跳转到主要内容

原始研究的文章

前面。空间抛光工艺。,23Nove米ber2022年
秒。空间机器人
<年代p一个n class="volumeInfo">卷3 - 2022 | https://doi.org/10.3389/frspt.2022.1017111

喷出物粒子的概率分析破坏性航天器操作在小行星后人工影响实验:隼鸟号2的科学操作安全研究

www.雷竞技rebatfrontiersin.org普Soldini<年代up>1*,www.雷竞技rebatfrontiersin.orgTakanao Saiki<年代up>2和<一个href="//www.thespel.com/people/u/1682940" class="user-id-1682940">www.雷竞技rebatfrontiersin.org祐一津田<年代up>2
  • 1机械、材料、航空航天工程、利物浦大学、英国利物浦
  • 2空间和宇宙科学研究所,JAXA Sagamihara,日本

2019年4月5日,第一次成功执行的隼鸟号2号人工影响实验在一个小行星。小手提撞击器(SCI)装置部署在海拔500 m以上Ryugu的表面。2公斤铜弹击中Ryugu表面在40分钟,造成人为的形成火山口直径14.5米。一旦科学部署、执行的隼鸟号2号为期两周的逃逸轨迹从Ryugu到达海拔120公里。然后回到飞船的名义位置在20公里的高度从悬停控制Ryugu(原位置)。这样做是为了防止喷出物颗粒严重损害航天器和影响其功能。在本文中,我们提出一个方法来预测每日的概率飞船损坏沿着选定的名义逃避轨迹由于人为形成的碎片云的影响。损伤分析的结果证实,所选择的逃避轨迹经历了少量的粒子碰撞设计下阈值,这就不会造成伤害。的确,都没有遭到破坏的隼鸟号2航天器和它保持正常运营SCI后操作。撞击后才给出的方法作为指导的任务预测和估计的概率损伤小天体附近的航天器或立方体卫星操作后发生了人工影响的实验。

1介绍

隼鸟号2的任务是日本样品和小行星Ryugu返回任务在2014年推出。Ryugu样本成功2020年12月6日返回地球。隼鸟号2任务现在已经扩展到达到新的目标,小行星1998 KY26, 2031年(<一个href="#B3">Hirabayashi et al ., 2021)。隼鸟号2是继任者JAXA针对Itokawa小行星“隼鸟号”探测器的任务。隼鸟号2飞船遇到Ryugu 2018年6月27日,紧随其后的是2月21日两次达阵<年代up>圣2019年7月11日,分别。隼鸟号2宇宙飞船成功地执行第一个人工影响小行星2019年4月5日(<一个href="#B1">荒川et al ., 2020)。在小行星附近操作期间,隼鸟号2号设置为一个基地的位置,位置(HP), 20公里以上面临的小行星sub-Earth方向。这种技术被成功使用的“隼鸟号”探测器,它被称为盘旋<一个href="#fn1">1。所有操作轨迹等联合演习、重力测量、某地上空观察,从惠普和成坑,触地得分后回到惠普位置每个任务操作(<一个href="#B20">津田et al ., 2013,<一个href="#B19">2020年;<一个href="#B11">saki et al ., 2022 b)。

隼鸟号2飞船是配备了一个小的随身撞击器(SCI),它形成了一个14.5米的火山口的抽样大小允许衬底小行星材料(<一个href="#B8">saki et al ., 2017,<一个href="#B9">2020年;<一个href="#B1">荒川et al ., 2020)。SCI是一个紧凑的动能撞击器释放沿着惠普轴,海拔500米的小行星表面来创建一个人工坑。的隼鸟号2实验中,飞船发布一个可部署的相机(DCAM3)观察事件的影响而母亲飞船飞走了惠普的位置被放置在一个安全的位置从小行星的喷出物。2 km / s的冲击速度所需的隼鸟号2火山口Ryugu任务(<一个href="#B8">saki et al ., 2017,<一个href="#B9">2020年;<一个href="#B10">2022年,一个)。在JAXA以前的工作表明,这颗小行星喷出物将两周后的着陆地点,因此允许惠普的隼鸟号2母亲飞船安全返回并继续安排任务操作(<一个href="#B5">松本et al ., 2011)。然而,碎片的小行星P / 2010 A2观察到罗塞塔飞船建议碎片是一个自然的结果与小行星碰撞事件发生在2009年(<一个href="#B13">史诺德et al ., 2010)。因此,尘粒的直径大于1毫米大小可以持续几个月或几年的小行星的轨道。Ryugu小行星是一个c -型小行星风化层材料组成的大型粒子在厘米直径。那些大型粒子构成巨大风险的隼鸟号2号(<一个href="#B6">迈克尔et al ., 2016)。

本文方法预测的概率损伤后飞船人工对小行星的影响。提出的半解析方法是基于之间制定一个两点边值问题的影响和航天器的位置预测的初始状态喷出物必须与航天器碰撞。这种方法允许一个人然后粒子拦截的可能性估计航天器和破坏性使用成坑模型。提出的方法可以快速评估的概率损伤后飞船人为影响和它被用作损害评估工具在隼鸟号2的任务操作。因此提出的方法用于评估风险对航天器的影响在接下来的任务操作事件的影响。小行星喷出物的命运在这里研究通过数值模拟从0.1到1厘米直径大小尘埃粒子。一个叫做goNEAR体高保真动态模型工具(<一个href="#B17">Soldini et al ., 2020 c;<一个href="#B16">b,<一个href="#B15">2022年)的小行星形状模型重力,其星历表,太阳辐射压力的加速度和太阳的影响,和行星的还有第三个物体考虑扰动。这样做是为了遵守与数值实验如果喷出物将与航天器碰撞。比例法和单一Al板损伤模型在这里加上一个两点边值问题的结果来评估损害的可能性。提出的方法可以适应人工影响的实验,例如,对于损坏的概率LICIACube (<一个href="#B2">Dotto et al ., 2021)来自美国宇航局的飞镖的影响(<一个href="#B7">Rivkin et al ., 2021)。

本文的组织结构如下:第二节提供了信息环境扰动粒子在重力Ryugu政权的经历。拟议的方法来评估的概率飞船损坏后人工影响小行星第三节所示。第四节提出了我们的分析结果的科学影响操作。最后,一个洞察喷出物的定性运动粒子周围的小行星Ryugu提出了第五节。

<一个id="h3" name="h3">

2环境扰动

喷出物的动态在弱引力场的小行星都受到环境扰动小行星的不规则形状和自旋率,太阳引力、太阳辐射压力。根据喷出物的高度,一些扰动比其他人更占主导地位。的Ryugu小行星,下面的势力范围计算后给出的定义<一个href="#B22">Yu et al。(2017):

•希尔领域(太阳能重力潮汐=小行星):

R 1 =<米年代ub> r 米 μ 一个 μ 太阳 1 /<米n> 3 =<米n> 110.8 k 米 (<米n> 1 )

•的势力范围(小行星引力是占主导地位的):

R 2 =<米年代ub> r 米 μ 一个 μ 太阳 2 /<米n> 5 =<米n> 6.3 k 米 (<米n> 2 )

•太阳重力=小行星引力:

R 3 =<米年代ub> r 米 μ 一个 μ 太阳 1 /<米n> 2 =<米n> 87.4 米 (<米n> 3 )

在哪里μ<年代ub>一个是这颗小行星的引力常数Ryugu (30 m<年代up>3/秒<年代up>2),μ<年代ub>太阳太阳的引力常数。<在line-formula id="inf1"> r 米 =<米root><米row> T o 2 μ 太阳 4 π 2 3 (平均半径,Ryugu圆轨道绕太阳的)。T<年代ub>o是轨道周期设置为1.3年,而吗r<年代ub>米= 1.78⋅10<年代up>8(公里)。

太阳辐射压力(SRP)摄动(一个<年代ub>srp尘粒)是由(<一个href="#B12">舍尔,2012):

一个 srp =<米o>−<米年代ub> C r P 0 一个 米 d −<米i mathvariant="bold-italic"> r |<米i mathvariant="bold-italic"> d −<米i mathvariant="bold-italic"> r | 3 ,<米年代p一个ce width="5em"> (<米n> 4 )

在哪里d和r是太阳的距离和灰尘的小行星,分别。太阳的压力,P<年代ub>0是10<年代up>8公斤公里<年代up>3年代<年代up>−2米<年代up>−2,反射系数C<年代ub>r的灰尘,定义为(1 +ρ),ρ反射率。一个和米是区域和球形尘埃颗粒的质量。在<一个href="#T1">表1,四个不同大小的尘粒被用来计算的势力范围的半径。上面半径,太阳辐射压力主导对小行星的引力。

表1
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

表1。影响太阳辐射压力加速Ryugu的影响范围。计算通过使用<一个href="#e4">方程式4,<一个href="#e5">5当SRP和太阳能潮汐是相等的。

这些势力范围的半径的值被发现的<一个href="#B22">Yu et al。(2017)。<一个href="#F1">图1显示了规范化太阳能潮(固体黑线)和SRP(虚线)缩放Ryugu的重力。图片在对数刻度和统一的水平线(dash-dot线)代表了扰动的情况下等于小行星的引力。十字路口之间的虚线和实线酉水平线给人的价值考虑扰动的影响半径。的四个半径影响归纳了四个尺寸的粒子<一个href="#T1">表1,而十字路口实线和水平线代表希尔领域(R<年代ub>1以前计算的)<一个href="#e1">情商。。

图1
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图1。太阳辐射压力(虚线)四粒子直径(0.1毫米,1毫米,1厘米,0.1米)和太阳能潮汐(黑线)缩放Ryugu的重力。这张照片是计算后完成的<一个href="#B22">Yu et al。(2017)用于Ryugu情况。

在这种情况下,我们还添加第三个身体微扰的太阳,一个<年代ub>年代(<一个href="#B12">舍尔,2012):

一个 年代 =<米o>−<米年代ub> μ 太阳 Δ |<米i mathvariant="bold"> Δ | 3 −<米fr一个c> r |<米i mathvariant="bold-italic"> r | 3 ,<米年代p一个ce width="5em"> (<米n> 5 )

在这里,μ<年代ub>太阳太阳的质量参数,Δ太阳和尘埃粒子之间的距离,然后呢r是小行星的尘埃颗粒的距离。<一个href="#F2">图2显示了行星的第三体扰动(<一个href="#F2">图2一个)和潮汐(<一个href="#F2">图2 b隼鸟号2任务期间)。可以看到,太阳是主要的扰动对其他行星”。

图2
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图2。对数scaleof还有第三个物体的加速度(一)和缩放行星潮汐(B)。传奇:太阳(黑色虚线),地球(蓝圈)、火星(红色星星),木星(灰色星号),水星(布朗穿过),金星(黄色方块),土星(绿色三角形),天王星(粉红色钻石),海王星(浅蓝色恒星)和冥王星(紫卦)。这些情节已经计算参考<一个href="#B22">Yu et al。(2017)。

图2表明影响时,金星的潮汐是相同的顺序的显性效应的木星。我们的分析包括所有行星潮汐的影响,太阳的潮汐,太阳辐射压力加速度。

<一个id="h4" name="h4">

3的方法

在本节中,我们目前使用的方法在SCI操作期间估计潜在损失的隼鸟号2飞船。我们开始与知识的预期SCI 300°的位置的影响在经度和纬度不到20°。所示的预测位置分散<一个href="#F3">图3在绿色。

图3
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图3。通过蒙特卡罗分析预测位置分散(<一个href="#B8">saki et al ., 2017,<一个href="#B9">2020年)。

之间的首次解决两点边值问题的位置SCI影响和隼鸟号2航天器的位置沿逃逸轨迹。因此,我们可以计算出射血速度火山口网站,一个粒子会影响航天器。此外,我们可以计算出粒子的速度可能达到宇宙飞船和评估预测损失。<一个href="#F4">图4显示了一个示意图表示的问题。考虑到当地地平线平面(LH)在浅蓝色,喷射速度的方向(V<年代ub>0、蓝色<一个href="#F4">图4)是表示方位的(α<年代ub>0、绿色<一个href="#F4">图4)和高程(δ<年代ub>0、红<一个href="#F4">图4)。红色虚线轨迹代表优化后的解决方案。

图4
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图4。两点边值问题公式化的示意图表示物体固定参考坐标系的坐标。

两点边值问题(TPBVP)类似于兰伯特的问题。然而,在我们的研究中,考虑环境扰动的影响。下面的步骤是:

•的飞行时间(ToF)上Ryugu SCI影响点的初始位置,以及航天器的位置的最终位置沿逃逸轨迹保持固定的。area-to-mass比率的喷出物粒子和它的反射系数,C<年代ub>r也使固定;

•提出单一射击方法需要一个颂歌集成的喷出物速度猜测SCI的影响(V<年代ub>0在<一个href="#F4">图4)表示为三个角的函数,它是由:

V 0 =<米fenced open="{" close="}"> V 0 ⁡<米i> 因为 δ 0 ⁡<米i> 因为 α 0 V 0 ⁡<米i> 因为 δ 0 ⁡<米i> 罪 α 0 V 0 ⁡<米i> 罪 δ 0 ,<米年代p一个ce width="5em"> (<米n> 6 )

与V<年代ub>0=V<年代ub>马克斯(1 +罪x<年代ub>0),V<年代ub>马克斯设置为2.5公里/秒。goNEAR n体行星传播算子是使用(<一个href="#B17">Soldini et al ., 2020 c;<一个href="#B16">b,<一个href="#B15">2022年),而且考虑了行星的潮汐,太阳的潮汐,多面体小行星的引力模型,和太阳辐射压力加速度。

•优化问题需要减少粒子的位置之间的误差距离的集成(t<年代ub>f),飞船在一个固定位置的位置沿逃逸轨迹。因此,成本函数如下:

最小值 α 0 ,<米年代ub> δ 0 ,<米年代ub> x 0 为<米年代ub> r H Y 2 −<米年代ub> r e j t f 为<米o>。<米年代p一个ce width="5em"> (<米n> 7 )

在<一个href="#e7">7情商。,r<年代ub>沪元2隼鸟号2的位置矢量沿逃逸轨迹,固定的,是哪一个r<年代ub>ej(t<年代ub>f)的最终位置喷出物粒子的集成。给出了边界条件为0°<α<年代ub>0< 360°、90°−<δ<年代ub>0< 90°和90°−<x<年代ub>0< 0°。注意,这里的优化问题是减少找到三个角,α<年代ub>0(平面角度或方位),δ<年代ub>0(角度或高程平面外),x<年代ub>0(如。V=V<年代ub>马克斯与x<年代ub>0= 0°)。

图5显示了一个示例解决方案的提出当TPBVP喷出物粒子的大小从1毫米到10厘米直径不同的ToF。反射系数(C<年代ub>r)的粒子被认为是1.1。我们选择的时间间隔1天预测的概率喷出物的隼鸟号2飞船。虽然TPBVP)提供了一个可能的轨迹之间的影响和宇宙飞船,有必要现在尘埃粒子的概率计算在特定的方位(被驱逐α<年代ub>0)和高程(δ<年代ub>0)。更多细节的隼鸟号2的逃逸轨迹,请参考<一个href="#B8">saki et al . (2017,<一个href="#B9">2020)。

图5
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图5。解决方案为TPBVP粒子直径大小的范围1 mm-10厘米(ToF灰色轨迹)设置为1(一),2(B)3(C)4(D),5(E)和6(F)沿着隼鸟号2天后SCI影响逃逸轨迹(黑色)C<年代ub>r设置为1.1。

图6显示配置文件的位置在SCI的喷出物逃逸速度的影响,相对ejecta-spacecraft仰角,影响速度的函数的尘埃颗粒大小的解决方案<一个href="#F5">图5。浅蓝色曲线代表的解决方案在不同ToF(1、2、3、4、5和6天后SCI的影响)。所有上面的计算解决方案的逃逸速度为0.38 m / s的理论价值一个质点的重力模型<在line-formula id="inf2"> (<米row> 2 μ 一个 /<米年代ub> r 一个 ) 2所示<一个href="#F6">图6(黑色虚线)。<一个href="#F6">图6 b显示了仰角与理论值相比比例法则的火山口模型(黑色虚线)(<一个href="#B21">和田,k . et al ., 2021;<一个href="#B1">荒川et al ., 2020)。这强调,虽然我们发现潜在的轨迹之间的SCI影响和隼鸟号2的位置解决TPBVP飞船,并不是所有的解决方案时可能发现匹配坑模型理论(<一个href="#B21">和田,k . et al ., 2021;<一个href="#B1">荒川et al ., 2020)。因此,我们现在评估粒子数的概率被驱逐在一个特定的方位和仰角。因此,概率密度函数假设以下影响:

P t =<米年代ubsup> ∫ t t +<米i mathvariant="normal"> Δ t N ><米年代ub> r e j P α P δ d t ,<米年代p一个ce width="5em"> (<米n> 8 )

在哪里N(>r<年代ub>ej)的幂律分布喷射颗粒大小r<年代ub>ej喷出物的半径。P<年代ub>α和P<年代ub>δ粒子的密度函数被逐出陨石坑在一个特定的方位,α海拔高度,δ,分别。幂律分布的喷出物粒子大小是由(<一个href="#B4">Holsapple Housen, 2007;<一个href="#B22">Yu et al ., 2017;<一个href="#B21">和田,k . et al ., 2021):

N ><米年代ub> r e j =<米年代up> r 马克斯 r e j 2 米 e j 2 米 马克斯 ,<米年代p一个ce width="5em"> (<米n> 9 )

在哪里r<年代ub>ej球形粉尘粒子的半径,米<年代ub>ej的总质量喷射粒子,r<年代ub>马克斯是最大的粒子半径设置为10厘米米<年代ub>马克斯的质量是一个粒子半径10厘米,约8公斤(<一个href="#B21">和田,k . et al ., 2021)。粒子的总质量从火山口喷射,米<年代ub>ej计算来近似球体的体积限制:

V 帽 =<米i> π h R 火山口 2 +<米fr一个c> h 2 3 3 ,<米年代p一个ce width="5em"> (<米n> 10 )

在哪里h帽的高度,R<年代ub>火山口帽的半径,它对应于估计陨石坑的直径的一半。在这里,我们研究了两种极端情况下20米和8米的火山口(实际坑大小(<一个href="#B1">荒川et al ., 2020)]。最后,计算总质量米<年代ub>ej=V<年代ub>帽ρ<年代ub>ej喷出物的密度,ρ<年代ub>ej,等于2.5克/厘米<年代up>3。<一个href="#F7">图7节目中给出的幂律分布<一个href="#e9">Eq。9作为粒子的半径的函数。

图6
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图6。TPBVP灵敏度分析粉尘直径的函数(轴)和ToF(蓝色曲线)的解决方案<一个href="#F5">图5:(一)。喷出物逃逸速度比逃避理论值为0.38 m / s(B)。仰角名义量表相比法律45°角。(C)。之间的相对影响速度喷出物粒子和ToF的隼鸟号2号。

图7
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图7。幂律分布的喷射粒子大小(<一个href="#B4">Holsapple Housen, 2007;<一个href="#B22">Yu et al ., 2017;<一个href="#B21">和田,k . et al ., 2021)。

给定一个预定义的逃脱的隼鸟号2航天器的轨道,制定TPBVP允许我们获得确定的轨迹飞行的粒子SCI Ryugu表面的碰撞点到一个特定的位置沿隼鸟号2的逃逸轨迹。这使我们能够精确地估计粒子的弹射速度和冲击速度的隼鸟号2号无论地形条件。TPBVP的解决方案允许我们确定损伤的影响的估计速度的影响。然后进行灵敏度分析作为粒子大小的函数。概率很大程度取决于地形条件,它为我们提供了一个估计的粒子数量会影响航天器。这里,名义上的对称的坑,喷出物锥假定作为粒子数的第一个近似,可以拦截宇宙飞船。注意,人工火山口形成Ryugu没有发现对称由于岩石的存在(<一个href="#B21">和田,k . et al ., 2021)。因此,这意味着沿方位角的概率并不均匀,某些方位角度不太可能导致粒子的弹射。然而,这种评估的最重要的一点是建立量化的损伤效应直接作为解决TPBVP虽然地形条件影响粒子的总数的估计航天器拦截。在这种情况下,TPBVP表明,粒子的速度会影响航天器设计极限内的地形条件不影响估计伤害而是拦截飞船的粒子数。对称陨石坑的选择模型是由这些分析在SCI进行操作,它提供了一个初始估计。我们现在可以计算粒子的比例将达到宇宙飞船离开Ryugu表面时在一个特定的方位方向,α。因此,密度函数是由:

P α =<米fr一个c> θ 2 π ,<米年代p一个ce width="5em"> (<米n> 11 )

的角θ所示<一个href="#F8">图8。<一个href="#F8">图8在蓝色显示了火山口直径D和θ计算,了解SCI的隼鸟号2号的距离影响点,D<年代ub>沪元2和L的距离SCI影响网站和隼鸟号2飞船和飞船8 m截面,分别。粒子的分数能达到宇宙飞船从一个特定的垂直方向δ是由:

P δ =<米n> 1 −<米fenced open="(" close=")"> P δ 的意思是 +<米i mathvariant="normal"> Δ δ −<米i> P δ 的意思是 −<米i mathvariant="normal"> Δ δ ,<米年代p一个ce width="5em"> (<米n> 12 )

P是累积分布函数,δ<年代ub>的意思是= 45°,Δδ之间的区别是在垂直方向中值(δ<年代ub>的意思是)和粒子的速度(V<年代ub>0)计算TPBVP和1σ= 10%δ<年代ub>的意思是鉴于从喷出物模型的影响(<一个href="#B4">Holsapple Housen, 2007;<一个href="#B21">和田,k . et al ., 2021;<一个href="#B1">荒川et al ., 2020)。<一个href="#F9">图9显示了当地地平线x - y平面中的速度分布的函数高程。当地层平面定义为所示<一个href="#F4">图4(浅蓝色的飞机)。<一个href="#e12">方程12被用来获取<一个href="#F9">图9图中,每个点代表一个方向V<年代ub>0。

图8
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图8。一小部分估计的粒子碰撞的隼鸟号2号离开SCI影响网站时在一个特定的方位。

图9
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图9。概率分布的喷出物在垂直方向速度。

图10显示了x - y当地地平线的喷出物速度平面上,<在line-formula id="inf3"> V 0 x y TPBVP方法计算的函数ToF(天之后的影响,<一个href="#F10">数字10 f)和喷出物直径大小(彩条<一个href="#F10">图10)。<一个href="#F10">图10显示解决方案从TPBVP效果粒子可以找到影响后第一天,虽然厘米见方粒子能够拦截飞船后,从第二天的影响。也是有趣的注意方位(x - y平面角当地地平线飞机在浅蓝色<一个href="#F4">图4)改变显示6天ToF喷出物粒子共享相同的方位。<一个href="#F11">图11显示了P<年代ub>δ计算在<一个href="#e12">Eq。12中所示的解决方案<一个href="#F10">图10。这表明粒子效果可能与航天器碰撞后的头3天影响而厘米见方粒子更容易与航天器碰撞后的第四天SCI的影响。每个相关的颜色直方图<一个href="#F11">图11影响比赛的日子了<一个href="#F6">图6。

图10
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图10。弹射速度为1的函数(一),2(B)3(C)4(D),5(E)和6(F)天后SCI和喷出物粒子大小的影响。

图11
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图11。喷出物的分布概率的速度垂直方向的函数1(一),2(B)3(C)4(D),5(E)和6(F)天后SCI和喷出物粒子大小的影响。直方图的颜色对应的影响<一个href="#F6">图6。

我们现在想要评估损害的概率(<一个href="#B18">Wijker 2008)根据相对ejecta-spacecraft飞船影响速度和影响的概率。因此,这里的目标厚度方程使用(<一个href="#B18">Wijker 2008):

t =<米年代ub> K 1 米 p 0.352 v p 0.875 ρ p 1 6 ,<米年代p一个ce width="5em"> (<米n> 13 )

在哪里米<年代ub>p是入射粒子质量(g),在我们的案例中,一个球形喷出物粒子,然后呢v<年代ub>p的相对影响速度喷出物在隼鸟号2号(与TPBVP)计算,<一个href="#F6">图6 c)。K<年代ub>1目标材料的常数,假定为0.55铝面板的飞船,ρ<年代ub>p是密度(克/厘米<年代up>3喷出物的假定为2.5克/厘米<年代up>3。的公式<一个href="#e13">Eq。13让我们来计算厚度阈值,t,一个盘子里。艾尔一板的可接受的渗透阈值为0.289毫米,避免永久性的伤害。

<一个id="h5" name="h5">

4损害结果的概率

在本节中,两个尺寸的火山口被认为分别为20米和8米。TPBVP结果用于计算每天多少粒子碰撞的隼鸟号2号也渗透了的厚度<一个href="#e13">Eq。13是评估估计可能的损失。<一个href="#T2">表2,<一个href="#T3">3显示每日预报概率的粒子数与航天器碰撞(N /天)<一个href="#e8">情商。。这个分析是通过不同直径大小的喷出物粒子0.1到10厘米。TPBVP解决计算碰撞速度的隼鸟号2 (HY2)航天器允许计算渗透的厚度,t (<一个href="#e13">Eq。13)。失踪的N /天列解决方案意味着缺乏事件发生的概率。的确,只有0.1厘米大小的粒子会影响航天器SCI后第一天(2019年4月6日)的影响。第二天(2019年4月7日)和3(2019年4月8日)是最有可能的天喷出物粒子与航天器碰撞。然而,厚度的普及率远低于0.289毫米的损伤阈值为20米和8 m坑大小。<一个href="#F12">图12显示20米的概率(N /天<一个href="#F12">图12)和8米(<一个href="#F12">图12 b分别)陨石坑。我们可以因此得出结论,隼鸟号2逃避轨迹是一个安全的策略,以避免喷出物粒子产生的科学的影响。当粒子的效果可能与航天器碰撞影响2 - 3天后,厘米见方粒子可以与航天器碰撞后第四天(2019年4月9日),导致没有预期的损失。粒子的整体分数与航天器碰撞是微不足道,尽管一小部分可能与航天器碰撞,碰撞速度下铝面板设计阈值。

表2
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

表2。粒子数的概率(N),预计每天碰撞的隼鸟号2号:结果20米的火山口。

表3
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

表3。粒子数的概率(N),预计每天碰撞的隼鸟号2号:结果为8米的火山口。

图12
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图12。每日的预测数量的粒子碰撞的概率的隼鸟号2号坑大小20米(一)和8米(B)。

5希尔的问题

到目前为止,我们已经表明,喷出物粒子SCI的影响不能破坏宇宙飞船而逃逸轨迹在SCI后操作。然而,它是有用的影响来说明SRP和颗粒大小影响定性的一个粒子的运动。在<一个href="#B14">Soldini et al。(2020),扩展法律首先被用作猜直接集成在一个n体喷出物窗帘的行星模型(goNEAR工具)。在这项研究中,我们发现厘米见方的粒子可以在轨道上停留几周。因此,我们有兴趣评估定性与喷出物粒子的运动速度接近理论逃脱38厘米/秒的价值。此外,两个接地操作也导致腾飞喷出物粒子Ryugu的表面。在本节中,我们提供一个定性见解山上的势力范围的边界运动,称为零速度曲线(ZVCs),可以快速可视化。希尔的Sun-Ryugu photogravitational问题是这里认为太阳和Ryugu的引力被建模为一个质点,SRP的影响考虑(<一个href="#B17">Soldini et al ., 2020 c)。问题的哈密顿自然允许定义一个运动积分(雅可比常数),因此,给定一个初始状态的粒子,它的运动可能是有界的值根据其相应的雅可比常数。希尔的问题是在旋转坐标系中定义与系统集中在Ryugu和太阳与Ryugu坐标x分享一个固定的距离<在line-formula id="inf4"> <0和y = z = 0。<一个href="#F13">图13显示的情况下ZVC 10厘米大小的粒子弹射速度时,V<年代ub>0是不同的15至70厘米/秒。白色区域代表一个地区喷出物粒子的运动是可能的在绿色区域运动的所谓的禁区。ZVC是曲线的绿色和白色区域分开。所示<一个href="#F13">图13,射血速度低于30 cm / s意味着粒子不能逃避Ryugu的势力范围(即。re-impact表面或保持在轨道上)。40 cm / s以上,粒子是免费的逃避Ryugu。35厘米/秒的情况下仍能提供长期轨道运动由于帽山球体的形状。通过增加V<年代ub>0,ZVC倾向于向太阳靠近,Ryugu距离达到1400公里的喷出物70厘米/秒的速度。因此,可以利用这一定性信息选择一个安全的位置将影响航天器。事实上,喷出物的速度低于40 cm / s,将允许轻松地坐落在宇宙飞船安全区域远离任何碎片如果定位在禁止区域(绿色地区<一个href="#F13">图13)。相反,喷出物的速度高于40 cm / s,禁止区域的高度达到100公里以上的距离是最大距离的隼鸟号2号已经从Ryugu操作。的情况下禁止在高海拔地区,最好的方法是将宇宙飞船背后的小行星来保护它喷出物,作为隼鸟号是2号。

图13
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图13。零10厘米的速度曲线粒子与弹射速度增加15 cm / s(一)70厘米/秒(B)。的数据(ⅰ)显示了一个弹出的变化速度。

图14显示的比较ZVC 1毫米大小的粒子,1厘米,10厘米(数据列)和喷出物的速度30岁,35岁,40岁和45 cm / s(数据行)。效果粒子很容易逃脱而厘米见方粒子需要更高的弹射速度快。而喷出物粒子不太可能影响航天器沿逃逸轨迹在SCI操作期间,我们这里提出定性Ryugu周围有界粒子运动的场景。说,禁止区域代表一个潜在的安全空间飞船被放置在影响。然而,预计不同大小的颗粒和喷出物的速度起飞的影响,因此很难定义一个禁区,适用于所有的案例分析。有利的选择是将宇宙飞船在屏蔽位置背后的小行星本身的理由SCI后的隼鸟号2的逃逸轨迹的影响。然而,这些因素使我们能够识别粒子大小和喷出物的速度可能构成宇宙飞船的长期风险。情况下,粒子的运动是有界或quasi-bounded小行星,它不能逃脱了这颗小行星的引力,所以可能会长期呆在绕它所示<一个href="#F13">图13模拟和<一个href="#F14">图14 b-f。

图14
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图14。零1毫米的喷出物粒子的速度曲线(一个、D、G J)1厘米(B、E、H, K)和10厘米(L C、F、我)数据的大小(列)喷出物速度的函数(数据行)。

6结论

在这篇文章中,一个两点边值问题,提出了从科学计算弹射速度影响网站速度和相对ejecta-spacecraft影响。概率粒子被驱逐的具体方位和仰角也考虑到火山口缩放后的法律。这种方法允许预测粒子的数量每天都可能发生碰撞的隼鸟号2号在其逃逸轨迹。目标厚度方程为单个Al板被用来推断SCI影响不构成威胁的隼鸟号2飞船。最后,一个洞察喷出物的定性运动粒子周围Ryugu也提出了。这里提出的方法可以很容易地适应人工影响的实验,例如损坏的概率LICIACube来自美国宇航局的飞镖的影响。

<一个id="h8" name="h8">

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。

<一个id="h9" name="h9">

作者的贡献

党卫军了对整个方法,分析和结果而TS和刘日东贡献了在方法部分。

<一个id="h10" name="h10">

确认

党卫军要感谢Koji和田博士从PERC提供扩展法对SCI的参数的影响。

<一个id="h11" name="h11">

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

<一个id="h12" name="h12">

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

<一个id="h13" name="h13">

脚注

1航天器轨道的小行星。

2r<年代ub>一个相当于小行星的半径范围。

<一个id="h14" name="h14">

引用

荒川,M。saki, T。和田,K。,Ogawa, K., Kadono, T., Shirai, K., et al. (2020). An artificial impact on the asteroid (162173) ryugu formed a crater in the gravity-dominated regime.科学368年,67 - 71。doi: 10.1126 / science.aaz1701

《公共医学图书馆摘要》|<一个href="https://doi.org/10.1126/science.aaz1701">CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=An+artificial+impact+on+the+asteroid+(162173)+ryugu+formed+a+crater+in+the+gravity-dominated+regime&btnG=">谷歌学术搜索

Dotto E。,Della Corte, V., Amoroso, M., Bertini, I., Brucato, J., Capannolo, A., et al. (2021). Liciacube - the light Italian cubesat for imaging of asteroids in support of the nasa dart mission towards asteroid (65803) didymos.星球。空间科学。199年,105185年。doi: 10.1016 / j.pss.2021.105185

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Liciacube+-+the+light+Italian+cubesat+for+imaging+of+asteroids+in+support+of+the+nasa+dart+mission+towards+asteroid+(65803)+didymos&btnG=">谷歌学术搜索

Hirabayashi, M。Mimasu, Y。,Sakatani, N., Watanabe, S., Tsuda, Y., Saiki, T., et al. (2021). Hayabusa2 extended mission: New voyage to rendezvous with a small asteroid rotating with a short period.Re年代放置空间。68年,1533 - 1555。doi: 10.1016 / j.asr.2021.03.030

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Hayabusa2+extended+mission:+New+voyage+to+rendezvous+with+a+small+asteroid+rotating+with+a+short+period&btnG=">谷歌学术搜索

Holsapple, k。,和Housen, K. R. (2007). a crater and its ejecta: An interpretation of deep impact.伊卡洛斯187年,586 - 597。doi: 10.1016 / j.icarus.2006.08.035

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=a+crater+and+its+ejecta:+An+interpretation+of+deep+impact&btnG=">谷歌学术搜索

松本,J。saki, T。津田,Y。,和K一个waguchi, J. (2011). Numerical analysis of particle distribution with collisions around an asteroid.一个年代trodyn。计算机协会。

谷歌学术搜索

迈克尔,P。程,。,Küppers, M., Pravec, P., Blum, J., Delbo, M., et al. (2016). Science case for the asteroid impact mission (aim): A component of the asteroid impact & deflection assessment (aida) mission.Re年代放置空间。57岁,2529 - 2547。doi: 10.1016 / j.asr.2016.03.031

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Science+case+for+the+asteroid+impact+mission+(aim):+A+component+of+the+asteroid+impact+&+deflection+assessment+(aida)+mission&btnG=">谷歌学术搜索

Rivkin, a S。,Ch一个bot,N。L., Stickle, A. M., Thomas, C. A., Richardson, D. C., Barnouin, O., et al. (2021). The double asteroid redirection test (DART): Planetary defense investigations and requirements.星球。科学。J。2、173。doi: 10.3847 / psj / ac063e

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=The+double+asteroid+redirection+test+(DART):+Planetary+defense+investigations+and+requirements&btnG=">谷歌学术搜索

saki, T。,Imamura, H., Arakawa, M., Wada, K., Takagi, Y., Hayakawa, M., et al. (2017). The small carry-on impactor (sci) and the hayabusa2 impact experiment.空间科学。牧师。208年,165 - 186。doi: 10.1007 / s11214 - 016 - 0297 - 5

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=The+small+carry-on+impactor+(sci)+and+the+hayabusa2+impact+experiment&btnG=">谷歌学术搜索

saki, T。,米imasu, Y., Takei, Y., Yamada, M., Sawada, H., Ogawa, K., et al. (2020). Motion reconstruction of the small carry-on impactor aboard hayabusa2.一个年代trodyn。4,289- 308。doi: 10.1007 / s42064 - 020 - 0077 - 6

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Motion+reconstruction+of+the+small+carry-on+impactor+aboard+hayabusa2&btnG=">谷歌学术搜索

saki, T。,Sawada, H., Ogawa, K., Mimasu, Y., Takei, Y., Arakawa, M., et al. (2022a). “Chapter 15 - hayabusa2’s kinetic impact experiment,” inH一个y一个busa2小行星样本返回任务。编辑m . Hirabayashi和y津田(荷兰:<年代p一个n class="publisher-name">爱思唯尔),291 - 312。doi: 10.1016 / b978 - 0 - 323 - 99731 - 7.00015 - 5所示

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Chapter+15+-+hayabusa2’s+kinetic+impact+experiment&btnG=">谷歌学术搜索

saki, T。,T一个kei, Y., Fujii, A., Kikuchi, S., Terui, F., Mimasu, Y., et al. (2022b). “Chapter 7 - overview of the hayabusa2 asteroid proximity operations,” inH一个y一个busa2小行星样本返回任务。编辑m . Hirabayashi和y津田(荷兰:<年代p一个n class="publisher-name">爱思唯尔),113 - 136。doi: 10.1016 / b978 - 0 - 323 - 99731 - 7.00007 - 6

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Chapter+7+-+overview+of+the+hayabusa2+asteroid+proximity+operations&btnG=">谷歌学术搜索

舍尔,d . j . (2012)。轨道运动的强烈扰动环境。纽约:<年代p一个n class="publisher-name">施普林格。

谷歌学术搜索

史诺德,C。Tubiana C。,V在cent, J.-B., Sierks, H., Hviid, S., Moissl, R., et al. (2010). A collision in 2009 as the origin of the debris trail of asteroid P/2010 A2.自然467年,814 - 816。doi: 10.1038 / nature09453

《公共医学图书馆摘要》|<一个href="https://doi.org/10.1038/nature09453">CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=A+collision+in+2009+as+the+origin+of+the+debris+trail+of+asteroid+P/2010+A2&btnG=">谷歌学术搜索

Soldini, S。,T一个k一个nao, S., Ikeda, H., Wada, K., Yuichi, T., Hirata, N., et al. (2020a). A generalised methodology for analytic construction of 1:1 resonances around irregular bodies: Application to the asteroid ryugu’s ejecta dynamics.星球。空间科学。180年,104740年。doi: 10.1016 / j.pss.2019.104740

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=A+generalised+methodology+for+analytic+construction+of+1:1+resonances+around+irregular+bodies:+Application+to+the+asteroid+ryugu’s+ejecta+dynamics&btnG=">谷歌学术搜索

Soldini, S。,T一个keuchi, H., Taniguchi, S., Kikuchi, S., Takei, Y., Ono, G., et al. (2022). “Chapter 13 - superior solar conjunction phase: Design and operations,” inH一个y一个busa2小行星样本返回任务。编辑m . Hirabayashi和y津田(荷兰:<年代p一个n class="publisher-name">爱思唯尔),241 - 257。doi: 10.1016 / b978 - 0 - 323 - 99731 - 7.00013 - 1

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Chapter+13+-+superior+solar+conjunction+phase:+Design+and+operations&btnG=">谷歌学术搜索

Soldini, S。,T一个keuchi, H., Taniguchi, S., Kikuchi, S., Takei, Y., Ono, G., et al. (2020b). Hayabusa2’s superior solar conjunction mission operations: Planning and post-operation results.一个年代trodyn。4,265- 288。doi: 10.1007 / s42064 - 020 - 0076 - 7

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Hayabusa2’s+superior+solar+conjunction+mission+operations:+Planning+and+post-operation+results&btnG=">谷歌学术搜索

Soldini, S。,Y一个米一个guchi, T., Tsuda, Y., Saiki, T., and Nakazawa, S. (2020c). Hayabusa2’s superior solar conjunction phase: Trajectory design, guidance and navigation.空间科学。牧师。216年,108年。doi: 10.1007 / s11214 - 020 - 00731 - 5

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Hayabusa2’s+superior+solar+conjunction+phase:+Trajectory+design,+guidance+and+navigation&btnG=">谷歌学术搜索

津田,Y。,saki, T。,Terui, F., Nakazawa, S., Yoshikawa, M., and ichiro Watanabe, S. (2020). Hayabusa2 mission status: Landing, roving and cratering on asteroid ryugu.《宇航员。171年,42-54。doi: 10.1016 / j.actaastro.2020.02.035

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Hayabusa2+mission+status:+Landing,+roving+and+cratering+on+asteroid+ryugu&btnG=">谷歌学术搜索

津田,Y。,Yo年代hikawa, M., Abe, M., Minamino, H., and Nakazawa, S. (2013). System design of the Hayabusa 2 - asteroid sample return mission to 1999 JU3.《宇航员。91年,356 - 362。doi: 10.1016 / j.actaastro.2013.06.028

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=System+design+of+the+Hayabusa+2+-+asteroid+sample+return+mission+to+1999+JU3&btnG=">谷歌学术搜索

和田,K。,Ishibashi, K., Kimura, H., Arakawa, M., Sawada, H., Ogawa, K., et al. (2021). Size of particles ejected from an artificial impact crater on asteroid 162173 ryugu.阿斯特朗。12,54。647年,A43。0004 - 6361/202039777 doi: 10.1051 /

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Size+of+particles+ejected+from+an+artificial+impact+crater+on+asteroid+162173+ryugu&btnG=">谷歌学术搜索

Wijker, j。j (2008)。损害spaceraft meteroids和obital碎片。Spacecr。结构体。,Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg,299- 411。doi: 10.1007 / 978 - 3 - 540 - 75553 - 1 - _27

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Damage+to+spaceraft+by+meteroids+and+obital+debris&btnG=">谷歌学术搜索

Yu Y。,米ichel, P., Schwartz, S. R., Naidu, S. P., and Benner, L. A. (2017). Ejecta cloud from the aida space project kinetic impact on the secondary of a binary asteroid: I. Mechanical environment and dynamical model.伊卡洛斯282年,313 - 325。doi: 10.1016 / j.icarus.2016.09.008

CrossRef全文|<一个href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=Ejecta+cloud+from+the+aida+space+project+kinetic+impact+on+the+secondary+of+a+binary+asteroid:+I.+Mechanical+environment+and+dynamical+model&btnG=">谷歌学术搜索

关键词:人工影响,小行星,飞船碎片伤害,喷出物粒子,两点边值问题,行星防御

<年代p一个n>引用:Soldini年代,Saiki T和津田Y(2022)喷出物粒子的概率分析破坏性航天器操作在小行星后人工影响实验:隼鸟号2的科学操作安全研究。前面。空间抛光工艺。3:1017111。doi: 10.3389 / frspt.2022.1017111

收到:2022年8月11日;<年代p一个n>接受:2022年10月26日;
<年代p一个n>发表:2022年11月23日。

编辑:

<一个href="https://loop.frontiersin.org/people/1629016/overview">现任吴澳大利亚,悉尼大学

审核:

<一个href="https://loop.frontiersin.org/people/1003832/overview">海滨唐北京航空航天大学,中国
<一个href="https://loop.frontiersin.org/people/2017586/overview">迈克尔Bazzocchi美国克拉克森大学

版权©2022 Soldini Saiki和津田。这是一个开放分布式根据文章<一个rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" target="_blank">知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。

<年代p一个n>*通信:普Soldini,<一个href="mailto:stefania.soldini@liverpool.ac.uk">stefania.soldini@liverpool.ac.uk
下载