Samma DART-rymdskeppsnedslag kan resultera i väldigt olika kratrar på Dimorphos beroende på hur asteroidmaterialet är. Kratern till vänster är resultatet om Dimorphos är sammansatt av starkt stenigt material, medan den mycket större kratern som visas till höger kan uppstå om Dimorphos består av mycket svagare grusliknande material. Kredit:Mike Owen/LLNL.
NASA:s Double Asteroid Redirection Test (DART) rymdfarkost kommer att krascha in i asteroiden Dimorphos den 26 september, och utföra det första asteroidavböjningstestet som har varit år i planeringen.
Dimorphos, med en diameter på 150 meter, är "månen" av ett binärt asteroidsystem, som kretsar kring den större följeasteroiden Didymos (800 meter). Rymdfarkostens fart på ~600 kg, som färdas med ~6 km/s, kommer att ge en liten förändring i hastighet till Dimorphos, som kommer att kunna detekteras från jordbaserade teleskop som en förändring i asteroidsystemets omloppsperiod.
Som en del av det här uppdraget har forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) bidragit med expertis inom multifysiksimulering till detta planetariska försvarsteknikdemouppdrag sedan 2014, och utvecklat nya metoder för att simulera omfånget av möjliga asteroidmål och för att modellera rymdfarkosten DART med högre trohet.
En ny artikel i The Planetary Science Journal , "Spacecraft Geometry Effects on Kinetic Impactor Missions", ledd av LLNL:s Mike Owen, utforskar konsekvenserna av att inkludera realistiska rymdskeppsgeometrier i multifysiska simuleringar.
Tidigare ansåg de flesta effektmodellerare idealiserade former för DART-rymdfarkosten, såsom en sfär, kub eller skiva. Att använda de detaljerade, datorstödda designmodellerna (CAD) som tillhandahålls av rymdfarkostingenjörer var inte en lättillgänglig förmåga för många nedslagskoder. Owen arbetade för att effektivisera processen i Spheral, en LLNL-baserad Adaptive Smoothed Particle Hydrodynamics (ASPH)-kod för vilken han skapade och fungerar som huvudutvecklare. Samarbetspartners över hela USA och internationellt arbetade också för att implementera CAD-baserade DART-geometrier, vilket gav kodjämförelser för både detaljerade och mer förenklade rymdskeppsgeometrier, som en del av studien.
"Under åren har många forskare lagt ner mycket arbete på att studera hur kinetiska impactorer som DART kan fungera om vi var tvungna att avleda en asteroid, med både numeriska modeller och laboratorieexperiment," sa Owen. "Nästan all den forskningen fokuserar på effekterna av hur olika egenskaper hos själva asteroiden kan påverka resultatet, men av alla okända i dessa scenarier är förmodligen den faktor vi vet mest om själva rymdskeppet, vilket vanligtvis uppskattas med hjälp av en enkel solid geometri som en solid kub eller sfär."
Owen sa att nu när ett levande fullskaligt experiment i DART-uppdraget genomförs, är det vettigt att titta på hur viktig den faktiska rymdfarkostens geometri som lanserades kan vara, särskilt med tanke på hur annorlunda rymdfarkosten ser ut jämfört med typiska förenklingar.
"Dessa realistiska modeller är mycket utmanande att installera och köra, och vi var tvungna att utveckla nya möjligheter i våra modelleringsverktyg för att kunna ta itu med det här problemet", tillade han.
Geometrin hos rymdfarkosten DART, som består av en central kropp i varuautomatstorlek (1,8 x 1,9 x 2,3 m) och två 8,5 m solpaneler, skapar ett mycket större "fotavtryck" än en solid sfär av aluminium med samma massa . Detta påverkar kraterprocessen och i slutändan det momentum som ges till asteroiden, vilket sänker den med ~25%. Även om detta är en mätbar effekt, kan osäkerheter i asteroidmålegenskaper ge ännu större förändringar i avböjningseffektivitet.
Men att modellera hela CAD-geometrin kräver vanligtvis finare upplösning och kan vara beräkningsmässigt dyrt. Owen utforskade också cylindrar av olika tjocklek och tresfäriska tillvägagångssätt till problemet, för att hitta en "mellanväg" som var lättare att simulera men som också betedde sig mer som den riktiga rymdfarkosten DART. En modell med tre sfärer kunde redogöra för det mesta av effekten av att använda full rymdskeppsgeometri. Denna tresfäriska förenkling gör att många fler modeller av DART-effekten, över olika koder och användare, kan köras exakt.
"Även om det kan tyckas intuitivt att en idealiserad sfärisk representation av DART skulle överskatta avböjningen, var det viktigt att kvantifiera denna effekt för att förstå begränsningarna hos tidigare tillvägagångssätt", säger Megan Bruck Syal, LLNL:s projektledare för planetariskt försvar. "Att genomföra den här studien var en viktig komponent i beredskapen för DART-experimentet och har omdefinierat bästa praxis för både LLNL och andra grupper för effektmodellering." + Utforska vidare
