天火下的保護(hù)傘：小行星防御漫談

蘭順正

2021年11月24日，美國航空航天局（NASA）雙小行星變向試驗（DART）任務(wù)的小行星撞擊探測器在范登堡天軍基地成功發(fā)射。該任務(wù)的重點(diǎn)，是利用一顆重約550千克的航天器，以約6.6千米/秒的速度，高速撞擊Didymos（源于古希臘語，意為“雙胞胎”）雙小行星系統(tǒng)中的小衛(wèi)星Dimorphos，以驗證動能撞擊防御小行星技術(shù)。這是人類首次測試小行星防御技術(shù)，其意義不言而喻。

不得不防的小行星威脅

一般而言，軌道在離太陽1.3天文單位（1天文單位為地日間的平均距離，約1.5億千米），以及離地球軌道小于0.3天文單位范圍內(nèi)的小行星統(tǒng)一被稱為近地小行星。這種小行星的軌道距離地球較近，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天文單位，一般就認(rèn)為有潛在碰撞風(fēng)險。據(jù)統(tǒng)計，截至2021年10月18日，已發(fā)現(xiàn)的近地小行星超過26127顆。近年來，近地小行星飛掠事件頻繁發(fā)生，僅2021年已發(fā)生1074次，有21顆小行星被觀測到進(jìn)入大氣層。

小行星的碰撞可能帶來十分嚴(yán)重的后果。據(jù)估計，直徑為10～50米的小行星撞擊地球，即可產(chǎn)生像廣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;直徑大于10千米的小行星，能釋放10億噸級甚至千億噸級能量，這樣的能量可導(dǎo)致災(zāi)難性的地球環(huán)境，使全世界陷入核寒冬。除造成恐龍滅絕等災(zāi)難的原因很可能就是小行星與地球碰撞外，近年來發(fā)生的小行星碰撞事件也并非個案。

1908年6月30日，俄羅斯西伯利亞通古斯地區(qū)發(fā)生大爆炸，毀滅了大約2000平方千米的西伯利亞森林，科學(xué)家普遍認(rèn)為這是由一次小行星碰撞地球事件引起的。1976年3月8日15時，一顆隕石在我國吉林市上空發(fā)生了一次主爆裂，碎片散布在吉林市、永吉縣及蛟河市近郊500平方千米的范圍內(nèi)，形成當(dāng)時世界上人類目擊的最大石隕石雨。事件過后，人們共收集到隕石標(biāo)本138塊，碎塊3000余塊，總重達(dá)2616千克。其中最大的一塊隕石吉林1號，重達(dá)1770千克，沖擊地面造成蘑菇云狀煙塵，并且擊穿凍土層，形成一個深6.5米、直徑2米的坑，這也是當(dāng)時世界上最重的石隕石。2013年2月15日上午9時15分（世界時3時15分），俄羅斯車?yán)镅刨e斯克發(fā)生了一次隕石雨事件，隕石進(jìn)入大氣層留下約10千米長的軌跡。據(jù)俄羅斯媒體報道，該次事件中有1500人受傷，上千間房屋受損，經(jīng)濟(jì)損失約10億盧布。2014年11月5日，我國內(nèi)蒙古錫林郭勒盟也發(fā)生了疑似小行星造成的空中爆炸事件。

天災(zāi)來臨前的未雨綢繆

以前，防御小規(guī)模的小行星碰撞事件，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(jìn)步，如何主動防御小行星碰撞地球，也成為各國關(guān)注的重點(diǎn)。

目前，主動防御小行星主要有三種設(shè)想：利用長期作用力來改變小行星軌道、利用動能撞擊改變小行星軌道和核爆炸。

設(shè)想一，用長期作用力來緩慢改變小行星軌道。這有很多種手段，包括太空拖船、引力拖車、用挖掘機(jī)使小行星拋出質(zhì)量、用強(qiáng)激光照射改變小行星表面蒸發(fā)量、用表面噴漆等手段改變光壓力等。這其中以美國的小行星重定向計劃最具代表性。

NASA從2013年起開始實(shí)施這項小行星捕捉計劃。據(jù)悉，該計劃共有三個階段：

第一階段是小行星任務(wù)的準(zhǔn)備階段。在小行星重新定向計劃中，候選小行星有A、B兩個方案。A方案是捕獲一顆完整小行星，規(guī)定直徑在4～10米，質(zhì)量不超過1000噸，然后將其搬運(yùn)到月球遠(yuǎn)程逆行軌道上;B方案是在一顆直徑為100米以上的大型小行星上抓取一顆大卵石，直徑在2～4米，卵石重量在10～70噸。

第二階段是發(fā)射無人飛船與小行星交會，并將其捕獲。除了交會和捕獲外，在這一階段，飛船接近小行星時要對其特征進(jìn)行近距離觀測。由于小行星捕捉計劃在選定目標(biāo)小行星時有兩個方案，所以就需要為不同方案研發(fā)不同的捕獲機(jī)構(gòu)，目前較成熟的是為A方案設(shè)計的捕獲機(jī)構(gòu)。為了能捕獲一顆完整的小行星，NASA設(shè)想使用一種圓筒形、高強(qiáng)度、軟式充氣袋，在飛船靠近小行星時將其“鎖進(jìn)”袋中，然后拖進(jìn)船艙。如果執(zhí)行B方案，就需要從一顆大型的小行星表面飛掠，抓取一塊合適大小的卵石，以減輕小行星的質(zhì)量。按照第二階段的計劃，當(dāng)負(fù)責(zé)小行星重定向的無人飛船將捕獲到的小行星拖送到月球附近，并放置在月球遠(yuǎn)程逆行軌道上時，計劃就進(jìn)入了第三階段。

在第三階段，宇航員將乘坐獵戶座多用途飛船奔赴月球遠(yuǎn)程逆行軌道。在軌道上，獵戶座飛船將與先期發(fā)射的小行星重定向飛船交會對接，然后由宇航員出艙行走，登上小行星進(jìn)行觀察研究，同時采集小行星樣品，最后帶著樣品返回地球。雖然美國政府在2017年初宣布取消了這一任務(wù)，但該項目研發(fā)的一些關(guān)鍵技術(shù)將為其他應(yīng)用保留。

設(shè)想二，用航天器動能撞擊小行星，使其改變軌道。這是目前技術(shù)可以達(dá)到的，且相關(guān)技術(shù)已經(jīng)過多次試驗。目前知名的撞擊小行星計劃有：

1.美國的“深度撞擊”計劃

2005年1月13日，美國成功發(fā)射彗星探測飛船深度撞擊號。探測器經(jīng)過4.31億千米的長途跋涉，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372千克的撞擊器，以3.7萬千米/時的速度撞擊彗星的彗核，其威力相當(dāng)于4.5噸TNT烈性炸藥的爆炸威力。彗核表面被撞出一個數(shù)十米深、足球場大的環(huán)形坑。據(jù)悉，撞擊器攜帶能提供25米/秒推進(jìn)速度的肼推進(jìn)系統(tǒng)，以推進(jìn)必要的軌道修正和姿態(tài)控制;導(dǎo)航系統(tǒng)使用肼推進(jìn)器將飛行路徑變化控制在每秒1毫米的精確度內(nèi)。撞擊器在與探測器脫離、撞向彗核的前2秒，利用其相機(jī)，在距彗星20～300千米處拍攝了人類有史以來最清楚的彗核照片。探測器本體在撞擊發(fā)生后，利用光學(xué)成像和紅外線頻譜對彗星內(nèi)部物質(zhì)的碎片進(jìn)行掃描，考察撞擊后10多秒內(nèi)彗核的變化，并對撞擊過程、撞擊坑的形成及坑內(nèi)部進(jìn)行成像，收集能譜數(shù)據(jù)和彗星內(nèi)部物質(zhì)樣本，以分析彗核的結(jié)構(gòu)和組成。

2.日本的“隼鳥”計劃

日本于2003年5月發(fā)射隼鳥號探測器，2005年10月到達(dá)近地小行星糸川，并進(jìn)行了交會與采樣。當(dāng)探測器接近小行星表面時，探測器腹部突出的采樣裝置對準(zhǔn)并碰撞選定的采樣點(diǎn)，將一枚質(zhì)量為5克的金屬“子彈”以300米/秒的速度射向小行星表面，使小行星表面碎片飛濺起來。這些碎片被采樣裝置吸入一個喇叭口狀的容器中。隼鳥號于2010年6月返回地球。后續(xù)探測器隼鳥2號于2014年12月發(fā)射升空，于2018年6月抵達(dá)小行星龍宮，2019年2月成功在龍宮表面著陸。2019年4月，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）宣布，隼鳥2號攜帶的小型撞擊器裝置成功向龍宮小行星發(fā)射了一枚金屬彈，創(chuàng)造了一個隕石坑，實(shí)際再現(xiàn)了天體碰撞產(chǎn)生隕石坑的過程。

3.美國的DART計劃

此次文章開頭提及的DART項目由NASA和約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗室共同主導(dǎo)，整個計劃耗資約3.25億美元。DART計劃選擇的目標(biāo)是Didymos雙小行星系統(tǒng)。該小行星系統(tǒng)運(yùn)行在一條環(huán)繞太陽的橢圓軌道上，最近距離太陽約1.013天文單位，最遠(yuǎn)距離太陽約2.275天文單位，環(huán)繞太陽一圈約需770天。

1996年4月11日，Didymos被美國Spacewatch巡天計劃發(fā)現(xiàn)，經(jīng)進(jìn)一步觀測表明，Didymos系統(tǒng)的主小行星直徑約780米，小衛(wèi)星Dimorphos直徑約160米，每11.9小時繞主小行星運(yùn)行一圈，兩者距離約1.2千米。DART任務(wù)正是通過撞擊改變小衛(wèi)星Dimorphos相對主小行星Didymos的軌道，使其繞轉(zhuǎn)周期縮短約10分鐘。此次DART任務(wù)選擇的撞擊窗口，是在2022年9月末到10月初，屆時，Didymos系統(tǒng)將接近地球，距離最近約1066萬千米，正好處于地面望遠(yuǎn)鏡可觀測弧段內(nèi)，可對其撞擊過程實(shí)施監(jiān)測。同時通過地面測量小衛(wèi)星Dimorphos的繞轉(zhuǎn)周期變化，估算撞擊產(chǎn)生的速度增量，以評估動能撞擊防御小行星的效率。

另外，DART還攜帶了一顆由意大利制造的重14千克、名為麗西亞的立方星。按計劃，麗西亞會在撞擊前約1個月部署出去，利用兩臺光電成像儀觀測撞擊的全過程，并把圖像發(fā)回地球。歐空局還計劃開展一項名為“赫拉”的后續(xù)任務(wù)?！昂绽碧綔y器將在2024年10月發(fā)射，2026年年底抵達(dá)Didymos系統(tǒng)，進(jìn)一步對撞擊地點(diǎn)進(jìn)行研究。

設(shè)想三，核爆炸本身是成熟的技術(shù)，是目前人類能產(chǎn)生最大能量的主要手段。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(jìn)行防御。有研究認(rèn)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，均不能有效改變小行星的軌道來解除威脅。

防御小行星，中國在行動

在小行星防御領(lǐng)域，中國并沒有落后。

2012年12月15日，中國的嫦娥二號探測器近距離飛越小行星圖塔蒂斯，實(shí)現(xiàn)首次小行星飛越觀測，并獲取最高分辨率3米的光學(xué)彩色圖像，正式邁進(jìn)了原本只有美、歐、日幾個成員的小行星探測“俱樂部”。

2019年4月，中國國家航天局發(fā)布了《小行星探測任務(wù)有效載荷和搭載項目機(jī)遇公告》，確定了今后中國小天體探測方案的實(shí)施目標(biāo)是一顆地球共軌天體2016HO3，以及小行星帶中的主帶彗星311P，并希望通過一次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)兩類探測目標(biāo)和近距、附著、采樣3種探測模式。

其中，2016H03是一顆地球共軌天體，繞太陽公轉(zhuǎn)的周期為366天，距地球38～100倍地月距離。圍繞2016H03，中國將測定軌道參數(shù)、自轉(zhuǎn)參數(shù)、形狀大小和熱輻射等物理參數(shù)，研究其軌道起源與動力學(xué)演化;同時探測其形貌、表面物質(zhì)組分、內(nèi)部結(jié)果，獲取小行星樣品背景信息，以及對返回樣品開展實(shí)驗室分析研究。而311P是小行星帶中的主帶彗星，研究熱點(diǎn)為主帶彗星的形成、演化和氣體活動機(jī)制。圍繞311P，中國將測定主帶彗星的軌道參數(shù)、自轉(zhuǎn)參數(shù)、形狀大小和熱輻射等物理參數(shù)，研究主帶彗星的軌道起源及其動力學(xué)演化;同時探測主帶彗星的形貌、表面物質(zhì)組分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、空間環(huán)境等信息，獲取太陽系的早期演化信息。

在小行星防御方面，2021年4月24日中國航天日時，國家航天局透露，中國航天未來將論證建設(shè)近地小行星防御系統(tǒng)。同年11月23日，第一屆全國行星防御大會在廣西桂林開幕，會議旨在促進(jìn)我國近地小天體監(jiān)測、預(yù)警、防御領(lǐng)域的交叉融合，探討有關(guān)前沿科學(xué)問題、關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展、工程實(shí)施方案、政策法律構(gòu)建及國際合作交流等，促進(jìn)同行間的合作與交流，繁榮學(xué)術(shù)，推動我國行星防御領(lǐng)域整體水平的提高和更快發(fā)展。

另外在具體技術(shù)上，2021年5月，中國的科研團(tuán)隊提出了“以石擊石”加強(qiáng)型動能撞擊行星防御任務(wù)概念。

根據(jù)美國國家科學(xué)院預(yù)測，要使一顆較小的小行星偏離軌道，需要一兩年的預(yù)警時間;對更大的小行星，可能需要20年;對直徑幾百千米的太空巨型巖石，甚至需要幾十年時間。目前，雖然利用動能撞擊改變小行星軌道是主動防御小行星的各種設(shè)想中，較被看好的方案，但問題在于，經(jīng)典動能撞擊在預(yù)警時間較短的情況下，無法有效防御大尺寸小行星。

而中國提出的方案是通過發(fā)射無人飛行器捕獲小尺寸小行星，或者在碎石堆小行星上采集超過100噸的巖石，與飛行器構(gòu)成組合撞擊體，操控組合體撞擊對地球有潛在威脅的小行星，使其偏轉(zhuǎn)出撞擊地球的軌道，有典型的借力打力之意。

據(jù)中國相關(guān)研究人員介紹，相比經(jīng)典動能撞擊方法，以石擊石方案可突破地面發(fā)射人造撞擊體的運(yùn)載能力和包絡(luò)限制，通過在太空中捕獲百噸級質(zhì)量的巖石，顯著提升撞擊體質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)小行星防御效果的數(shù)量級提升，為防御大尺寸潛在威脅小行星提供核爆之外的一種新選項。此外，以石擊石行星防御方案還能融合小行星探測和小行星防御，在小行星科學(xué)方面也具有較高的研究價值。