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“中国复眼”:深空雷达探测面临的挑战与机遇


  来源: 高科技与产业化 时间:2023-05-10 编辑:仪器仪表WXF
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“中国复眼”是由北京理工大学牵头,在重庆谋划建设的深空探测雷达,它是世界首部具备三维成像和形变监测的深空雷达。完全建成后探测距离可达1.5亿公里,能看到亿万公里以外、仅有足球大小的小行星运行轨迹。


龙腾

中国工程院院士、雷达信息处理专家,主要从事空天雷达信息处理的基础科学研究


服务重大需求 支撑前沿研究


实际上地球处于被小行星包围的密网之中,小行星对地球生命的进程具有重大影响,比如现在较为公认的恐龙灭绝原因是由小行星所造成。现在已发现2000多颗具有潜在威胁的小行星,这一数字每年还在以100颗的速度增长。


潜在威胁小行星的定义是在地球750万公里的轨道之内,直径大于140米的小行星。它的撞击威力大于1万颗广岛原子弹,会造成百万以上人口的损失。此外还存在3万颗距离地球4500万公里的近地小行星,它们的轨道与地球相交也存在撞击风险。


这些小行星主要来自距地球1.8到4亿公里之间的主带小行星——这是位于木星与火星之间的密集区域,是近地小行星与潜在威胁小行星的主要来源。


“中国复眼”计划构建一个大规模的分布孔径深空探测雷达,由多个雷达单元构成深空探测装置以探测和监视小行星等深空目标,支撑小行星防御等国家重大任务的实施。对于潜在威胁小行星,我们计划实现米级的三维成像,对于近地小行星要做到公里级的目标探测;构建全球性能最强的深空探测雷达,以支撑我国实施重大部署和发展世界前沿科技。


这一项目的研究意义重大,我国已经成立生物探测实验室并且批复了天问系列的行星探测重大工程。其中天问一号探测火星,天问二号探测小行星和主带彗星,天问三计划去火星,天问四计划去木星。需要尽快打造实验室的观测基地,以支持天问系列任务的顺利开展。


此外,2005年Science提出125个前沿科学问题,其中多个都与小行星有关。包括行星是如何形成的、地球生命在何处产生、是什么导致物种灭绝等。


小行星是太阳系的古老天体,与行星的形成、生命的起源和物种灭绝密切相关。对于行星形成而言,小行星是记录行星形成过程的时间胶囊。对于生命起源,小行星可能是地球早期水和有机物的来源。对于物种灭绝,小行星的撞击可能造成了地球上多次的物种灭绝。


小行星研究可以为研究行星形成、生命起源、物种灭绝等前沿科学问题提供重要支撑。这个项目的研究一方面要服务小行星防御、生物探测等国家重大需求,同时要支撑行星形成、生命起源、物种灭绝等世界前沿的科学研究。


目前已有的天文观测手段主要包括射电望远镜和光学望远镜,其中射电望远镜的典型代表是Fast天眼,但它是被动接收天体辐射的电磁波,而小行星辐射很微弱无法观测。光学望远镜的主要缺点是分辨率不够高,难以获取小行星的形貌。另外测距精度也比较弱,难以快速地精确测距。


深空雷达是通过主动发射电波,并且接收天体反射波来探测目标的探测装置。它的优势是可以精确测距,因此能大幅提高小行星的测轨精度,缩短测轨时间;也可以获取小行星的形状,其分辨率和飞掠探测器相当。美国在《2023~2032年行星科学与天体生物学十年规划白皮书》里提及,雷达是测量近地天体物理和动力学特性最强大的遥感手段。


“眺望”深空面临的主要挑战


目前,我国还没有用于小行星研究的深空探测雷达。全球也只有两个深空探测雷达,分别是美国阿雷西博(Arecibo)雷达和金石太阳系雷达(Goldstone Solar System Radar,GSSR)。阿雷西博和金石的天线口径分别为305米和70米,它们都是集中孔径的雷达体制,用单一的大孔径天线来进行观测。


现有深空探测雷达面临的主要问题包括:第一,成像距离比较近,难以满足近地小行星的观测需求;第二,只能进行二维成像,无法获取三维的形貌精细特征;第三,无法检测到微变化,目前测量的变化量级是米级的,无法测量厘米级的微变化,而厘米级的微变化对于研究小行星的轨道特性、潮汐特性、结构特性都非常重要。


同时,现有的深空探测雷达因为体积重量大,上面吊装的天线馈源很重,易损坏且难维修。2019年金石太阳系雷达的发射机出现故障,在20个月的时间内无法执行观测任务;2020年阿雷西博雷达也因结构断裂导致彻底退役。


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