Denna rymdfarkost förbereds för ett enkelriktat uppdrag för att avleda en asteroid

APL tar emot DART-rymdfarkoststruktur

NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman





I ett rent rum i byggnad 23 vid Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) i Laurel, Maryland, spreds en rymdfarkost kallad DART ut som ett brutet, kubiskt ägg. Ett instrument som kallas en stjärnspårare – som, när DART väl är i rymden, ser vilken väg som är uppåt – monterades på kärnan, tillsammans med batterier och en mängd andra sensorer. Avioniksystemet, DART:s centrala dator, var framträdande fäst vid fyrkantiga, precisionsbearbetade paneler som kommer att bilda sidorna när rymdfarkosten väl är ihopfälld. Ledningar gick från datorn till radiosystemet som DART kommer att använda för att kommunicera med jorden. Gyroskop och antenner exponerades. I ett rum bredvid väntade ett experimentellt thrustersystem kallat NEXT-C på sin tur. Stora knippen av tjocka rankor insvepta i silverisolering hängde ner från rymdfarkosten och sprang längs golvet till kontrollrummet, där de kopplades till ett högt batteri av testbäddsdatorer som drivs av fyra ingenjörer.

En klocka över en av datorerna visade, Days to DART Launch: 350:08:33.

Den långsiktiga frågan

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2020



  • Se resten av frågan
  • Prenumerera

DART – Double Asteroid Redirection Test – är designad för att krascha in i en asteroid som heter Dimorphos. Nedslaget kommer att ändra Dimorphos hastighet med cirka en millimeter per sekund, eller en femhundradels mil per timme. Även om Dimorphos inte är på väg att kollidera med jorden, är DART avsedd att demonstrera förmågan att avleda en asteroid som den är går vår väg, om någon någonsin skulle bli upptäckt.

Sedan en sovjetisk sond som heter Luna 1 blev den första rymdfarkosten att fly jordens omloppsbana den 2 januari 1959, har mänskligheten skickat omkring 250 sonder in i solsystemet. DART är unik bland dem. Det är den första som siktar på att inte studera solsystemet, utan att förändra det.

År 1980 hade astronomer bestämt banorna för cirka 10 000 asteroider, inklusive 51 jordnära asteroider (tillsammans med 44 jordnära kometer). Idag har siffrorna svällt: Minor Planet Center håller reda på cirka 800 000 asteroider totalt, varav nästan 24 000 har banor som tar dem nära jorden. De allra flesta av dessa har upptäckts sedan 1998, när kongressen gav NASA 10 år på sig att identifiera varje jordnära objekt som är större än en kilometer (0,6 miles) i diameter. Tack vare statistiska analyser tror astronomer att de har hittat omkring 95 % av de stora jordnära asteroiderna, den typ som skulle förstöra civilisationen om de träffade vår planet.



DART Kontrollrums nedräkningsklocka

Lanseringens nedräkningsklocka på APL.

NASA/JOHNS HOPKINS APL/ED WHITMAN

Jorden flyttar avståndet till sin diameter var sjunde minut. Om ankomsttiden för ett inkommande objekt kan ändras med mer än cirka 10 minuter kommer det att sakna oss. (Detaljerna beror naturligtvis på den specifika banan; de extra tre minuterna är för att förklara effekten av jordens gravitationskraft.)

Didymos är ungefär en halv mil tvärs över. Dimorphos är cirka 500 fot i diameter - ungefär lika stor som en liten sportstadion. Ingen vet ännu hur det ser ut, eftersom det är för litet och långt borta för detaljerade observationer från teleskop på eller nära jorden. De två asteroiderna är ungefär en halv mil från varandra; Dimorphos kretsar runt den större asteroiden med en hastighet som är lägre än en persons gång.



År 2005 gav kongressen NASA nya order att katalogisera alla jordnära objekt över 140 meter (460 fot) i diameter – föremål vars påverkan skulle bli katastrofal snarare än apokalyptisk. Det arbetet fortsätter, och 2016 etablerade NASA Planetary Defense Coordination Office för att samordna de otaliga amerikanska och internationella organ som skulle mobiliseras om ett destruktivt föremål upptäcktes på väg mot vår väg. DART är gruppens första uppdrag.

Vi behöver inte vara offer för kosmos, säger Lindley Johnson, som leder kontoret. Om vi ​​ställs inför den situationen vill vi inte att den första verkliga användningen av asteroidavböjning ska vara något som måste lyckas. DARTs mål är tvåfaldigt: att bevisa att en rymdfarkost framgångsrikt kan träffa en asteroid, och att mäta effekterna av kollisionen.

Tidigare förslag föreställde sig att använda två fordon: ett för att göra kollidering och ett annat, skickat i förväg, för att titta på kollisionen och mäta dess effekter. Det verkade som det enda alternativet eftersom med en asteroid som färdades i 30 kilometer per sekund, skulle förändringen av hastigheten på millimeter per sekund orsakad av en kollision vara mycket svår att mäta med teleskop baserade på eller nära jorden. Men det här var dyrt: upp till 1 miljard dollar.



Sedan, i början av 2011, fick Andy Cheng, chefsforskaren som studerar planetariskt försvar vid Applied Physics Laboratory, en uppenbarelse. Istället för att skicka två rymdfarkoster skulle hans plan skicka en enda farkost att krascha in i en liten asteroid som kretsar kring en större. Astronomer kunde då använda ett smart knep för att mäta slagets kraft.

Var 12:e timme går det runt och runt, alltid likadant. Det vi gör med DART är att slå på klockan.'

Detta enklare uppdrag skulle bara kosta cirka 250 miljoner dollar – ett relativt fynd. Förändringen var avgörande för att få NASA att godkänna DART. Till slut bidrog den italienska rymdorganisationen med en rymdfarkost i skokartong som heter LICIACube till piggyback på DART, vilket kommer att hjälpa till med observationer utan att kostnaderna ökat avsevärt.

Chengs mål, Dimorphos, upptäcktes 2003 i omloppsbana kring en större asteroid. Efter upptäckten fick den större kroppen namnet Didymos, det grekiska ordet för tvilling. Dess måne fick sitt namn 2020. Sett från jorden passerar dess omloppsbana ibland framför och bakom Didymos, vilket delvis blockerar den större asteroiden vid varje varv. Med hjälp av markbaserade teleskop kan man göra en mycket exakt mätning av omloppsbanan genom att titta på fallen i ljus, säger Cheng. En liknande teknik används för att identifiera exoplaneter som kretsar kring avlägsna stjärnor.

Dimorphos omloppsbana runt Didymos är precis som en tickande klocka, säger Tom Statler, DART-uppdragets programforskare vid NASA:s högkvarter. Var 12:e timme går det runt och runt, alltid likadant. Det vi gör med DART är att slå på klockan. Allt astronomer behöver göra är att mäta hur snabbt klockan tickar före nedslaget, och sedan mäta det igen efteråt. De förväntar sig att omloppsperioden ändras med cirka 10 minuter, eller lite över 1%.

Detta är tillräckligt med information för att de ska kunna uppskatta den siffra som de bryr sig mest om: något som kallas impulsöverföringseffektiviteten, vanligtvis refererad till med den grekiska bokstaven β. Som namnet antyder är det ett mått på hur mycket av rymdfarkostens rörelsemängd som överförs till asteroiden (i motsats till, säg, att slå av stenar från den). Ju större β är, desto effektivare har DART varit för att ändra Dimorphos kurs.

Att fastställa β är viktigt eftersom vi för att skydda mot asteroidnedslag måste kunna förutsäga hur mycket man kommer att vika sig när en rymdfarkost träffar den. Som Cheng och medförfattare skrev i en artikel från 2020, är ​​bestämning av β från DART-mätningar och modellering ett kritiskt viktigt mål för planetariskt försvarsvetenskap.

Några antaganden kommer att gå in i DART-teamets beräkning av β. Grovt sett kommer de att uppskatta Dimorphos storlek genom att analysera bilder som DART och LICIACube kommer att ta. Den siffran, i kombination med en kvalificerad gissning på asteroidens densitet, ger dem en uppskattning av dess massa. Den där antal, kombinerat med observationer av förändringen i omloppsperiod, låter dem uppskatta β. (Det finns, ja, en hel del uppskattningar inblandade.)

DART Mission koncept

NASA:s Double Asteroid Redirection Test (DART) kommer att vara det första rymduppdraget någonsin designat för att testa planetarisk försvarsteknologi. DART kommer att ändra Dimorphos hastighet tillräckligt för att kunna mätas med jordbaserade teleskop. (Illustrationen är inte skalenlig.)

NASA/JOHNS HOPKINS APL

Inget av detta kommer dock att berätta för astronomerna varför β tog just det värdet för DART-Dimorphos-kollisionen. Asteroider är olika i storlek och sammansättning. Inte mycket är känt om deras interna struktur. Ingen vet säkert om DART kommer att göra en stor eller en liten krater. Vi förväntar oss att dessa faktorer är beroende av topografin där DART träffar, säger Andy Rivkin, som leder DART-vetenskapsteamet med Cheng.

Med andra ord: Kommer rymdfarkosten att träffa en sluttning eller plan mark? Kommer det att finnas stenblock? Hård eller mjuk rock? Grus? Smuts? Och som ett resultat, hur mycket ejecta kommer DART att skapa? Vilken riktning kommer det utkastet att gå och hur snabbt? Ejecta som flyger iväg i en riktning ger asteroiden en spark i motsatt riktning, så svaret påverkar det slutliga värdet på β.

Teamet planerar att jämföra data som DART samlar in med datorsimuleringar av liknande effekter. Detta kommer att göra det möjligt för dem att förbättra sina modeller, så att de bättre kan beräkna vilken typ av projektil som krävs för att avleda en framtida asteroid på väg mot jorden.

Att bygga en rymdfarkost är att testa en rymdfarkost. Att ta sig till rymden är dyrt; inrikta sig ännu mer på en avlägsen asteroid. Saker och ting måste fungera första gången.

En augustidag när jag besökte APL satt Rosanna Smith, DART:s framdrivningstestledare, i kontrollrummet och övervakade tester av rymdfarkostens hydrazinpropeller. Varje komponent hade redan testats – många gånger – individuellt. Nu testades de igen, som delar av en helhet. DART var ansluten till testbäddsdatorer som matade den med data, vilket fick dessa komponenter att bete sig som om de befann sig i rymden. Thrustrarna sköt inte, men rymdfarkostens flygelektronik svarade som om de hade gjort det. Om en anomali upptäcktes, förklarade Smith, skulle ingenjörerna sluta för att bedöma sonden. De kan klä på sig och gå in i rena rummet, fästa ett oscilloskop på rymdfarkosten och se vad som pågick.

Målet var att få data om DART:s baslinjeprestanda. Under de kommande veckorna planerade ingenjörer att utsätta rymdfarkosten för vibrationstester: skaka den våldsamt, fysiskt närma sig påfrestningarna från uppskjutnings- och flygmanövrar, för att se vad, om något, gick sönder. De planerade att placera rymdfarkosten i en termisk vakuumkammare för att simulera rymden och köra den genom varma och kalla cykler. Efter varje aktivitet utförde de dagens tester igen och jämförde resultaten med baslinjen för att se vad som gjorde och inte förändrades.

Vanligtvis kan det vara ett dussin personer i rummet som kör tester. Men, som mycket annat, har DARTs monteringsprocedurer förändrats som svar på pandemin. APL har installerat kameror i hela anläggningen. De som jobbar hemifrån kan ringa in för att se vad som händer. Deras röster dök upp från högtalarna, och ingenjörerna i rummet svarade nonchalant, som om de pratade med spöken.

Resan från jorden till Didymos tar 14 månader. DART kommer att starta på en Falcon 9-raket från Vandenberg Air Force Base på Kaliforniens kust, 130 miles nordväst om Los Angeles. Rymdfarkosten kommer att lyfta söderut och kommer att kretsa runt solen en gång innan de möter asteroiderna några veckor efter deras närmaste närmande till jorden, då Didymos och Dimorphos kommer att vara cirka 6,8 miljoner mil bort, cirka 30 gånger längre än månen. Banan utformades för att minimera energin som krävs för att skjuta upp DART, och för att tajma inslaget för en nära inflygning så att jordbaserade teleskop kan få sin bästa möjliga titt på kollisionen.

Men först måste DART hitta Didymos. Trettio dagar före nedslaget kommer rymdfarkosten att börja samla in optiska navigeringsbilder medan den närmar sig tvillingasteroiderna i nästan 15 000 miles per timme. Astronomer känner inte till asteroidernas banor med den precision som krävs för ett förprogrammerat nedslag, och de kommer fortfarande inte att göra det när ett system ombord som heter SMART Nav tar över. Uppdragsplanen kräver att DART inte ska träffa mer än 50 fot från den planerade målpunkten, men då kommer osäkerheten om Didymos bana fortfarande att vara i tusentals fot, och för den mycket mindre Dimorphos kommer den att vara ännu större.

Fyra timmar ut slår vi på SMART Nav, och den identifierar Didymos och börjar söka efter Dimorphos, som vi försöker träffa, säger Elena Adams, DART-uppdragets chefsingenjör. Det finns strålning i rymden och brus i detektorn, så algoritmerna jämför pixlar i dess synfält. En timme före nedslaget bör programvaran peka ut Dimorphos. Efter att den har hittat ut vilken pixel den vill ha, och att den är på rätt plats och att den är vettig, är det då den växlar från att rikta in sig på huvudasteroiden till att rikta in sig på dess måne, tillägger hon.

Även om astronomer visste positionen för Dimorphos med total noggrannhet, kunde DART inte förprogrammeras för att utföra den nödvändiga manövern med tillräcklig precision för att träffa den. Inga propellrar är någonsin perfekt inriktade, och ingen propellerprestanda är någonsin perfekt modellerad. För varje manöver behöver en rymdfarkost uppföljande korrigeringsmanövrar för att ta hänsyn till avvikelser. SMART Nav gör det självständigt. Dessutom kommer DART att använda sina propeller för att hålla sig pekade i rätt riktning; detta kommer att ändra sin bana med flera fot. Alla sådana avvikelser kommer att kontinuerligt utvärderas och korrigeras av SMART Nav under de sista timmarna före nedslaget. För typiska rymdskeppsmanövrar utförda av människor, i jämförelse, tar det vanligtvis timmar eller dagar att beräkna och utföra dem, och sedan bedöma prestanda för att utforma en korrigering. När SMART Nav gör banajusteringar håller rymdfarkostens solarrayer riktade mot solen och högförstärkningsantennen riktad mot jorden, och skickar tillbaka bilder av Didymos och Dimorphos ungefär varannan sekund. När rymdfarkosten närmar sig asteroiden kommer hydrazinpropellerna ofta att skjuta för att hålla målet inom kamerans smala synfält.

SMART Nav kommer att sluta utföra manövrar cirka två minuter före nedslaget, och rymdfarkosten kommer att glida in i asteroiden. Vi uppnår den erforderliga upplösningen av nedslagsplatsen cirka 20 sekunder före nedslaget och skickar den sista bilden till jorden inom de sista sju sekunderna av nedslaget, säger Adams. Och sedan — bom!

Kinetiska impactorer som DART är inte det enda sättet att avleda en inkommande asteroid. NASA har övervägt att detonera en kärnvapenbomb nära en asteroid för att avleda den. Detta frigör mycket mer energi för att trycka bort asteroiden men riskerar att splittra den till en massa mindre projektiler med oförutsägbara banor; vissa kan fortfarande träffa jorden. Andra alternativ inkluderar bogserbåtar, som skulle para sig med en asteroid och skjuta den ur kurs med långsam, jämn dragkraft eller traktorer med tyngdkraft, rymdfarkoster som skulle flyga nära en asteroid och, under loppet av år eller till och med årtionden, långsamt dra bort den från sin kollision naturligtvis genom sin egen gravitationskraft.

Båda dessa alternativ är mer tekniskt komplicerade än en kinetisk impactor som DART. Men DART testar också teknologier som kan tillämpas på efterföljande rymdfarkoster.

Till exempel kommer den att demonstrera den nya jonpropellern, NEXT-C. Detta är inte nödvändigt för DARTs uppdrag, som i första hand kommer att förlita sig på konventionella kemiska raketer. Men jonpropeller, som använder elektricitet för att generera fart, är mycket effektivare än sina kemiska motsvarigheter. Med några hundra pund drivmedel kan de åstadkomma vad som skulle ta tiotusentals pund kemiskt bränsle som hydrazin. Endast två rymdskepp – Deep Space One och Dawn – har använt jonpropeller i rymden, och NEXT-C är ungefär tre gånger kraftfullare än de på dessa uppdrag.

För att generera elektriciteten för att driva NEXT-C kommer DART också att använda en ny utrullbar solcellspanel som är lättare än konventionella hopfällbara solpaneler. Genom att ge blivande planetariska försvarare fler banor att välja mellan, skulle sofistikerade framdrivningssystem tillåta stötorgan att träffa inkommande asteroider i högre hastigheter.

illustration av rymdfarkosten DART

En återgivning av rymdfarkosten DART, med dess experimentella NEXT-C-jonmotoravfyrning.

NASA/JOHN HOPKINS APL

Ju tidigare man kan upptäcka en asteroid – eller annat föremål, som en komet – som är på väg mot jorden, desto lättare blir det att göra något åt ​​det. Nästan alla asteroider som kan utgöra ett hot mot livet på jorden på utrotningsnivå har redan hittats. Det här är enorma stenar som är flera kilometer i diameter, och ingen av de kända hotar mänskligheten på kort tid. (Chicxulub-nedslaget som ledde till utrotningen av dinosaurierna tros ha involverat ett föremål i storleksordningen 10 miles i diameter.) Men astronomer har inte hittat alla de mindre, men ändå farliga, asteroiderna – som meteoren som exploderade ovanför Chelyabinsk, Ryssland, 2013, med kraften från en medelstor kärnvapenbomb. Chelyabinsk-föremålet var cirka 20 meter i diameter; dess strejk krossade fönster för 200 kvadratkilometer mitt i vintern i ett tätbefolkat område. Sjuttonhundra personer skadades, de flesta av krossat glas.

För fyrtio år sedan visste vi inte om vi kunde utplånas av en gigantisk mördarasteroid en vecka från nästa tisdag. Den särskilda risken för okunnighet har tagits i pension, säger Statler, DART-programmets forskare. Men föremål som är mindre än 500 fot, ungefär lika stora som Dimorphos, är svåra för nuvarande observatorier, både markbaserade och satellitbaserade, att upptäcka. (En asteroid med en diameter på 500 fot skulle träffas med ungefär effekten av historiens största atombomb.) Just nu, säger Statler, har kanske en fjärdedel av det totala antalet potentiellt farliga små föremål identifierats. Om vi ​​inte vet var de är, säger han, så har vi inte förmågan att förutsäga när en påverkan kan inträffa och när vi kan behöva göra en avböjning.

En halv miljard dollar Near-Earth Object Surveillance Mission, ett orbitalt infrarött teleskop som finansieras av Planetary Defense Coordination Office, kommer att lanseras senare detta årtionde, och det borde hjälpa till att lösa det problemet. Eftersom den observerar i infraröda våglängder kommer den att ha en större förmåga än teleskop för synligt ljus att se mot solen. Den kommer att kunna upptäcka föremål som badar i solljus, och därmed inte är synliga för markbaserade teleskop. Dessutom kommer Vera Rubin-observatoriet, ett nytt teleskop som byggs i Chile, att söka efter farliga föremål med en 3 200 megapixelkamera, den största som någonsin använts inom astronomi. Vår förhoppning om ytterligare 20 år är att säga, 'Japp, vi har också tagit bort den risken, och vi vet vilka vi ska hålla ett öga på', säger Statler.

Ju snabbare ett inkommande föremål hittas, desto mindre kraftfull behöver en människokonstruerad impactor vara för att göra jobbet. Om en farlig asteroid eller komet upptäcks vid 11:e timmen kommer det att ta mycket mer energi att ändra dess kurs tillräckligt.

LICIACube kommer att separeras från ett fack ovanpå DART 10 dagar före nedslaget och installera sina egna små solpaneler. När den lilla kubsatsen hänger tillbaka för att titta, kommer DART att träffa Dimorphos.

Rymdfarkosten kommer sannolikt att krossas i mycket små bitar, några förvandlas till pulver. De flesta av dess rester kommer att sprängas ut igen som ejecta när kratern bildas. Det är möjligt att stora strukturella delar kan överleva, även om de kommer att begravas så djupt som 10 fot in i asteroiden. LICIACube kommer att observera plymen av utstötning när den kommer ut, och kommer också att fotografera Dimorphos bortre sida när den går förbi. Men det kommer inte att ha ett sätt att sakta ner – LICIACube kommer att fortsätta rusa förbi Dimorphos in i rymdens djup.

European Space Agency planerar ett uppdrag som heter Hera, som är planerat att lanseras 2024 och att återbesöka Dimorphos i början av 2027 för att ta mer exakta mätningar av dess massa, studera dess sammansättning och bestämma β med ännu större precision. Hera kommer att bära två egna kubsatser och kommer att resa runt i Didymos-Dimorphos-systemet under planerade tre till sex månader och samla in mycket mer data.

Om allt går bra kommer DART att lämna jorden i slutet av juli 2021. Den 30 september 2022 kommer den att upphöra att existera – år av ansträngningar från hundratals människor omvandlade till en knuff, den första i en ny era.

Dölj