动能撞击是较成熟、可行的行星防御技术。2022年，双小行星重定向测试（DART）任务成功使子星狄莫弗斯绕主星狄迪莫斯的公转周期缩短约33分钟，验证了该技术的可行性。然而，受运载能力和可送达撞击质量限制，传统动能撞击在应对预警时间有限、尺度较大的威胁目标时仍面临偏转能力不足的问题。末级击石通过保留航天器与火箭末级的连接，利用末级结构质量增加撞击动量，并可进一步利用钝化过程产生的辅助推力提高任务效能。本研究面向该任务的工程实施与效能预测需求，开展工程约束下的全流程轨道优化及复杂构型撞击分析，评估末级资源利用与撞击构型对实际偏转能力的影响。
保留入轨后的火箭末级，由航天器携带末级形成撞击组合体，实施目标拦截与动能撞击。建立包含残余推进剂排放和气体释放作用的时变钝化推力模型，将钝化辅助加速纳入地球逃逸段动力学计算，分析其对所需发射特征能量C₃及有效载荷能力的影响。采用Lambert方法求解日心转移轨道初值，结合停泊轨道拼接与双曲线逃逸模型，连接近地发射段和深空转移段；在地球影响球内计入地球非球形引力、日月摄动及钝化推力，递推组合体逃逸状态。建立太阳系高精度轨道动力学模型，计算目标撞击前后的轨道及近地点事件，并根据撞击产生的矢量速度增量评价近地偏转距离。
结合运载火箭能力曲线，将发射能量映射为可携带质量；将发射场纬度、末级滑行时间分别转化为停泊轨道倾角、逃逸方向及轨道相位限制，同时纳入撞击可见性和近地点偏转距离要求。以发射时刻、撞击时刻和转移时间等为变量，利用改进的porkchop图筛选可行窗口，构建面向近地偏转距离最大的任务优化模型。

图1 任务轨道方案示意图
依据总体布局建立横向与纵向撞击构型，以立方体、空心圆柱等几何体表征航天器、末级舱段及主要质量分布，构建包含尺寸、形状、密度、强度和孔隙特征的数字小行星模型。将任务优化获得的典型撞击速度、角度输入三维粒子法模型，结合材料状态方程、强度与损伤描述，模拟非同步接触、壳体压溃、舱段解体、成坑及溅射过程，计算主体速度增量、矢量动量传递和结构破坏。区分组合体碎片逸散与目标溅射反冲的动量贡献，分析附加质量转化为有效偏转动量的效率。根据典型工况归纳动量传递解析关系，反馈修正轨道偏转计算，并在统一威胁场景和运载条件下比较传统动能撞击与末级击石的防御效能。
代表性场景计算表明，在发射转移窗口相同、撞击速度基本不变的条件下，利用钝化辅助推力可使所需C₃降低约1 km²/s²，有效载荷能力平均增加约180 kg，偏转效能增益主要来自撞击质量增加。所分析末级击石算例的最小偏转距离超过2个地球半径，偏转距离达到传统动能撞击的2～4倍。构型对比显示，在所设控制方案下，横向撞击方案有利于降低轨道修正与末制导燃料消耗，但在所分析工况下，撞击质量增至对照方案的2倍时，小行星获得的有效动量增长却不足2倍；纵向撞击虽需较多燃料，却表现出更高的动量增益。

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