空间中心科研人员揭示撞击器建模对动能撞击防御小行星动态响应仿真的影响

当前技术条件下，动能撞击被认为是偏转对地球存在潜在威胁小行星的最有效、可行的方式。动能撞击通常以航天器作为撞击器，以一定的角度高速撞击小行星，产生溅射物并改变小行星的动量，使小行星轨道产生偏转，从而远离地球。动能撞击任务效果受到小行星材料特性和撞击条件影响很大，由于动能撞击在轨试验难以遍历诸多参数且实施代价昂贵，目前人们多使用数值仿真模拟开展动能撞击响应研究。但是由于数值仿真模拟尺度和计算时间对分辨率的限制，目前动能撞击防御小行星仿真一般使用简化撞击器模型，往往无法准确再现真实撞击器内部结构带来的复杂撞击响应，影响对撞击试验效果的仿真评估。

近日，中国科学院复杂航天系统电子信息技术重点实验室的刘晏东博士（第一作者）、周琪博士（第二作者）和李明涛研究员（通讯作者），基于小行星防御试验任务需求，使用了对大变形、冲击载荷问题具有良好适应性的光滑粒子流体动力学（SPH）方法，研究了动能撞击防御小行星中不同撞击器建模方式对撞击响应仿真结果的影响。考虑6种不同的撞击器仿真建模方式（如图1），分析了以5 km/s撞击30 m直径单体岩石小行星时产生的撞击响应（如图2）。同时，小行星参数考虑了5类情况，分别为：高内聚力、高抗拉小行星（HC-HT）；高内聚力、中抗拉小行星（HC-MT）；高内聚力、中抗拉、孔隙小行星（HC-MT-P）；低内聚力、中抗拉、孔隙小行星（LC-MT-P）；低内聚力、低抗拉、孔隙小行星（LC-LT-P）。

图1各撞击器模型结构1/4剖视图（颜色代表材料密度）。

（a）i1.实心铝球；（b）i2.无孔隙低固体密度铝球、i3.无孔隙低体积密度铝球、i4.孔隙率63%铝球；（c）i5.孔隙率90%铝块；（d）i6.真实撞击器建模

图2撞击发生100 ms后小行星剖面损伤图。图中虚线为以逃逸速度确定最终的撞击坑形态。

研究发现，不同撞击器建模对动能撞击防御小行星的关键指标参数，即表征撞击效率的动量传递传递因子、撞击坑尺寸（如图3）、溅射物喷出锥角（如图4）和溅射物动量分布（如图5）上存在不可忽视的影响，各简化撞击器建模均无法得到完全接近真实撞击器的撞击响应结果。在关注特定撞击响应结果时，可选择误差较小的简化模型。

图3不同场景动量传递因子与撞击坑尺寸统计。对LC-LT-P的破碎场景仅统计损伤。（a）动量传递因子；（b）小行星损伤程度；（c）撞击坑直径；（d）撞击坑深度

图4溅射物喷出锥示意图与不同场景溅射物喷出锥角统计

图5立方体撞击器溅射物在撞击平面的投影和不同场景高于撞击面0.2 m和4m的溅射物动量方位角分布：极坐标半径代表当前方位角上溅射物z方向动量与所有方位角上溅射物z方向动量均值的比值。原球体外包络均被更换为立方体外包络，并后标“c”。

在动量传递因子和撞击坑尺寸方面，使用实心铝球和低堆积密度铝球作为简化撞击器相比真实撞击器建模可能会使动量传递因子和撞击坑尺寸明显偏高，而孔隙率90%铝块会使动量传递因子和撞击坑尺寸相对偏低。在考虑动量传递因子和撞击坑尺寸时，可以使用低固体密度铝球和孔隙率63%铝球作为简化撞击器建模。

在溅射物喷出角方面，实心铝球简化建模相比真实撞击器建模会使喷出锥角明显偏低，而低固体密度铝球简化建模会使喷出锥角明显偏高。低堆积密度铝球和孔隙率在63%~90%间铝球简化建模产生的溅射物喷出锥角则更接近真实撞击器。

在溅射物动量方位角分布方面，孔隙率90%铝块简化建模通常明显比孔隙率63%铝块简化建模更接近真实撞击器建模，但极高的孔隙率也导致其在小行星完全损伤的场景下出现了区别于真实撞击器建模的溅射物动量方位角分布。

考虑动能撞击防御小行星对动量增强因子的重视，推荐使用低固体密度铝球和孔隙率63%的铝球作为仿真中的简化撞击器建模，可以得到没有明显偏差的动量增强因子和撞击坑尺寸。如果还关注溅射物喷出锥角和动量的方位角分布，则仅推荐使用考虑外形的孔隙率63%及稍高孔隙率的铝材料作为简化撞击器建模，从而在保持仿真结果可信的条件下，数量级提升计算效率。

研究成果发表在冲击动力学领域学术期刊International Journal of Impact Engineering，可为优化撞击器建模选择提供仿真实验依据，并明确不同建模方式的适用场景与局限性。这项工作得到空间碎片与近地小行星防御科研专项支持。

论文链接：Liu Y D, Zhou Q, Li M T. Analysis of the impactor simulation modeling on the dynamic response of kinetic impact for asteroid defense. Int. J. Impact Eng., 2025, 204: 105393. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2025.105393.

（供稿：系统室）