近地小行星防御策略分析

劉雪奇,孫海彬,孫勝利

（1.中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所,上海 200083；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.上?？萍即髮W(xué),上海 201210）

0 引 言

隨著空間技術(shù)的飛速發(fā)展,人類對月球、火星、小行星、彗星等太陽系天體進(jìn)行了全方位、多手段的探測,研究了各天體的地質(zhì)特性、運(yùn)行軌道以及所處的空間環(huán)境等。而小行星作為一類圍繞太陽運(yùn)動的小天體,因其數(shù)量較多、地質(zhì)特征各異、運(yùn)行軌道特殊等特點(diǎn),逐漸受到研究人員的重視。太陽系內(nèi)的小行星大多分布在火星和木星軌道之間,也有一些小行星存在于距離太陽更近以及與地球軌道有交叉地方,天文學(xué)上把軌道在離太陽1.3 AU范圍內(nèi),離地球軌道距離小于0.3 AU的小行星統(tǒng)一稱為近地小行星。而這種小行星的軌道距離地球比較近,尤其是阿波羅型和阿登型小行星的軌道與地球軌道交會,與地球存在碰撞的可能。如果小行星軌道與地球軌道的最小距離小于0.05 AU,一般就認(rèn)為是有潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)的小行星,對地球安全和人類的生存將構(gòu)成巨大的威脅。目前已被確認(rèn)的超過1.6萬顆近地天體中1 838顆被認(rèn)為具有“潛在危險(xiǎn)性”[1]。據(jù)報(bào)道,直徑大于1 km的小行星撞擊地球后會使地球發(fā)生巨大爆炸并觸發(fā)海嘯,全球氣候隨之改變,人類將面臨滅絕的威脅。

6 500萬年前,一個(gè)直徑10 km的小行星撞擊墨西哥尤卡坦半島海岸曾導(dǎo)致了恐龍等地球上近75%的物種滅絕。1908年6月30日,俄羅斯西伯利亞通古斯地區(qū)一次小行星碰撞地球引發(fā)的大爆炸,毀滅了大約2 000 km2的西伯利亞森林。1976年,在我國吉林市上空發(fā)生過隕石爆炸事件,產(chǎn)生的隕石碎片散落在附近500 km2的范圍內(nèi)。2008年,小行星TC3進(jìn)入蘇丹北部上空大氣層發(fā)生爆炸,釋放出總計(jì)高達(dá)（1.1～2.1）kt當(dāng)量的能量,相當(dāng)于一枚低級別小型核彈的威力。2013年,俄羅斯車?yán)镅刨e斯克（Chelyabinsk）發(fā)生的隕石爆炸事件造成1 500人受傷,1 000多間房屋受損,此次爆炸當(dāng)量約為350×104t,相當(dāng)于1945年廣島原子彈爆炸當(dāng)量的30倍[2]。此外,還有許多小規(guī)模的行星墜落和隕石雨事件。設(shè)想如果類似通古斯大爆炸的行星撞擊事件發(fā)生在人口稠密地區(qū),其所造成的后果難以設(shè)想。然而,相比于地震、洪水等自然災(zāi)害,近地小行星撞擊地球所引發(fā)的災(zāi)害有其自身的特點(diǎn)：瞬時(shí)性、可預(yù)測性和可防御性等。因此,針對近地小行星的天文觀測,建立預(yù)警機(jī)制以及相應(yīng)的防御策略,將能夠有效降低小行星撞擊地球的風(fēng)險(xiǎn),規(guī)避小行星撞擊給地球和自然界物種所帶來的威脅。

近期,以美國、歐洲為代表的航天大國都提出了近地小行星的觀測和防御計(jì)劃。而在國際上提出的各項(xiàng)小行星防御技術(shù)中,除撞擊技術(shù)已在“深度撞擊”實(shí)驗(yàn)任務(wù)中得到驗(yàn)證外,其它多數(shù)技術(shù)處于概念和設(shè)想階段,尚未進(jìn)行在軌驗(yàn)證和工程實(shí)際應(yīng)用。

本文主要通過對國內(nèi)外近地小行星防御技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行調(diào)研,從不同防御技術(shù)途徑的基本原理出發(fā),對比分析了各種途徑的優(yōu)缺點(diǎn)、適用性、成熟度等特征。在我國現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合空間技術(shù)發(fā)展趨勢,借鑒國外小行星防御技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展思路,初步探討發(fā)展有效的、適用于我國國情的小行星防御發(fā)展建議。

1 小行星監(jiān)測研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代以來,美國國家航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）一直在研究近地天體（Near–Earth Objects,NEOs）,并于90年代發(fā)起了一項(xiàng)被稱為“太空保衛(wèi)”的調(diào)查,對近地天體進(jìn)行了初步探索。目前小行星探尋工作已取得豐碩成果,但仍有許多危險(xiǎn)性較大的小行星未被觀測到,直徑越大的小行星撞擊地球所引發(fā)的災(zāi)害越嚴(yán)重,具體可參見表1。據(jù)估計(jì)在直徑超過1 km的近地天體中,90%以上已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),但直徑為100 m左右的近地天體只有10%被發(fā)現(xiàn),直徑為40 m左右的近地天體被發(fā)現(xiàn)的還不到1%。因此,美國國會要求NASA到2020年要發(fā)現(xiàn)90%以上的直徑大于140 m的近地小行星（Brown Jr計(jì)劃）[3]。

1992年,NASA開始進(jìn)行關(guān)于近地天體識別、表征和跟蹤以及潛在減災(zāi)策略的科學(xué)研討會和研究,并于1998年啟動了“近地天體觀測計(jì)劃”。在已發(fā)現(xiàn)的近地天體中,大部分（約95%）歸功于美國宇航局的近地天體觀測項(xiàng)目,其中位于美國亞利桑那州的“卡特林那巡天系統(tǒng)”和夏威夷的“Pan–STARRS項(xiàng)目”被指定用于近地天體探測。據(jù)美國宇航局網(wǎng)站報(bào)道,2013年6月18日晚上,科學(xué)家們借助夏威夷大學(xué)的Pan–STARRS–1望遠(yuǎn)鏡設(shè)備發(fā)現(xiàn)了第1萬顆近地小行星2013 MZ5；巡天系統(tǒng)中萊蒙山天文臺的天文學(xué)家于2016年10月13日發(fā)現(xiàn)了第1.5萬個(gè)近地天體“2016 TB57”。1.5萬顆近地天體被發(fā)現(xiàn)是一個(gè)重要的里程碑,也標(biāo)志著自2013年以來第1萬顆飛向地球的小行星被探測到并登記以來,發(fā)現(xiàn)的近地天體的數(shù)量增長了50%。

表1 NEO撞擊事件分類[2]Table 1 Classification of the NEOs impact

1991年和1993年,“伽利略”（Galileo）計(jì)劃在探測木星的旅途中順訪了兩顆小行星Gaspra（951）和Ida（243）,并對他們進(jìn)行了近距離多波段光譜探測,發(fā)現(xiàn)Ida小行星有一顆小衛(wèi)星。2003年5月日本Muse–C計(jì)劃發(fā)射的Hayabusa探測器前往1998 SF36,首次從小行星采樣礦物標(biāo)本返回地球。2005年9月27日,歐空局宣布,為了保護(hù)地球免受撞擊,將開始嘗試改變近地小行星軌道的名為“堂吉訶德”的計(jì)劃。到2016年,意大利近地天體協(xié)調(diào)中心的埃托雷·佩羅齊表示：“過去幾年中近地天體的發(fā)現(xiàn)率一直很高,全球每周平均發(fā)現(xiàn)30顆新的近地天體?！?/p>

中國科學(xué)院在1999年也組建“近地天體探測和太陽系動力學(xué)研究”團(tuán)組,2006年10月在江蘇省盱眙縣建立紫金山天文臺近地天體觀測站,并成功安裝了1.2 m施密特近地天體望遠(yuǎn)鏡。在紫金山天文臺、國家天文臺及中科院國家基金委天文聯(lián)合基金的大力支持下,作為LAMOST銀河系反銀心方向數(shù)字巡天計(jì)劃的前哨部分——盱眙近地天體望遠(yuǎn)鏡銀河系反銀心方向數(shù)字巡天計(jì)劃觀測任務(wù)于2011年3月8日順利完成,該項(xiàng)目的順利完成,作為中國實(shí)測天文學(xué)發(fā)展歷程上的標(biāo)志性事件,提升了中國在天體物理學(xué)基礎(chǔ)前沿研究領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力及在國際同行中的地位和影響力[4]。

根據(jù)國際小行星中心網(wǎng)站發(fā)布,截至2017年9月8日,通過全球聯(lián)測,科研人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)1 838顆“潛在威脅近地小行星”,并且還存在大量的近地小行星未被發(fā)現(xiàn)。然而,對于這么多的小行星,當(dāng)前國內(nèi)外的研究水平大多處于觀測、監(jiān)視階段,而對于小行星的防御還處于概念設(shè)想和初步發(fā)展階段,因此小行星防御策略的分析和評估是一個(gè)十分有意義的課題。減緩、避免近地小行星撞擊地球的過程主要可分為以下兩個(gè)部分：首先發(fā)現(xiàn)近地小行星,并對小行星的特征進(jìn)行分析和檢測；然后確定撞擊風(fēng)險(xiǎn),做出有效的防御措施。行星防御協(xié)調(diào)辦公室（Planet Defense Coordination Office,PDCO）制定了一個(gè)特征流程圖（見圖1）[5],以便在即將發(fā)生的近地天體影響的情況下簡化獲取最相關(guān)信息的過程；通過EO和雷達(dá)傳感器的一組觀測來達(dá)到實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)的近地物體表征過程,一些目標(biāo)可以通過多種觀察來實(shí)現(xiàn)。通過對小行星的監(jiān)測和評估,就可以更好地做出對應(yīng)的防御策略,進(jìn)而對各種防御策略進(jìn)行分析。

圖1 近地物體表征過程[5]Fig.1 Characterization process of NEOs

2 小行星防御策略分析

2.1 近地小行星防御途徑概述

對于威脅地球的大型小行星,很多人認(rèn)為對其唯一合理的防御方式是使用核武器。然而,核武器對人類所構(gòu)成的威脅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其對人類所減輕的危害。因此,對于小行星的防御,研究非核戰(zhàn)略顯得十分必要。要實(shí)現(xiàn)小行星的偏轉(zhuǎn)只需要改變它的速度（速度的方向和大小）,而其速度的變化取決于沖擊前的時(shí)間長度和沖擊的作用模式。如果小行星的危害被較早地發(fā)現(xiàn)（有較長的預(yù)警時(shí)間）,研究人員可以選擇作用時(shí)間較長的防御方案,那么可以選擇較小的速度改變量長時(shí)間持續(xù)作用；然而,對于預(yù)警時(shí)間較短的小行星,則需要較大的速度改變量,采用較大的作用力來改變速度,從而在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)小行星的快速偏轉(zhuǎn)運(yùn)行。所以,根據(jù)小行星防御時(shí)間不同,可以將防御策略分為短期快速防御和長期緩慢防御[6]。短期快速防御方案可采用如核攔截方案、動力沖擊器策略；而長期緩慢防御策略則可以采用如太陽能集熱方案、低推力推進(jìn)方案、質(zhì)量驅(qū)動方案和引力拖拽策略。以下分別對這幾種策略進(jìn)行詳細(xì)介紹分析。

2.2 防御途徑介紹分析

2.2.1 核攔截器策略

最有效并且最可靠的偏轉(zhuǎn)近地天體的方法之一就是利用核爆炸,其中來自中子和X射線沉積的能量加熱了小行星的表面層,并產(chǎn)生快速的流體噴射,將大部分星形團(tuán)塊推向相反的方向。由于中子在固體中的平均自由程較長,因此每個(gè)傳遞能量的中子比X射線更高效[7]。

核彈攔截技術(shù)是一種相對比較直接的防御策略,通常采用核裝置使得威脅地球的近地小行星改變運(yùn)行軌道,而不是通過核爆直接摧毀。如果對來襲的小天體進(jìn)行直接核彈攻擊,或許可將它炸碎,但是爆炸產(chǎn)生的大量的碎片仍將按照原來的撞擊軌道沖向地球,那將引發(fā)更加可怕的災(zāi)難。姜宇等[8]提出對于將要撞擊地球的小行星,在其撞擊地球以前,通過高速碰撞將該小行星撞擊成大量碎片,進(jìn)入大氣層的部分碎片會燒毀,不至于造成嚴(yán)重災(zāi)難。此外,Lomov等[7]通過對核爆炸產(chǎn)生的能量噴射物的模擬表明,偏轉(zhuǎn)速度很大程度上取決于小行星物質(zhì)的性質(zhì)。

采用核攔截器能讓威脅地球的小行星產(chǎn)生足夠的速度改變,并且這種策略是最直接可行的一種參考方案,但這種技術(shù)所固有的可怕風(fēng)險(xiǎn)很可能會引起政治和全球安全問題,這將可能導(dǎo)致小行星偏轉(zhuǎn)策略的研究以發(fā)展核武器為基礎(chǔ),使得核武器的發(fā)展遠(yuǎn)超出作為改變行星運(yùn)行軌道的技術(shù)手段的意圖。

2.2.2 動力沖擊器策略

實(shí)現(xiàn)小行星偏轉(zhuǎn)最簡單的手段之一是采用大規(guī)模拋射體進(jìn)行攻擊,這些拋射體可以是另一個(gè)小行星、火箭或者火箭推動的其它物體,然而,此方案也存在十分棘手的問題是擊碎小行星后產(chǎn)生大量碎屑可能增加與地球碰撞的危險(xiǎn)。通過對小行星Gaspara[9]和Ida[10]的觀測圖像表明,它們已經(jīng)反復(fù)被大型物體擊中,撞擊物體在其表面上留下了大型的隕石坑,而明顯地沒有完全破壞它們；最近,張韻等[11]通過數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn),針對兩種結(jié)構(gòu)的小行星,分析遭遇脈沖偏離后的小行星及其碎片的軌道演化情況,發(fā)現(xiàn)動能撞擊方法能夠有效規(guī)避撞擊后的最大剩余碎片和大多數(shù)碎片。因此,動力沖擊策略將可能是一種比較有潛力的可行性策略。

動力沖擊器是減輕小行星危害的一種較簡單的方式：物體通過撞擊小行星把本身的動量轉(zhuǎn)移到小行星上,這種碰撞被模擬為簡單的非彈性碰撞。碰撞導(dǎo)致小行星速度的變化需要乘以一個(gè)動量增強(qiáng)因子[12],增強(qiáng)因子是由于在沖擊期間排出物質(zhì)的爆炸產(chǎn)生的。

采用動力沖擊器來改變小行星運(yùn)行軌道方案有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：可快速啟動且有較高的的成功概率,此外,很重要的一點(diǎn)是此方案是唯一得到在軌驗(yàn)證的防御策略。因此,針對預(yù)警時(shí)間較長的小行星,動力沖擊器策略也許是目前最成熟的小行星防御策略。當(dāng)然,這種策略也存在一些問題：①保證撞擊作用有效的必要條件是小行星尺寸不能過大或預(yù)警時(shí)間足夠長,此外,還應(yīng)考慮到小行星的自轉(zhuǎn)導(dǎo)致作用力的合力方向的不確定性[7]；②中型小行星則需要提供足夠大的沖擊力,將大型動力沖擊器送入撞擊軌道需要足夠的燃料驅(qū)動以及先進(jìn)的航天技術(shù),財(cái)力耗費(fèi)巨大；③要及時(shí)對小行星做出應(yīng)對策略就要建立全球的監(jiān)測網(wǎng),需要國際間的合作,從而會涉及到各國的利益,需要長時(shí)間的協(xié)調(diào)解決,短期內(nèi)無法建立一個(gè)完善的全球監(jiān)測體系。

2.2.3 太陽能集熱器策略

19世紀(jì),俄羅斯工程師伊凡·雅科夫斯基（Ivan Yarkovsky）對粉飾小行星的方面研究比較深入,他算出如何僅僅通過改變它的顏色而改變一塊太空巖石的軌道。小行星通過太陽能收集器吸收大量的太陽熱量后再將熱量散發(fā)進(jìn)太空。這種熱輻射帶有動力,反過來將會向小行星施加一個(gè)將它推向反方向的力[5],進(jìn)而改變小行星的運(yùn)行軌道。

太陽能集熱器（如圖2所示）可采用太陽帆,通過飛船攜帶太陽帆前往目標(biāo)小行星,將太陽帆安裝在小行星表面,太陽帆設(shè)備一旦安裝完成并展開后,就會借助太陽風(fēng)的力量,阻礙小行星的飛行,從而使其逐漸偏離原有的運(yùn)行（撞擊）軌道。在某些情況下,這個(gè)太陽帆甚至還可以被用來實(shí)現(xiàn)對這顆天體軌道某種程度的遙控。

1993年,Melosh等[13]提出使用反射鏡將太陽能聚焦到小行星表面一小部分區(qū)域上,所產(chǎn)生的熱使行星表面材料升華。升華過程將產(chǎn)生氣體和灰塵的射流,進(jìn)而產(chǎn)生連續(xù)的推力,這個(gè)推力最終將有可能改變小行星的運(yùn)行軌道,類似于彗星從地面噴射物質(zhì)從而驅(qū)動改變運(yùn)行軌道的情況。從概念上講,類似與太陽能集熱器方案的想法是使用由核反應(yīng)堆或太陽能陣列供電的激光束來誘導(dǎo)表面材料升華。

圖2 太陽能集熱器Fig.2 Solar collector

太陽能集熱器策略原理簡單,并且發(fā)射太陽能集熱器成本相對較低,具有一定的可行性。當(dāng)然,也存在一些問題：①這種方案針對的都是預(yù)警時(shí)間有相當(dāng)長的一段預(yù)警時(shí)間的小行星,但是越長也意味著小行星離地球越遠(yuǎn),反射鏡必須在每個(gè)操作條件下聚焦太陽的光,因此必須主動控制曲率,所需要的航天技術(shù)及精確度等方面都要求更高,以防止過大的累計(jì)誤差導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)失誤,反而增加小行星與地球碰撞的可能；②此類方案要生效需要的作用時(shí)間很長可能要數(shù)年之久,這對預(yù)警和監(jiān)測都有更高的要求。因此,此類方案的可行性有待于不斷發(fā)展的航天實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證并做進(jìn)一步的改進(jìn)。

2.2.4 低推力推進(jìn)策略

針對有潛在威脅的小行星,另一個(gè)簡單的緩解策略是將飛船著陸在小行星上,并使用其推進(jìn)系統(tǒng)將小行星推出與地球撞擊的軌道,可以使用傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)或低推力推進(jìn)系統(tǒng)。

化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)可提供非常大的推力,但是排氣的最大速度比低推力推進(jìn)系統(tǒng)的離子化等離子體的速度低約10倍,要實(shí)現(xiàn)小行星線性動量的相同變化就需要更多的推進(jìn)劑。因此,基于高推力化學(xué)驅(qū)動的策略相對于具有低推力發(fā)動機(jī)的策略效率較低。傳統(tǒng)的火箭是通過尾部噴出高速的氣體實(shí)現(xiàn)向前推進(jìn)的,離子推進(jìn)器也是采用同樣的噴氣式原理,但是它并不是采用燃料燃燒而排出熾熱的氣體,不采用化學(xué)燃燒方式,而是通過電能作用于工質(zhì)激發(fā)高速離子流向后推進(jìn)。它所噴出的是一束帶電粒子或是離子,它所提供的推動力或許相對較弱,但關(guān)鍵的是這種離子推進(jìn)器所需要的燃料要比普通火箭少得多。只要離子推進(jìn)器能夠長期保持性能穩(wěn)定,它最終將能夠把太空飛船加速到更高的速度。與傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)方式相比,離子推力器需要的工質(zhì)質(zhì)量小,是已經(jīng)實(shí)用化的推進(jìn)技術(shù)中最為適合長距離航行的,低推力推進(jìn)如圖3所示。

圖3 低推力推進(jìn)Fig.3 Low thrust propulsion systems

低推力需要解決諸多關(guān)鍵技術(shù)支撐,如：低推力推進(jìn),核能發(fā)電,自主會合和著陸,錨定系統(tǒng)[14]等。因此,此類方案的實(shí)施仍然存在一些問題：①低推力推進(jìn)器策略的有效實(shí)施需要較長的預(yù)警時(shí)間；②太空核能發(fā)電需要較先進(jìn)的技術(shù)來運(yùn)作和維護(hù),一旦在太空出現(xiàn)核泄漏事故更加難以應(yīng)付；③自主會合與著落系統(tǒng)需要精準(zhǔn)的導(dǎo)航和軌道定位技術(shù)提供保障；④要實(shí)現(xiàn)低推力推進(jìn)系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作需要一套穩(wěn)定完善的錨定系統(tǒng)。此外,在旋轉(zhuǎn)的小行星上,低推力系統(tǒng)不會保持恒定的指向,使得此類方案的實(shí)行需要攻克較多的技術(shù)難關(guān)。

2.2.5 質(zhì)量驅(qū)動器策略

質(zhì)量驅(qū)動系統(tǒng)通過將小行星外殼質(zhì)量射入空間而產(chǎn)生小行星速度矢量的變化,一些表面物質(zhì)由挖掘裝置挖掘并通過電磁軌道槍加速進(jìn)入太空。NASA一項(xiàng)名為“模塊化小行星偏轉(zhuǎn)彈射”的項(xiàng)目包含了此策略的內(nèi)容,其具體的設(shè)想是：發(fā)射一批核動力驅(qū)動的機(jī)器人前往小行星表面,一旦著陸之后它們就會開始“吞食”小行星表面巖石,然后將吞下的巖石使用電磁炮技術(shù)高速彈射進(jìn)入太空。

這種策略的優(yōu)點(diǎn)是用于改變小行星線性動量的物質(zhì)是從小行星上獲得的,而不是從地球上運(yùn)載。質(zhì)量驅(qū)動器策略需要考慮以下主要關(guān)鍵技術(shù)：自主會合和著陸、微重力自主采礦、大功率軌道槍、核能發(fā)電、錨定系統(tǒng)。與低推力系統(tǒng)類似,這種方案同樣需要小行星有較長的預(yù)警時(shí)間、開發(fā)準(zhǔn)確的導(dǎo)航和軌道定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主會合和著陸、長期穩(wěn)定地克服微重力并實(shí)現(xiàn)自主采礦的裝置和大功率軌道彈射裝置、先進(jìn)的技術(shù)來運(yùn)作和維護(hù)核能發(fā)電設(shè)備和穩(wěn)固的錨定系統(tǒng)。

2.2.6 引力拖拽策略

引力拖拽策略指利用小行星和航天器之間的相互吸引力,將小行星拖離,從而避免與地球相撞。為了按照所需的方式使小行星偏轉(zhuǎn),航天器在拉動期間應(yīng)保持恒定的懸停位置,這個(gè)概念由Lu&Love[15]提出,是修改小行星軌道的一種手段,克服了小行星表面組成、形態(tài)和旋轉(zhuǎn)速度所固有的不確定性特點(diǎn)。

基于引力拖拽策略的原理,只需要考慮小行星質(zhì)量特性,不需要考慮其形狀、結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成等特征；不需要考慮著陸問題,航天器相對于小行星的位置比較靈活,對航天技術(shù)的要求較低；航天器上只需要搭載驅(qū)動和定位控制設(shè)備,不需要搭載復(fù)雜的航天設(shè)備,監(jiān)測和維護(hù)成本較低。

引力拖拽策略同時(shí)也需要以下主要關(guān)鍵技術(shù)來保障順利實(shí)施：不均勻重力場中的自主近端運(yùn)動控制、核發(fā)電、低推力推進(jìn)。要對小行星產(chǎn)生有效的吸引力,需要相對于小行星有一定質(zhì)量的航天器,同時(shí)要使航天器在與小行星之間相互作用的不均勻重力場中自主的運(yùn)動,核能發(fā)電進(jìn)而產(chǎn)生低推力來保持長期穩(wěn)定的運(yùn)動。因此,需要小行星有較長的預(yù)警時(shí)間,考慮到引力作用無法對小行星進(jìn)行精準(zhǔn)控制,盲目的干預(yù)反而可能增加小行星與地球碰撞的幾率,考慮到引力作用,此類方案并不能對大型的小行星產(chǎn)生比較好的偏轉(zhuǎn)作用。

2.3 防御策略小結(jié)

以上6種對于近地小行星的防御策略分別有各自的優(yōu)缺點(diǎn),適用情況也各不相同,以下分別從適用性、可行性和有效性3個(gè)方面對各種防御策略進(jìn)行對比總結(jié)：

1）從適用性方面來講,采用核攔截器的防御屬于短期快速防御策略,對于體型較小的小行星來說,動力沖擊器策略也屬于短期快速防御策略,而對于那些大型小行星來說,短期內(nèi)動力沖擊器無法實(shí)現(xiàn)小行星的偏轉(zhuǎn),只能在有長時(shí)間預(yù)警的情況下作為長期緩慢防御策略的一種,另外4種策略都是對于有較長預(yù)警時(shí)間的小行星的長期緩慢防御策略。

2）從可行性方面來講,核攔截器策略是最直接的、可行性高的一種防御方案,但這種技術(shù)所固有的風(fēng)險(xiǎn)很可能會出現(xiàn)政治和安全問題,采用動力沖擊器策略可以快速啟動而且有較高的成功概率,是唯一得到在軌驗(yàn)證的防御策略；而太陽能集熱器策略原理簡單,并且發(fā)射太陽能集熱器成本相對較低,具有一定可行性；低推力推進(jìn)器、質(zhì)量驅(qū)動器和引力拖拽策略則都需要長期穩(wěn)定的核能驅(qū)動和先進(jìn)的航天技術(shù)作支撐,需要相當(dāng)長的時(shí)間才能形成一套完善的防御系統(tǒng)。

3）從有效性方面來講,對于小行星中那些體積相對較小的、有一定預(yù)警時(shí)間的小行星來說,核攔截器無疑是目前最簡單有效的防御策略,既不會對地球產(chǎn)生次加危害又能夠有效地使小行星偏轉(zhuǎn)或摧毀；動力沖擊器策略已在NASA的“深度撞擊”任務(wù)中測試,并且計(jì)劃在后續(xù)ISIS[14]等任務(wù)中進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證；其余的防御策略均是用于有長期預(yù)警時(shí)間的小行星偏轉(zhuǎn),對小行星的偏轉(zhuǎn)作用都是一個(gè)長期緩慢的過程,而能否產(chǎn)生有效的偏轉(zhuǎn)效果很大程度取決于之后航天技術(shù)能否解決各種策略需要攻堅(jiān)的技術(shù)難題,同時(shí)也需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

各種小行星防御策略需要解決的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)以及目前存在的比較棘手的問題見表2。

表2 各種防御策略關(guān)鍵技術(shù)及存在問題Table 2 Key techniques and problems of various defensive strategies

3 建議與展望

采用單一的防御策略完成小行星防御任務(wù)的成功率較低,建議嘗試采用幾種策略組合的方式更好地實(shí)現(xiàn)小行星的偏轉(zhuǎn),具體可參考以下幾點(diǎn)：

1）對于那些預(yù)警時(shí)間比較長的小行星,可以在小行星的一側(cè)采用引力拖拽策略,在另一側(cè)采用太陽能集熱器、質(zhì)量驅(qū)動器或低推力推動策略,同時(shí)要考慮小行星的自轉(zhuǎn)所帶來的偏轉(zhuǎn)方向的變化,以確保能長期有效地將小行星偏離與地球撞擊的軌道；而對于那些預(yù)警時(shí)間相對較短需要盡快采取應(yīng)對策略的小行星,主要應(yīng)用動力沖擊器和低推力推進(jìn)策略,輔以太陽能集熱器等策略,從而在短時(shí)間將小行星偏離預(yù)定軌道,然而這種方案對于大型的近地小行星可能效果不理想。

2）考慮到技術(shù)成熟度、成本等方面,針對不同的小行星要采取不同的策略應(yīng)對,如：大型的小行星雖然偏轉(zhuǎn)難度較大,但是這類小行星更容易被觀測到,所以會有更長的預(yù)警時(shí)間,可以采用核攔截器將小行星摧毀,再對地球有碰撞危險(xiǎn)的小型碎屑采用動力沖擊器等策略實(shí)現(xiàn)有效的偏轉(zhuǎn)。

3）可以分時(shí)間段對小行星采取不同的應(yīng)對策略,當(dāng)小行星距離地球較遠(yuǎn)時(shí),前期主要采取引力拖拽等長期緩慢防御策略,后期根據(jù)小行星偏轉(zhuǎn)情況再采取短期快速防御策略對小行星的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行有效的調(diào)整。

我國在近地小行星防御方面需要盡早建立觀測、監(jiān)控綜合應(yīng)用平臺,能夠利用多種平臺（地基,天基等）主動展開對小行星的持續(xù)觀測識別其潛在威脅,在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間階段及時(shí)提出相應(yīng)的防御對策；在航天技術(shù)攻堅(jiān)方面加大科研投入和資金支持,如核能推動裝置、自主采礦裝置、大功率軌道彈射裝置,穩(wěn)固的錨定系統(tǒng),開發(fā)準(zhǔn)確的導(dǎo)航和軌道定位技術(shù)等；積極參與國際間小行星防御的項(xiàng)目,加強(qiáng)各國之間的交流與合作,在全球范圍內(nèi)建立小行星監(jiān)測網(wǎng),以應(yīng)對各種突發(fā)狀況。

此外,對于預(yù)警時(shí)間長達(dá)幾年甚至幾十年的近地小行星,我們有充分的時(shí)間進(jìn)行有針對性方案的設(shè)計(jì),特別是可以預(yù)先研究小行星的特征,以選定相對較好的防御方案,并為此研制專用的航天器,在距離地球最遠(yuǎn)處改變其軌道,而且這樣也會留有足夠的冗余時(shí)間,以觀察第一方案是否成功,同時(shí)可再采取其它方案。而采用多種策略組合的方式能盡早對有威脅的小行星采取相關(guān)策略,為航天器的研制和防御策略的實(shí)施爭取更多的時(shí)間。

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