(AU為天文單位)，稱為主帶小行星。近地小行星(Near-Earth Asteroids，NEAs)，是指軌道半長徑與地球軌道半長徑相近的小行星 ，直徑超過 1km的近地小行星特別引起人們的關注，因為它們有可能撞擊地球。近地小行星上豐富的礦產也是人類可以開發利用的重要太空資源。目前發現的這類小行星已超過 250顆。

太空飛行器與小行星的交會

隨著美國、日本和歐空局等一系列小行星探測任務的成功實施，小行星探測已經成為21世紀深空探測的一個新熱點和未來世界航天發展的一個新方向，帶動了新型軌道設計理論和推進技術的蓬勃發展。隨著國力的增強，開展進一步走向深空的航天活動是中國航天發展的必然選擇。近地小行星將是我國未來深空探測的第一站。在小行星探測中，實現探測器（太空飛行器）與小行星精確交會是一項重要的課題。

雙脈衝交會

雙脈衝交會探測方式適合於半長軸與地球相近，偏心率和軌道傾角均不大的小行星。探測器首先由運載火箭發射至地球停泊軌道，等待合適的時機，運載火箭末級點火，將探測器送入地心雙曲線逃逸軌道。

雙脈衝交會的評估準則為出發能量參數和需要探測器自身提供的總速度增量大小。

小推力的發展

如今，實現與小行星的交會問題，主要是通過小推力原理。

隨著航天技術發展，深空探測取得了很多的成果。太空飛行器的有效載荷、飛行時間以及原料消耗是深空探測任務的關鍵性能指標。能承載的有效載荷質量越大、任務時間越短、消耗的原料越少，則發射費用越低、任務效率越高。因此，在現有的硬體條件下對深空探測的軌道最佳化是非常必要的。在很長一段時間內，軌道控制技術都是基於大推力的脈衝控制。隨著小推力技術的發展 ，在很多深空探測任務中小推力將成為軌道控制的另一選擇。與脈衝相比，小推力具有更高的比沖，推進劑具有更高的效率。1988年，深空探測一號利用電推進作為主要推進方式實現了星間軌道轉移。 2003年 ，歐空局的SMART-1利用電推進使太空飛行器脫離地球引力並實現繞月球飛行。這兩個任務很好地驗證了小推力在深空探測任務的有效性。

電推進發動機以其輕質量、高比沖的特點將越來越多地套用於未來深空探測任務中。由於電推進太空飛行器質量輕，能夠有效降低從地球發射時對運載火箭能力的要求，我國在役的運載火箭都能夠將電推進太空飛行器送入飛向近地甚至主帶小行星的軌道。同時，電推進發動機推力小、持續時間長，在深空中軌道控制精度高，特別適合小行星探測。電推進方式的小推力軌道分為推進段與滑行段，切換點推力存在跳變，積分精度難以保證，軌道最佳化設計問題求解比較困難。另外，多任務，多目標探測任務和電推進小推力軌道的結合也給小行星探測軌道設計帶來了新的難點，分段設計再拼接的方法難以保證燃料最優性，有必要研究多任務軌道的整體求解方法。

小推力與脈衝相比有很大的優越性，但小推力軌道最佳化問題也涉及到很多難題。比如動力學模型的選擇，控制率的設計，最佳化算法的選取等。所以通過小推力促進深空探測還有一段路要走。

多天體借力飛行軌道設計

在小行星探測中，交會軌道的設計是一個亟待解決的問題。基於能量等高線圖和圓錐曲線拼接法，科學家提出了一種用於多天體交會借力飛行軌道的自動化設計方法。

採用拼接圓錐曲線近似法，即把整個軌道分成幾段，然後根據端點處的約束將這幾個軌道段拼接起來，形成完整地多天體借力飛行軌道。在軌道設計中，通過求解蘭伯特問題，獲得探測器的地球發射速度和對應的到達借力天體的速度，給定不同的發射時間和到達時間，繪製能量等高線圖。通過對能量等高線圖的搜尋，則可獲得滿足發射能量約束的發射時間和借力飛行的時間，同樣通過求解蘭伯特問題，獲得到達小行星的速度和對應的飛出借力天體的速度，並判斷到達借力天體的速度與飛出借力天體速度是否滿足匹配條件，且到達小行星的速度是否滿足約束條件。如果這些條件均滿足，那么就可以將這些軌道拼接起來，獲得一條完整地借力飛行探測小行星的軌道。

小行星與地球的交會問題

太陽系中小行星大多分布在火星和木星軌道之間 ， 離太陽 2。1 ～ 3。3AU (AU 為天文單位)， 稱為主帶小行星。近地小行星(Near-Earth Asteroids，NEAs)， 是指軌道半長徑與地球軌道半長徑相近的小行星，直徑超過 1km 的近地小行星特別引起人們的關注，因為它們有可能撞擊地球。目前發現的這類小行星已超過250顆。

從某種角度來看，近地小行星與地球十分靠近甚至發生“碰撞”的可能性是完全存在的，特別是軌道傾角較小的(即與地球幾乎在同一軌道面內運行的小行星)，但由於各大行星攝動影響的存在，軌道變化比較複雜，很難給出這種交會的準確時刻。除力學模型和計算方法外，小行星的軌道初值的提供就會受到測量精度的制約，不可能獲得比測量精度更高的軌道，那么這一初值誤差就會影響預報的精度。儘管如此，進行長期跟蹤計算，還是能夠從定性的角度來了解小行星軌道演化特徵的。

對近地小行星軌道演化的研究，有兩個重要方面，一是起源問題，另一個即與地球(或其他大行星)的接近或碰撞的可能，此即與地球的交會問題。研究與地球的交會可能性能使我們防範於未然。