位于馬里蘭州勞雷爾的約翰霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(APL)為NASA設(shè)計(jì)并領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)雄心勃勃的任務(wù)。然而,與許多任務(wù)一樣,這項(xiàng)工作需要NASA各中心的專業(yè)知識(shí)。在該機(jī)構(gòu)位于加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的情況下,這些專業(yè)知識(shí)用于導(dǎo)航、小行星科學(xué)、目標(biāo)的精確定位,以及地球到航天器的通信。
“像我們與APL的戰(zhàn)略伙伴關(guān)系是先進(jìn)空間任務(wù)發(fā)展的命脈,”JPL主任Laurie Leshin說?!拔覀兣cAPL合作的歷史可以追溯到旅行者號(hào),并延伸到未來,如 Europa Clipper任務(wù)。我們一起做的工作使我們所有人--以及我們的任務(wù)--變得更好。我們很自豪能夠支持DART任務(wù)和團(tuán)隊(duì)?!?/p>
(資料圖)
DART航天器于2021年11月23日發(fā)射,大約1320磅(約600公斤),當(dāng)它撞擊直徑僅為525英尺(160米)的Dimorphos時(shí),將位于距離地球680萬英里(約1100萬公里)的地方。更具挑戰(zhàn)性的是,航天器將以每秒約4英里(6.1公里)的速度接近這塊太空巖石,也就是每小時(shí)約14000英里(22530公里)。Dimorphos每隔11.9小時(shí)繞著直徑約為半英里(780米)的Didymos運(yùn)行一次。
JPL的導(dǎo)航部門在使航天器準(zhǔn)確到達(dá)遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)方面相當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)(例如:卡西尼號(hào)到土星,朱諾號(hào)到木星,毅力號(hào)到火星)。每個(gè)任務(wù)都會(huì)帶來其獨(dú)特的挑戰(zhàn),而DART就有很多。
“這是一項(xiàng)困難的工作,”JPL的Julie Bellerose說,她領(lǐng)導(dǎo)DART航天器的導(dǎo)航團(tuán)隊(duì)?!皩?dǎo)航團(tuán)隊(duì)工作的很大一部分是在撞擊前24小時(shí)讓DART進(jìn)入一個(gè)9英里寬(15公里寬)的空間盒子。”Bellerose說,在那個(gè)時(shí)候,任務(wù)的最后一次軌跡修正機(jī)動(dòng)(發(fā)射推進(jìn)器以改變飛行方向)將由任務(wù)控制人員在地球上執(zhí)行。從那時(shí)起,一切都取決于DART。
在其單程旅程的最后幾個(gè)小時(shí)里,DART將使用由APL創(chuàng)建的自主機(jī)載導(dǎo)航儀來保持航線。SMART Nav,即小體機(jī)動(dòng)自主實(shí)時(shí)導(dǎo)航,從DART的DRACO(Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical navigation)高分辨率相機(jī)中收集和處理Didymos和Dimorphos的圖像,然后使用一套計(jì)算算法來確定在撞擊前的最后四個(gè)小時(shí)需要做什么機(jī)動(dòng)。
與DART團(tuán)隊(duì)一起,另一組JPL導(dǎo)航員正在計(jì)算和規(guī)劃DART航天器同伴的軌跡。意大利航天局(ASI)的輕型意大利小行星成像立方體衛(wèi)星,或LICIACube,它的重要任務(wù)是對(duì)DART對(duì)Dimorphos的撞擊效果進(jìn)行成像。這個(gè)烤面包機(jī)大小的航天器于9月11日與DART斷開連接--正好是DART計(jì)劃撞擊小行星月球Dimorphos的15天之前--在JPL團(tuán)隊(duì)的協(xié)助下,自己在行星際空間中航行。
JPL的LICIACube導(dǎo)航負(fù)責(zé)人Dan Lubey說:“我們正在與ASI合作,使LICIACube在DART撞擊后2至3分鐘內(nèi)到達(dá)Dimorphos的25至50英里(40至80公里)范圍內(nèi)--足夠近,以獲得撞擊和噴出物羽流的良好圖像,但不會(huì)近到LICIACube可能被噴出物擊中?!?/p>
雖然不是DART任務(wù)成功的必要條件,但這顆小衛(wèi)星的兩臺(tái)光學(xué)相機(jī)LEIA(LICIACube Explorer Imaging for Asteroid)和LUKE(LICIACube Unit Key Explorer)將提供的撞擊前和撞擊后的圖像可以使科學(xué)界在研究近地天體方面受益,并有助于解釋DART的結(jié)果。
時(shí)間和空間
JPL的近地天體研究中心(CNEOS)是NASA行星防御協(xié)調(diào)辦公室(PDCO)的一個(gè)組成部分,其任務(wù)不僅是確定Didymos在太空中16英里(25公里)內(nèi)的位置,而且還要確定Dimorphos何時(shí)能從DART的接近方向看到--并能進(jìn)入。
與其他機(jī)構(gòu)的研究人員一起,CNEOS的成員將研究由撞擊噴出的巖石和碎石(破碎的巖石和灰塵),以及新形成的撞擊坑和Dimorphos在其母小行星周圍軌道上的運(yùn)動(dòng)。在JPL的Steve Chesley領(lǐng)導(dǎo)下,他們不僅將檢查來自DART和LICIACube的數(shù)據(jù)和圖像,還將檢查來自太空和地面望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)。
科學(xué)家們認(rèn)為,這次撞擊應(yīng)該使小衛(wèi)星圍繞大小行星的軌道周期縮短數(shù)分鐘。這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)該足以讓地球上的望遠(yuǎn)鏡觀察和測(cè)量這些影響。它也應(yīng)該足以讓這次試驗(yàn)證明動(dòng)能撞擊技術(shù)--撞擊小行星以調(diào)整其速度,從而調(diào)整其路徑--事實(shí)上可以保護(hù)地球免受小行星的撞擊。
在這些基于地球的望遠(yuǎn)鏡中,重要的貢獻(xiàn)者包括NASA的深空網(wǎng)絡(luò),即JPL管理的巨型射電望遠(yuǎn)鏡天線陣列。在JPL科學(xué)家Shantanu Naidu的領(lǐng)導(dǎo)下,位于加利福尼亞州巴斯托附近的深空網(wǎng)絡(luò)Goldstone綜合體的深空站14號(hào)巨大的70米(230英尺)天線,將在撞擊后約11小時(shí)開始觀測(cè)天體碰撞的后果,當(dāng)時(shí)地球的旋轉(zhuǎn)將Didymos和Dimorphos帶入Goldstone的視野。從這兩顆太空巖石上反彈出來的回波數(shù)據(jù)應(yīng)該有助于確定小衛(wèi)星的軌道發(fā)生了什么變化,甚至可能提供一些粗略的分辨率雷達(dá)圖像。
當(dāng)然,無線電科學(xué)只是深空網(wǎng)絡(luò)作用的一部分。導(dǎo)航小組也依賴于它,因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)是美國宇航局自1963年以來與月球和其他地方的航天器進(jìn)行通信的手段。
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