NASA's Double Asteroid Redirection Test (DART) ruimtevaartuig zal op 26 september neerstorten op asteroïde Dimorphos en de eerste asteroïde-afbuigingstest uitvoeren die al jaren in de planning staat.

Dimorphos, met een doorsnede van 150 meter, is de "maanlet" van een binair asteroïdesysteem, dat in een baan rond de grotere begeleidende asteroïde Didymos (800 meter) draait. Het momentum van het ruimtevaartuig van ~600 kg, dat met een snelheid van ~6 km/sec reist, zal een kleine verandering in snelheid opleveren voor Dimorphos, die met telescopen op aarde detecteerbaar zal zijn als een verandering in de omlooptijd van het asteroïdesysteem.

Als onderdeel van deze missie dragen onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) sinds 2014 multifysische simulatie-expertise bij aan deze planetaire defensie-tech-demo-missie, waarbij ze nieuwe methoden ontwikkelen om het bereik van mogelijke asteroïde doelen te simuleren en het DART-ruimtevaartuig te modelleren met hogere betrouwbaarheid.

Een nieuw artikel in The Planetary Science Journal , "Spacecraft Geometry Effects on Kinetic Impactor Missions", geleid door Mike Owen van LLNL, onderzoekt de gevolgen voor het opnemen van realistische ruimtevaartuiggeometrieën in multifysische simulaties.

Voorheen beschouwden de meeste impactmodelleurs geïdealiseerde vormen voor het DART-ruimtevaartuig, zoals een bol, kubus of schijf. Het gebruik van de gedetailleerde CAD-modellen (computer-aided design) van ruimtevaartuigingenieurs was voor veel impactcodes niet direct beschikbaar. Owen werkte aan het stroomlijnen van het proces in Spheral, een op LLNL gebaseerde Adaptive Smoothed Particle Hydrodynamics (ASPH)-code waarvoor hij de hoofdontwikkelaar heeft gemaakt en fungeert. Medewerkers in de VS en internationaal werkten ook aan de implementatie van CAD-gebaseerde DART-geometrieën, waardoor codevergelijkingen werden geboden voor zowel de gedetailleerde als de meer vereenvoudigde geometrieën van ruimtevaartuigen, als onderdeel van het onderzoek.

"In de loop der jaren hebben veel onderzoekers veel werk gestoken in het bestuderen van hoe kinetische impactoren zoals DART zouden kunnen presteren als we een asteroïde moesten omleiden, met behulp van zowel numerieke modellen als laboratoriumexperimenten," zei Owen. "Bijna al dat onderzoek richt zich op de effecten van hoe verschillende eigenschappen van de asteroïde zelf de uitkomst kunnen beïnvloeden, maar van alle onbekenden in deze scenario's is waarschijnlijk de enige factor waar we het meest over weten het ruimtevaartuig zelf, dat over het algemeen wordt benaderd met behulp van een eenvoudige solide geometrie zoals een massieve kubus of bol."

Owen zei dat nu een live-experiment op volledige schaal in de DART-missie wordt uitgevoerd, het logisch is om te kijken naar hoe belangrijk de daadwerkelijke ruimtevaartuiggeometrie die werd gelanceerd, zou kunnen zijn, vooral gezien hoe anders het ruimtevaartuig eruitziet in vergelijking met typische vereenvoudigingen.

"Deze realistische modellen zijn zeer uitdagend om op te zetten en uit te voeren, en we moesten nieuwe mogelijkheden in onze modelleringstools ontwikkelen om dit probleem aan te pakken," voegde hij eraan toe.

De geometrie van het DART-ruimtevaartuig, dat bestaat uit een centraal lichaam ter grootte van een automaat (1,8 x 1,9 x 2,3 m) en twee zonnepanelen van 8,5 m, creëert een veel grotere "voetafdruk" dan een massieve bol van aluminium met dezelfde massa . Dit beïnvloedt het kraterproces en uiteindelijk het momentum dat aan de asteroïde wordt gegeven, waardoor deze met ~ 25% wordt verlaagd. Hoewel dit een meetbaar effect is, kunnen onzekerheden in de eigenschappen van asteroïden tot nog grotere veranderingen in de afbuigingseffectiviteit leiden.

Het modelleren van de volledige CAD-geometrie vereist echter doorgaans een fijnere resolutie en kan rekenkundig duur zijn. Owen onderzocht ook cilinders van verschillende diktes en benaderingen met drie bollen voor het probleem, om een ​​"middenweg" te vinden die gemakkelijker te simuleren was, maar zich ook meer gedroeg als het echte DART-ruimtevaartuig. Een model met drie bollen was in staat om het grootste deel van het effect van het gebruik van volledige ruimtevaartuiggeometrie te verklaren. Dankzij deze vereenvoudiging met drie sferen kunnen veel meer modellen van de DART-impact, voor verschillende codes en gebruikers, nauwkeurig worden uitgevoerd.

"Hoewel het intuïtief lijkt dat een geïdealiseerde bolvormige weergave van DART de doorbuiging zou overschatten, was het kwantificeren van dit effect belangrijk om de beperkingen van eerdere benaderingen te begrijpen", zegt Megan Bruck Syal, projectleider planetaire verdediging van LLNL. "Het uitvoeren van deze studie was een essentieel onderdeel van de voorbereiding op het DART-experiment en heeft de beste werkwijzen voor zowel LLNL als andere groepen voor impactmodellering opnieuw gedefinieerd." + Verder verkennen

DART richt zicht op asteroïde doel