太空碎片清理技巧:利用月球引力

本博客最终图片中的冲击点文本已更新。正如博客中正确指出的，正确的撞击地点是北纬4.58度，西经129.06度。

抬头看!2022年3月4日中午时分，在英国格林威治，长征三号丙火箭的第三阶段撞上了月球。Ansys使用Ansys Systems Tool Kit (STK)和Ansys轨道测定工具包(ODTK)．我们要感谢Bill Gray(在ProjectPluto网站)和世界上无数其他自由分享光学跟踪数据的独立天文学家，以及Tom Johnson在ExaResearch感谢他协助研制轨道测定方案。

背景介绍:2014年10月23日，中国国家航天局(CNSA)在西昌卫星发射中心发射了嫦娥5-T1飞船，搭载长征三号c火箭，绕月自由返回轨道。该任务最终成为嫦娥五号任务的试验台，嫦娥五号任务是2020年的月球样本返回任务。测试任务宣布成功，服务舱至今仍在运行。

碰撞的过程

随着发射的完成，第三级几乎被遗忘了。它的最终轨道足够高，不存在与地球轨道卫星相撞的风险，而且人们认为，这个2800公斤重的空助推器将永远在其轨道上运行。然而，天文学家很快就发现了它，最初认为它是一颗小行星。一旦物体被确认是人造的，它就是人造的错误的认为作为猎鹰9号的第二级，从2015年1月美国国家海洋和大气管理局的DSCOVR航天器发射。为了以防万一，一小群天文学家一直在密切关注它，多年来断断续续地观察它。

然后在2022年2月12日，这些科学家意识到轨道与DSCOVR的轨道不一致。美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的乔恩·乔治尼(Jon Giorgini)向格雷指出，DSCOVR在前往日地L1点的途中从未经过月球。相反，对象的顺月轨迹匹配嫦娥5-T1任务的第三阶段。正确的鉴定结果很快就公布在了冥王星项目的网站上。

下面的图显示了助推器在地球上空高度的演变，以及代表跟踪测量时间的点。为了响应格雷提供数据的呼吁，以证实早期关于月球潜在影响的估计，从2022年开始，观测频率增加了。

在发射和几次无害的月球飞行几年后，轨道发生了变化。一系列的三次飞掠为助推器的最终消亡奠定了基础。这些飞掠发生在2021年9月18日;2022年1月5日;2022年2月5日。Ansys的轨道确定方案揭示了飞掠对助推器半长轴和倾角的影响，如下图所示。

一月份的飞掠是最重要的一次，它显著地改变了助推器轨道的半长轴、偏心率和倾角。在最接近月球的时候，助推器距离月球表面不到1.2万公里。我们计算出，1月份的飞越给助推器带来的等效δ - v速度接近每秒640米。在2月5日的第三次重力辅助之后，助推器的下一次也是最后一次月球遭遇将导致与月球表面的撞击。

初始轨道解

配备了世界各地天文学家收集和发表的测量数据，我们使用ODTK及其最佳顺序过滤器来处理赤经和赤纬测量，并验证格雷的结论，即助推器会撞击月球。这个轨道解决方案包括从2021年9月初到2022年1月20日的测量，并涵盖了两次月球飞越。赤经和赤纬测量残差图如下图所示。残差代表轨道解预测助推器的位置与光学观测中测量到的助推器位置之间的差异。轨道解预测与光学观测要有良好的一致性，才能保证预测的可信度。

我们的轨道解的位置不确定性，包括截至1月20日的所有跟踪测量，如下图所示。虽然最初的不确定性很高，但随着2022年1月飞掠后收集的更多观测数据，我们对我们的解决方案更有信心。

有了这些数据，我们传播了我们的轨道确定解决方案，以可视化STK中助推器的协方差椭球。助推器的翻滚导致太阳辐射压力撞击助推器的阳光侧引起的时变力，并为其身体上的力的精确模型引入了新的复杂性。

考虑到地球，月球和太阳的所有力量，我们的初始模型表明，助推器将在2022年3月4日大约12:27:46 UTC以2.6公里/秒的速度在大型赫茨普龙陨石坑附近撞击月球。赫茨普龙位于月球的远端，这意味着我们无法从地球上观察到碰撞。利用STK的Astrogator功能来传播我们的轨道解决方案，并采用“地形以上零高度”的停止条件，我们最初预测撞击地点约为4.41°N, 131.19°W4.41°N, 131.19°w。然而，故事并没有就此结束。

改进我们的解决方案

利用初始解的结果，我们在获得新的跟踪数据时增加了对撞击位置和时间的信心。从2022年2月5日至9日，天文学家再次观测了助推器，以收集更多数据。我们用这些数据来重新启动我们的过滤器，并产生一个精确的轨道解决方案，在撞击条件下有很小的不确定性。测量总结和改进的滤波残差和位置不确定度图如下所示。

根据这些新处理的数据，我们发现助推器将于2022年3月4日12:26:58 UTC在北纬4.58°，西经129.06°撞击月球。这使我们的撞击时间改变了大约一分钟，并使撞击地点的预测离赫茨普龙陨石坑的中心更近了250多公里。直到2022年2月5日，当获得新的跟踪数据时，我们的原始轨道解的预测与我们的新轨道解是相同的。此时，由于测量信息的注入，新解的协方差减小，但更新后的位置不确定性椭球包含在先前解的位置不确定性中。初始解决方案和改进解决方案之间的统计一致性对于初始解决方案具有现实的协方差是必要的，并且使我们对更新解决方案的现实性和相关的不确定性有信心。由于助推器的照明条件，光学望远镜将无法在撞击前再次对助推器成像。这意味着改进的解决方案将提供我们对助推器最终着陆位置的最佳估计。

现在该做什么?

虽然我们无法实时看到撞击，但绕月球运行的卫星可以看到后果。特别是，美国宇航局的月球勘测轨道器(LRO)和印度空间研究组织的月船2号(Chandrayaan-2)可以识别出助推器撞击产生的新陨石坑。两颗卫星都有机载摄像机，能够对预测的坠毁地点进行成像。

为了预测这些卫星何时将有第一次机会拍摄该地点，我们将星历数据加载到STK中，并确定每颗卫星下一次在太阳照射下经过赫茨普龙的时间。我们使用了JPL为LRO发布的已知星历表，但由于预测有限，我们不得不用Astrogator模拟月船2号的未来轨道。根据2022年2月23日的预测状态向量，我们使用Astrogator将ISRO的卫星向前传播，包括预期的空间站保持。

根据这些轨道，我们预计LRO在撞击后第一次通过阳光普照的赫茨普龙陨石坑将在2022年3月28日，而月船2号的第一次通过将在2022年4月4日不久之后。等待仪器的可用性和一点点运气，我们可以瞥见助推器的残余物。此外，撞击坑可能会暴露出一些新的月球地壳，以便这些卫星进行成像，由此产生的数据可能对地质学家研究月球具有科学价值。利用STK的光电红外(EOIR)能力，我们可以用公开可用的技术规格对LRO的广角相机进行建模，并创建3月底它可能看到的渲染图。

这次撞击不会对在月球表面执行的任务构成威胁，包括历史上的阿波罗着陆点和其他月球探测地点。然而，随着人类希望在重返月球的过程中更多地利用地月空间，国际社会需要更多地认识到跟踪碎片并在可能的情况下妥善处理它们。如果没有业余天文学家的辛勤工作来关注这个助推器，它与月球的碰撞很可能完全不会被人注意到。地月空间引入了许多复杂的多体物理，我们可以利用这一点来开发新的轨迹并提供精确的轨道确定解决方案。Ansys是提供仿真工具的先驱，可以利用这些工具来满足这种需求-以及更多。

了解更多关于Ansys STK和Ansys ODTK可以帮助你确定轨道和月球任务在我们的任务页面．