【摘要】：在地球附近有大量的小行星不時地掠過,一旦它們撞擊地球?qū)a(chǎn)生巨大的破壞力。2013年,一顆直徑僅15米左右的流星在俄羅斯上空約30公里的高度爆炸就造成了 1500多人受傷。對威脅小行星防御的研究已經(jīng)刻不容緩。雖然目前已經(jīng)有很多小行星防御的方法被提了出來,但是使用撞擊器直接撞擊的方法是當(dāng)前最成熟的方法之一,深度撞擊號早已成功撞擊了彗星。NASA和ESA已在聯(lián)合開展AIDA任務(wù)專門進(jìn)行撞擊防御方法的相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證。通過在撞擊相關(guān)領(lǐng)域的深入研究,如提出新的撞擊策略,發(fā)現(xiàn)新的撞擊規(guī)律,探究動能撞擊方法更多的應(yīng)用場景等,不僅有助于防御技術(shù)發(fā)展日趨完善并盡快驗(yàn)證實(shí)施,也能為小行星探測任務(wù)提供了更多的科學(xué)目標(biāo)和任務(wù)需求。本論文以威脅小行星的防御為背景,對小行星的撞擊問題開展了進(jìn)一步的研究。考慮到高速撞擊容易使得撞擊結(jié)果不可控的缺點(diǎn),我們提出了基于母艦伴飛的多次溫和撞擊策略使得撞擊盡量不對小行星結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。隨后研究了小行星從單次撞擊到多次撞擊的情況下,小行星的軌道運(yùn)動和自轉(zhuǎn)狀態(tài)的變化規(guī)律。接著又考慮了撞擊對小行星結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的劇烈撞擊方式,并選用了極度細(xì)長的長桿形狀的小行星作為目標(biāo),使用數(shù)值模擬的方法研究了小行星受撞擊后產(chǎn)生單次斷裂后的運(yùn)動情況。以下是本論文的主要創(chuàng)新點(diǎn):為避免撞擊速度過大,使得小行星出現(xiàn)意外的破碎,并且便于及時精確地觀測撞擊的結(jié)果,我們提出了一種基于母艦伴飛的多次溫和撞擊策略。首先讓攜帶多個撞擊器的母艦伴飛在小行星附近,提前進(jìn)行近距離觀測后,再以相對較低的速度撞擊小行星表面,并觀測小行星的撞擊變化,并根據(jù)觀測到撞擊情況實(shí)時調(diào)整撞擊器的速度方位等撞擊條件。雖然這樣的工作方式可能需要較大的航天器質(zhì)量,但比多次從地面發(fā)射撞擊器的方式節(jié)省了很多飛行時間和發(fā)射流程,并實(shí)現(xiàn)了可控的撞擊結(jié)果�；诙啻螠睾妥矒舻牟呗�,研究了撞擊后小行星的軌道變化。對比單次和多次的撞擊結(jié)果,可使用線性疊加的方法快速估計(jì)多次撞擊需要的次數(shù)和速度大小。對比了不同孔隙率材質(zhì)的小行星受撞擊后的軌道變化,量化地顯示了孔隙對撞擊效果的影響。另外,利用實(shí)際的小行星軌道的統(tǒng)計(jì)信息,并考慮了撞擊參數(shù)的不確定性,從碰撞概率變化的角度來評估撞擊的作用效果。在多次撞擊策略下,研究了小行星受撞擊后的自轉(zhuǎn)變化。不同形狀小行星的撞擊結(jié)果顯示了多次撞擊對細(xì)長型小行星的消旋作用有明顯的效果,可應(yīng)用在如小行星采礦或重定向等探測任務(wù)中,這增加了動能撞擊法的應(yīng)用前景。通過不同孔隙率小行星的撞擊結(jié)果顯示了近乎垂直的撞擊對無孔隙的細(xì)長型小行星同時具有高效的軌道改變和自轉(zhuǎn)改變。研究時還考慮了小行星進(jìn)動旋轉(zhuǎn)的情況,并發(fā)現(xiàn)此時撞擊生成的微小撞擊坑對自轉(zhuǎn)狀態(tài)有較大的影響。考慮了使用撞擊直接將目標(biāo)破壞的撞擊場景,以細(xì)長型的小行星為撞擊目標(biāo),首次對一個自由體長桿橫向受撞擊后的斷裂及運(yùn)動情況展開了研究。同時提出了細(xì)長小行星撞擊斷裂的新的應(yīng)用場景,可以選擇撞擊位置使其斷裂為一個較小尺寸的碎片,然后進(jìn)行抓取采樣從而獲得大質(zhì)量的樣品。使用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了不同撞擊位置下不同撞擊速度的結(jié)果,然后采用標(biāo)度分析構(gòu)造了撞擊結(jié)果和撞擊條件之間的函數(shù)關(guān)系。最后使用數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果對標(biāo)度分析得到的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合,可用于對撞擊后碎片運(yùn)動情況的預(yù)測和分析,這在太陽系的撞擊演化中有著重要的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P185.7
【圖文】：

太陽系中軌道接近地球的小行星都統(tǒng)稱為近地小行星（ＮＥＡ），其軌道半長逡逑徑要小于１．３個天文單位（ＡＵ）。近地小行星按其軌道半長徑的大小可以分為四逡逑類：阿莫爾型、阿波羅型、阿登型和地內(nèi)型，詳細(xì)分類情況如圖１－１所示，可逡逑以看到和地球有撞擊威脅的小行星一般屬于阿波羅型和阿登型，這兩種類型逡逑數(shù)目占總數(shù)的近六成。那些對地球有撞擊威脅的小行星稱作潛在威脅小行星逡逑（ＰＨＡ），其劃分標(biāo)準(zhǔn)為：和地球的最小軌道交會距離（ＭＯＩＤ）小于０．０５邋ＡＵ（小行逡逑星和地球的撞擊只可能發(fā)生在軌道交點(diǎn)的位置），平均直徑大于１４０米（目前的逡逑觀測極限，對應(yīng)絕對星等Ｈ＜邋２２，反照率假設(shè)為１４％下的粗略估計(jì)值）。根據(jù)逡逑小天體中心（ＭＰＣ）在２０１９年３邋的發(fā)布數(shù)椐，丨丨前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了邋１９，７７７顆近地逡逑小行星，潛在威脅小行星（ＰＨＡ）有１９７４顆。逡逑地球上已經(jīng)存在的不少尺寸巨大的撞擊坑，這說明了地球以前已經(jīng)遭受逡逑

地內(nèi)型邐３４顆逡逑圖１－丨：近地小行星的軌道分類，表格內(nèi)的數(shù)據(jù)根據(jù)小行星中心（ＭＰＣ）在２０１９年３月份公逡逑布的數(shù)據(jù)十算而得，隨著發(fā)現(xiàn)數(shù)目的增多，會有變化。逡逑了很多較大尺寸的小行星的撞擊。大氣層上空每天也會有很多流星體在其中逡逑燃燒殆盡，這其中如果尺寸稍大未被大氣耗盡到達(dá)地面就會造成很大的安全逡逑隱患。Ｂｒｏｗｎ邋ｅｔａｌ．ｌ７］Ｓ計(jì)了地球和月球上撞擊事件，并結(jié)合威脅小行星的碰撞逡逑概率，估計(jì)了不同尺寸的小行星撞擊地球的頻率，如圖丨－２所示�？梢娦⌒行清义系淖矒羰录陌l(fā)生和其尺寸大小大概存在著冪指數(shù)分布關(guān)系，且尺寸越小的逡逑小行星撞擊地球的事件發(fā)生的越頻繁。另外小行星尺寸太小，很難精確測定逡逑其軌道，這對其撞擊預(yù)測也會產(chǎn)生較大偏差，更進(jìn)一步增加了其危險性。但逡逑是目前科學(xué)界對小行星撞擊地球存在周期性的觀點(diǎn)還存在一些爭議。Ｍｅｉｅｒ和逡逑Ｈｏｌｍ－Ａｌｗｍａｒｋ｜８］將地球上過去５億年內(nèi)形成的２６個隕石挽擊坑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)威脅天體，并對這些的天體的威脅性做出準(zhǔn)確的評估。目前已經(jīng)很多近地小逡逑行星觀測項(xiàng)目，在發(fā)現(xiàn)新的近地小行星的同時都把發(fā)現(xiàn)潛在威脅小行星作為逡逑重要目標(biāo)。圖１－４顯示了目前幾個主要的觀測項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)的近地小行星數(shù)目的對逡逑比。所有觀測并被驗(yàn)證的小天體的觀測資料都收錄在小天體中心（ＭＰＣ）的網(wǎng)逡逑站數(shù)據(jù)庫中（ｈｔｔｐ：邋／／ｗｗｗ．ｍｉｎｏｒｐｌａｎｅｔｃｅｎｔｅｒ．ｎｅｔ／）。ＭＰＣ由哈佛－史密松天體物逡逑理中心（ＳＡＯ）負(fù)責(zé)經(jīng)營，是小行星觀測網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)中心，負(fù)責(zé)收集、處理和逡逑

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本文編號：2800047