Kürzlich stürzte die Raumsonde DART (Double Asteroid Redirection Test) der NASA mit 6,6 km/s gegen einen 170 m hohen Asteroiden Dimorphos, als erste Demonstration im Orbit, bei der ein Asteroid durch kinetischen Aufprall abgelenkt wurde. Das DART-Raumschiff sollte fast frontal auf das Zentrum von Dimorphos aufprallen. Teleskope auf der Erde haben nun bestätigt, dass der Einschlag die Umlaufzeit von Dimorphos erfolgreich um 32 Minuten verändert hat, viel mehr als erwartet.
Aber wo sollten wir einen Asteroiden treffen, um seine Umlaufbahn am effektivsten abzulenken? Einfach in Richtung Zentrum des Asteroiden? Diese Fragen müssen noch gut untersucht werden.
In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift für Führung, Kontrolle und Dynamikhaben Forscher der Tsinghua-Universität eine optimale kinetische Aufprallgeometrie vorgeschlagen, um die effektive Größe der kinetischen Aufprallablenkung zu verbessern, was unser Verständnis dafür fördern sollte, wie man einen kinetischen Impaktor voll ausnutzt und die besten Ergebnisse erzielt. Sie fanden heraus, dass ein gut konzipierter außermittiger Aufprall die Ablenkeffizienz im Vergleich zu dem von der DART-Mission verwendeten zentralen Aufprall um über 50 % zu erhöhen schien.
Ihre Arbeit zeigt ein überraschendes Ergebnis, dass, egal wie der Ziel-Asteroid aussieht oder in welche Richtung/Einschlagsrichtung, die Geschwindigkeitsänderung des Asteroiden immer auf einem einzigartigen Hodographen lokalisiert ist, der nur durch die Materialeigenschaften des Asteroiden bestimmt wird. Sie nennen es den Delta-v-Hodographen.
„Der Delta-v-Hodograph ist eigentlich eine Verzerrung einer idealen Kugeloberfläche. Und die Bestimmung eines realistischen Profils erfordert die Quantifizierung der Wirkung von Aufprallwinkeln auf die Impulsübertragungseffizienz, die aus hydrodynamischen Simulationen von schrägen Aufprallen berechnet werden kann“, erklärten die Forscher .
Mit numerischen Simulationen wird der einzigartige Hodograph erhalten und angewendet, um den Ort oder die Richtung des Aufpralls zu optimieren, wobei sowohl die Umlaufbahngeometrie als auch die Asteroidenformen berücksichtigt werden. Bei Bennu-ähnlichen nahezu kugelförmigen Asteroiden ist der gewünschte Impuls empfindlich gegenüber Aufprallstellen, und die optimale Aufprallgeometrie weicht bei einigen Orbitalgeometrien vom normalen zentralen Aufprall auf die vordere Seite ab, insbesondere bei größeren Orbitalgeometriewinkeln.
Die effektive Auslenkung wird beim Auftreffen auf die optimale Stelle im Vergleich zu einem einfachen zentrierten Aufprall um bis zu 50 % erhöht.
Bei Itokawa-ähnlichen langgestreckten Asteroiden bestimmt die Einschlagsrichtung die Verteilung des auf dem Hodographen eingestellten Delta-v und damit die optimale Rotationsphase für den Einschlag. Eine Vorzugsrichtung kann die endgültige Auslenkstrecke sogar um 100 % gegenüber dem Wert für eine ungünstige Richtung erhöhen.
„Diese Arbeit präsentiert eine einfache und innovative Anwendung des Delta-v-Hodographen auf das optimale Geometriedesign bei kinetischen Auslenkungen von PHAs als Verbindung von Hypergeschwindigkeitsaufprall und langfristiger Orbitaldynamik“, sagten die Forscher. „Die vorgeschlagene Optimierungsmethode sollte beim globalen Flugbahndesign zukünftiger Asteroiden-Ablenkungsmissionen berücksichtigt werden, bei denen die erwartete Ablenkungsentfernung nicht nur von der Orbitalgeometrie, sondern auch von der Aufprallgeometrie bestimmt wird.“
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Yifei Jiao et al, Optimal Kinetic-Impact Geometry for Asteroid Deflection Exploiting Delta-V Hodograph, Zeitschrift für Führung, Kontrolle und Dynamik (2022). DOI: 10.2514/1.G006876