Afslører rumfartøjsgeometriske effekter på nedslagssimuleringer til NASAs DART-mission

NASA's Double Asteroid Redirection Test (DART) rumfartøj vil styrte ind i asteroiden Dimorphos den 26. september, og udføre den første asteroide-afbøjningstest, der har været år i planlægningen.

Dimorphos, på 150 meter på tværs, er "måneletten" af et binært asteroidesystem, der kredser om den større ledsagende asteroide, Didymos (800 meter). Momentumet af det ~600 kg rumfartøj, der rejser med ~6 km/s, vil levere en lille ændring i hastigheden til Dimorphos, som vil kunne detekteres fra jordbaserede teleskoper som en ændring i asteroidesystemets omløbsperiode.

Som en del af denne mission har forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) bidraget med multifysisk simuleringsekspertise til denne planetariske forsvarsteknologi-demo-mission siden 2014 og udviklet nye metoder til at simulere rækken af ​​mulige asteroidemål og modellere DART-rumfartøjet med højere troskab.

En ny artikel i The Planetary Science Journal , "Spacecraft Geometry Effects on Kinetic Impactor Missions," ledet af LLNL's Mike Owen, udforsker konsekvenserne af at inkludere realistiske rumfartøjsgeometrier i multifysiske simuleringer.

Tidligere overvejede de fleste effektmodelbyggere idealiserede former for DART-rumfartøjet, såsom en kugle, terning eller disk. Brug af de detaljerede, computerstøttede design (CAD) modeller leveret af rumfartøjsingeniører var ikke en let tilgængelig mulighed for mange nedslagskoder. Owen arbejdede på at strømline processen i Spheral, en LLNL-baseret Adaptive Smoothed Particle Hydrodynamics (ASPH) kode, som han skabte og fungerer som hovedudvikler for. Samarbejdspartnere på tværs af USA og internationalt arbejdede også på at implementere CAD-baserede DART-geometrier, der leverede kodesammenligninger for både de detaljerede og mere forenklede rumfartøjsgeometrier, som en del af undersøgelsen.

"I årenes løb har mange forskere lagt meget arbejde i at studere, hvordan kinetiske impactorer som DART kunne fungere, hvis vi var nødt til at omdirigere en asteroide ved at bruge både numeriske modeller og laboratorieeksperimenter," sagde Owen. "Næsten al den forskning fokuserer på virkningerne af, hvordan forskellige egenskaber ved selve asteroiden kan påvirke resultatet, men af ​​alle de ukendte i disse scenarier er sandsynligvis den ene faktor, vi ved mest om, selve rumfartøjet, som generelt er tilnærmet vha. en simpel solid geometri som en solid terning eller kugle."

Owen sagde, at nu hvor et levende fuldskala-eksperiment i DART-missionen udføres, giver det mening at se på, hvor vigtig den faktiske rumfartøjsgeometri, der blev opsendt, kan være, især i betragtning af hvor anderledes rumfartøjet ser ud sammenlignet med typiske forenklinger.

"Disse realistiske modeller er meget udfordrende at sætte op og køre, og vi var nødt til at udvikle nye muligheder i vores modelleringsværktøjer for at kunne tackle dette problem," tilføjede han.

DART-rumfartøjets geometri, som består af en central krop på størrelse med en salgsautomat (1,8 x 1,9 x 2,3 m) og to 8,5 m solpaneler, skaber et meget større "fodaftryk" end en solid kugle af aluminium med samme masse . Dette påvirker kraterprocessen og i sidste ende det momentum, som asteroiden giver, og sænker den med ~25%. Selvom dette er en målbar effekt, kan usikkerheder i asteroidemålegenskaber frembringe endnu større ændringer i afbøjningseffektiviteten.

Modellering af den fulde CAD-geometri kræver dog typisk finere opløsning og kan være beregningsmæssigt dyrt. Owen undersøgte også cylindre af forskellig tykkelse og tre-kugle-tilgange til problemet for at finde en "mellemvej", der var lettere at simulere, men som også opførte sig mere som det rigtige DART-rumfartøj. En tre-sfære model var i stand til at redegøre for det meste af effekten af ​​at bruge fuld rumfartøjs geometri. Denne tre-sfære forenkling gør det muligt at køre mange flere modeller af DART-effekten på tværs af forskellige koder og brugere nøjagtigt.

"Selvom det kan virke intuitivt, at en idealiseret sfærisk repræsentation af DART ville overvurdere afbøjningen, var det vigtigt at kvantificere denne effekt for at forstå begrænsningerne ved tidligere tilgange," sagde Megan Bruck Syal, LLNL's projektleder for planetarisk forsvar. "At udføre denne undersøgelse var en væsentlig komponent i beredskabet til DART-eksperimentet og har omdefineret bedste praksis for både LLNL og andre effektmodelleringsgrupper." + Udforsk yderligere

DART retter sig mod asteroidemål