美國小行星防御演習(xí)背后隱藏太空作戰(zhàn)考量

文/ 蘭順正

▲小行星撞地球

5月初，在美國馬里蘭州召開的第六屆行星防御會議上進行了一場小行星防御演習(xí)。美國宇航局下屬噴氣推進實驗室虛構(gòu)了一顆可能在2027年4月29日撞擊地球的小行星（代號2019PDC），由來自美國宇航局、美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局、歐空局等機構(gòu)的專家團隊負責(zé)迎戰(zhàn)小行星，以拯救人類。

最后的結(jié)果是，雖然人類采用動能撞擊法將2019PDC號小行星撞碎，但一塊60米左右的碎塊仍在飛向地球，將其“核爆”摧毀的應(yīng)急方案則無法執(zhí)行，專家團隊只好進行“B計劃”，著手評估撞擊結(jié)果，制定疏散方案。

主動防御小行星威脅并非“杞人憂天”

此次演習(xí)雖然只是虛構(gòu)，但小行星防御問題并非只是科幻故事。一般而言，如果小行星軌道與地球軌道的最小距離小于0.05個天文單位（一個天文單位約為1.5億公里），就被認為是有潛在碰撞風(fēng)險的小行星。目前已被確認的超過1.6萬顆近地天體中，有1838顆被認為具有“潛在危險性”。小行星的碰撞可能帶來十分嚴重的后果。據(jù)估算，直徑為10～50米的小行星撞擊地球，即可產(chǎn)生像關(guān)島核彈爆炸一樣的威力；直徑在100米以上的小行星，就能產(chǎn)生幾百萬噸級核彈的破壞能量。廣為熟知的造成恐龍滅絕等災(zāi)難的原因很可能就是小行星與地球的碰撞。2013年2月15日上午9時15分（世界時3時15分），俄羅斯車里雅賓斯克地區(qū)發(fā)生了一次隕石雨事件，隕石進入大氣層留下大約10公里長的軌跡，據(jù)俄羅斯媒體報道，該次事件中有1500人受傷，1000多間房屋受損。

▲ 2013年2月15日，俄羅斯車里雅賓斯克地區(qū)遭遇隕石雨“襲擊”，這是隕石墜入冰凍的切巴爾庫爾湖中形成的窟窿

▲ 隨著科技的進步，如何主動防御小行星碰撞地球已成為各國關(guān)注的重點

以前，防御小規(guī)模碰撞事件主要采取地面人防工程和躲避等被動方式，但隨著科技的進步，如何主動防御小行星碰撞地球也成為了各國關(guān)注的重點。如在2018年8月，美國白宮科技與政策辦公室聯(lián)合美國國家科學(xué)與技術(shù)委員會發(fā)布“國家近地天體預(yù)防戰(zhàn)略與行動規(guī)劃”，對未來10年如何防御可能撞擊地球的近地天體，以及一旦撞擊如何開展救災(zāi)等工作從國家層面進行頂層謀劃，并提出通過諸如提高近地天體探測跟蹤能力、提高近地天體威脅的建模預(yù)測能力、研發(fā)偏轉(zhuǎn)或破壞近地天體技術(shù)等5個戰(zhàn)略目標來提高預(yù)防近地天體撞擊地球的能力。

小行星主動防御技術(shù)存在的空天戰(zhàn)爭潛力

表面看來，小行星主動防御涉及天文和防災(zāi)等領(lǐng)域，但其與空天戰(zhàn)爭有很多的相通之處。從宏觀上說，防御小行星撞擊地球與防御他方非合作太空目標并無太多本質(zhì)差別。從微觀上說，如果能夠?qū)缭缴蟽|公里以外的小行星進行發(fā)現(xiàn)、追蹤、監(jiān)視，并發(fā)射航天器抵近、繞飛、撞擊、著陸、采樣、返回乃至推離和摧毀，那么同樣的手段更加可應(yīng)用到距離更近的人造衛(wèi)星或其他航天器上。目前主動防御小行星主要有3種設(shè)想：用長期作用力來緩慢改變小行星軌道、利用動能撞擊改變小行星軌道、核爆炸，這些都具備太空軍事應(yīng)用潛力。

用長期作用力來緩慢改變小行星軌道的手段有很多，包括太空拖船、引力拖車、用挖掘機使小行星拋出質(zhì)量、用強激光照射改變小行星表面蒸發(fā)量、用表面噴漆等方式改變光壓力等。這其中以美國的“小行星重定向計劃”最具代表性。美國宇航局從2013年起，開始實施一項名為“小行星重定向任務(wù)”的小行星捕捉計劃。該計劃發(fā)射無人飛船與小行星交會并對其予以捕獲，并設(shè)計了兩個方案，一是設(shè)想使用一種呈圓筒形的高強度的軟式充氣袋，捕獲一顆體積較小的完整小行星；二是從一顆大型的小行星表面抓取一塊2～4米寬的大卵石。當無人飛船將捕獲到的小行星拖送到月球附近時，航天員將乘坐“獵戶座”多用途飛船奔赴月球遠程逆行軌道，出艙對小行星進行直接觀察研究和采樣，并帶著樣品返回地球。雖然美國政府在2017年初宣布計劃取消“小行星重定向任務(wù)”，但是該項目研發(fā)的一些關(guān)鍵技術(shù)將為其他應(yīng)用保留。

▲ 美國的“小行星重定向計劃”

▲ 用軟式充氣袋捕獲小行星示意圖

▲ 美國的“深度撞擊號”向目標彗星釋放撞擊器

不難看出，緩慢改變小行星軌道技術(shù)與共軌反衛(wèi)技術(shù)類似。共軌反衛(wèi)技術(shù)是指將攔截平臺送入目標衛(wèi)星的軌道平面，然后對目標衛(wèi)星進行破壞。以前航天飛機這類飛行器可以用機械手將對方的衛(wèi)星拖入艙內(nèi)帶回地面，或直接在太空進行符合己方意愿的改造，這與將小行星捕獲后帶回地球附近簡直如出一轍。

用航天器動能撞擊的方法改變小行星軌道是目前技術(shù)可以達到的，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)被多次試驗。以美國“深度撞擊”計劃和日本的“隼鳥”計劃為例。2005年1月13日美國成功發(fā)射彗星探測飛船“深度撞擊號”，經(jīng)過4.31億公里的長途跋涉，探測器飛抵“坦普爾1號”彗星。在2005年7月4日，探測器本體釋放出一顆372千克級的撞擊器，以每小時3.7萬公里的速度撞擊彗星的彗核，其威力相當于4.5噸TNT烈性炸藥的爆炸威力，將彗核表面撞出一個數(shù)十米深、足球場那么大的環(huán)形坑。而在“隼鳥”計劃中，日本的隼鳥號探測器于2005年10月到達系川小行星后，將一枚質(zhì)量為5克的金屬“子彈”以每秒300米的速度射向小行星表面，使其表面飛濺的碎片被吸入到采樣裝置中。后續(xù)探測器“隼鳥2號”于2019年2月22日8時左右成功在小行星“龍宮”表面著陸，并在不久之后成功轟炸了“龍宮”，據(jù)悉，“隼鳥2號”的“小型攜帶撞擊器”裝置在撞擊時引爆，創(chuàng)造了一個隕石坑，實際再現(xiàn)了天體碰撞產(chǎn)生隕石坑的過程。

▲ 日本的隼鳥號探測器

▲ 雪地中向發(fā)射井開進的俄羅斯A-135戰(zhàn)略反導(dǎo)系統(tǒng)攔截彈運輸裝填車

很明顯，撞擊小行星融合了上升式動能殺傷器技術(shù)，該技術(shù)的核心之一是動能攔截器。動能攔截器主要由導(dǎo)引頭、計算機及電子設(shè)備、姿態(tài)/軌道控制設(shè)備和電源等組成，與用于攔截大氣層內(nèi)目標的攔截彈不同，動能攔截器主要采用碰撞殺傷，原因在于攔截外空目標時，雙方相對速度過高，達每秒5～10公里，目前的近炸引信技術(shù)難以在合適的時機精確起爆戰(zhàn)斗部。同時，動能攔截器與目標碰撞時的質(zhì)量至少為6～15千克，如此高的速度和質(zhì)量碰撞時產(chǎn)生的能量可高達數(shù)億焦耳，將會產(chǎn)生汽化效應(yīng)，形成幾百萬度甚至幾千萬度的高溫高壓等離子體，其瞬間的爆炸威力足以徹底摧毀現(xiàn)有的任何類型的目標，殺傷力強。動能攔截器有兩種碰撞方式：直接碰撞方式和直接碰撞殺傷增強方式。直接碰撞殺傷增強方式是在制導(dǎo)精度滿足不了直接碰撞的情況下，在攔截器上增設(shè)殺傷增強裝置，如傘骨狀鋼條等，以增加撞擊面積。

上升式動能殺傷器技術(shù)是目前反衛(wèi)和外空反導(dǎo)的主要手段之一。如美國在2008年進行的“燃燒冰霜”試驗中，用軍艦發(fā)射“標準-3”導(dǎo)彈擊毀了一顆高度為200公里左右的衛(wèi)星。而在今年的3月27日，印度宣布成功擊落了一顆位于距離地面300公里的近地軌道上的衛(wèi)星，成為第4個掌握反軌道衛(wèi)星技術(shù)的國家。這些衛(wèi)星應(yīng)該都是被上升式動能殺傷器擊落的。

核爆炸本身是成熟的技術(shù)，是目前人類能夠產(chǎn)生最大能量的主要手段。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，核爆炸產(chǎn)生的中子和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，將大部分星形團塊推向相反的方向。根據(jù)能量分析，對預(yù)警時間很短或質(zhì)量很大的小行星威脅，目前只有核爆炸手段可以進行防御。有研究顯示認為，對直徑大于600米的小行星，除了核爆炸外的其他單一手段均不能在30年內(nèi)有效改變小行星的軌道來解除威脅。而核爆炸同樣是反導(dǎo)的重要手段之一，在大氣層外利用核爆炸產(chǎn)生的X射線和電磁脈沖；在大氣層內(nèi)利用中子流、γ射線、沖擊波等的綜合效應(yīng)毀傷來襲彈道導(dǎo)彈。冷戰(zhàn)期間，美蘇雙方都使用核爆炸來彌補攔截彈制導(dǎo)精度的不足，如美蘇分別研制和部署了戰(zhàn)斗部采用核裝藥的“衛(wèi)兵”和“橡皮套鞋”反導(dǎo)彈系統(tǒng)，目前俄羅斯的A-135戰(zhàn)略反導(dǎo)系統(tǒng)也采用核彈頭。

綜上，小行星主動防御技術(shù)與未來空天戰(zhàn)爭相互融通，只是針對的目標有所不同，這在太空軍事化進程不斷加快的今天值得世人加以關(guān)注。