近地天體防御模擬推演分析與啟示

李海濤，辛?xí)陨?/p>

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

引 言

近年來(lái)，多顆近地天體以小于地–月距離，甚至小于地球同步軌道高度的距離飛掠地球。2013年2月俄羅斯車(chē)?yán)镅刨e斯克地區(qū)發(fā)生小行星墜入地球大氣層導(dǎo)致空爆事件，造成了大量人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失[1]。類(lèi)似的火流星事件在中國(guó)云南、吉林等地也多次發(fā)生。近地小行星防御已受到世界各國(guó)的廣泛高度關(guān)注[2-3]。

美國(guó)空軍早在2008年舉辦了“未來(lái)演習(xí)2009”桌面演習(xí)項(xiàng)目[4]，首次針對(duì)近地天體撞擊防御開(kāi)展針對(duì)性模擬推演，旨在提升美國(guó)軍方及政府部門(mén)、研究機(jī)構(gòu)對(duì)近地天體撞擊事件的重視，明確各方職責(zé)范圍，識(shí)別應(yīng)對(duì)能力短板。之后，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）與美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理局（Federal Emergency Management Agency，F(xiàn)EMA）聯(lián)合于2013—2016年先后組織了3次模擬推演，推演側(cè)重于演練近地天體撞擊災(zāi)害公共信息傳播、突發(fā)事件應(yīng)對(duì)和災(zāi)后救援等方面[5]。自2015年起，依托兩年一次的國(guó)際行星防御大會(huì)（Planetary Defense Conference，PDC），在NASA下屬行星防御協(xié)調(diào)辦公室（Planetary Defense Coordination Office，PDCO）指導(dǎo)下，由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）近地天體研究中心（Center for Near Earth Object Studies，CNEOS）和聯(lián)合國(guó)外層空間事務(wù)廳（United Nations Office for Outer Space Affairs，UNOOSA）國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)（International Asteroid Warning Network，IAWN）聯(lián)合牽頭，常態(tài)化組織開(kāi)展國(guó)際近地天體防御模擬推演，迄今舉辦了5期。該系列推演旨在全面演練和評(píng)估近地天體防御決策指揮流程和應(yīng)對(duì)措施，并通過(guò)推演暴露國(guó)際近地天體防御工作存在的問(wèn)題。

本文概述了歷次國(guó)際近地天體防御模擬推演的基本情況，重點(diǎn)介紹了2019年和2021年2次模擬推演的具體情況并進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)梳理與近地天體防御相關(guān)的監(jiān)測(cè)預(yù)警、撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和在軌處置等各相關(guān)力量的組織流程和關(guān)鍵能力，提出對(duì)中國(guó)加強(qiáng)近地天體防御工作、組織開(kāi)展近地天體防御模擬推演的啟示及思路建議。

1 國(guó)際近地天體防御模擬推演基本情況

國(guó)際近地天體防御模擬推演自2015年起，每?jī)赡暌淮蔚膰?guó)際行星防御大會(huì)常態(tài)化組織開(kāi)展，負(fù)責(zé)推演目標(biāo)近地天體軌道設(shè)計(jì)、物理性質(zhì)設(shè)定和觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)仿真等相關(guān)推演想定場(chǎng)景設(shè)計(jì)。推演主要參加單位包括UNOOSA空間任務(wù)規(guī)劃咨詢(xún)小組（Space Missions Planning Advisory Group，SMPAG）、NASA戈達(dá)德航天飛行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）、艾姆斯研究中心（Ames Research Center，ARC）、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratory，SNL）、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory，LANL）等3個(gè)美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，以及私營(yíng)航天公司代表——美國(guó)宇航公司（Aerospace Corp.）。根據(jù)推演想定場(chǎng)景，各方結(jié)合專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)參與模擬推演工作，各方主要分工負(fù)責(zé)詳見(jiàn)表1。

表1 國(guó)際近地天體防御模擬推演參演方分工Table 1 Participants and responsibilities of PDEs

CNEOS對(duì)歷次模擬推演的基本情況進(jìn)行了匯總并公布在官方網(wǎng)站（https://cneos.jpl.nasa.gov/pd/cs）。從假想目標(biāo)天體情況、監(jiān)測(cè)預(yù)警過(guò)程、在軌處置和撞擊災(zāi)害評(píng)估等方面對(duì)歷次推演進(jìn)行了概略總結(jié)（2023年模擬推演情況目前尚未完整公布）如表2所示。對(duì)比可得，歷次推演雖然科目和流程基本類(lèi)似，但通過(guò)假想的目標(biāo)天體物理特性和軌道的多樣化設(shè)計(jì)，盡可能涵蓋各類(lèi)防御場(chǎng)景，撞擊效應(yīng)建模和評(píng)估精細(xì)度也在不斷提升。

表2 歷次國(guó)際近地天體防御模擬推演基本情況Table 2 Basic facts about recent PDEs

2 近兩次國(guó)際近地天體防御模擬推演

2019年和2021年開(kāi)展的2次國(guó)際近地天體防御模擬推演，分別針對(duì)撞擊區(qū)域?yàn)槊绹?guó)紐約和歐洲中部、撞擊預(yù)警時(shí)間分別為8年和6個(gè)月的小行星撞擊，在推演流程和應(yīng)急處置設(shè)計(jì)等方面具有一定的代表性。

2.1 2019年國(guó)際近地天體防御模擬推演

2019年4月底，第6屆國(guó)際行星防御大會(huì)期間在美國(guó)馬里蘭州的學(xué)院公園市舉行了2019年國(guó)際近地天體防御模擬推演[6]。

2.1.1 假定場(chǎng)景

2019年3月26日，位于美國(guó)夏威夷州毛伊島哈來(lái)亞卡拉峰（Haleakala Summit），近地天體巡天觀(guān)測(cè)項(xiàng)目“全景巡天望遠(yuǎn)鏡和快速響應(yīng)系統(tǒng)”（Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System，Pan-STARRS）的1.8 m口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡新發(fā)現(xiàn)了1顆近地小行星。該小行星發(fā)現(xiàn)時(shí)距地球0.38 AU，其有關(guān)信息在發(fā)現(xiàn)后第一時(shí)間迅速上報(bào)至國(guó)際小行星中心（Minor Planet Center，MPC），被命名為“2019 PDC”。在后續(xù)2 d的時(shí)間內(nèi)，世界各地參與近地天體觀(guān)測(cè)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相繼組織對(duì)該小行星進(jìn)行跟蹤觀(guān)測(cè)，確認(rèn)了其軌道參數(shù)，其繞日公轉(zhuǎn)軌道周期約為2.7年，未來(lái)10年內(nèi)將會(huì)多次近距離飛越地球。CNEOS初步判定該小行星最可能將于8年后，即2027年4月29日與地球相撞?？紤]到該小行星軌道的不確定性，撞擊概率初步評(píng)估為1/50 000。同時(shí)根據(jù)測(cè)光觀(guān)測(cè)結(jié)果，初步確認(rèn)該小行星絕對(duì)星等為（21.7 ± 0.4）；但該小行星物理特性尚不清楚，由絕對(duì)星等反算得到的小行星直徑不確定度較大，初步判定其直徑范圍100～300 m，由此可能會(huì)造成區(qū)域性（幾百千米范圍）乃至洲際性（幾千千米范圍）的撞擊災(zāi)難。

2.1.2 推演過(guò)程

推演共持續(xù)5天時(shí)間。設(shè)定推演場(chǎng)景時(shí)間分別為2019年4月29日、2019年7月29日、2021年12月30日、2024年9月3日和2027年4月19日。推演流程如圖1所示。

1）推演第1天（2019年4月29日，預(yù)警后1個(gè)月）

經(jīng)過(guò)世界各地參與近地天體觀(guān)測(cè)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一個(gè)月時(shí)間集中觀(guān)測(cè)，進(jìn)一步提高了2019 PDC的軌道確定精度，該小行星撞擊地球概率已升至1%。美國(guó)“近地天體寬視場(chǎng)紅外巡天探測(cè)器”（NEO Wide-field Infrared Survey Explorer，NEOWISE）天基紅外望遠(yuǎn)鏡已啟動(dòng)跟蹤觀(guān)測(cè)，SMPAG也啟動(dòng)了在軌處置任務(wù)初步方案設(shè)計(jì)。

2）推演第2天（2019年7月29日，預(yù)警后4個(gè)月）

通過(guò)多臺(tái)套地基米級(jí)口徑近地天體監(jiān)測(cè)專(zhuān)用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡持續(xù)觀(guān)測(cè)，2019 PDC的軌道確定精度得到進(jìn)一步提高，該小行星撞擊地球概率已升至10%，可能的撞擊區(qū)域沿東南到西北方向橫跨非洲、大西洋、北美和太平洋。5月初NEOWISE天基紅外望遠(yuǎn)鏡的觀(guān)測(cè)結(jié)果確定2019 PDC直徑為（185 ± 45）m，自轉(zhuǎn)周期約為12 h，但光譜類(lèi)型和成分尚無(wú)法確定。ARC初步判斷撞擊事件釋放能量當(dāng)量可達(dá)（100～800）Mt，最多可造成1 900萬(wàn)人受災(zāi)。

SMPAG推薦采用動(dòng)能撞擊或者核爆偏轉(zhuǎn)2種在軌處置方式，動(dòng)能撞擊偏轉(zhuǎn)指發(fā)射撞擊器直接與近地天體相撞，改變近地天體的飛行速度從而偏轉(zhuǎn)其運(yùn)行軌道；核爆偏轉(zhuǎn)指發(fā)射核爆裝置與近地天體交會(huì)，在近地天體表面一定高度處引爆核裝置，核爆產(chǎn)生的X射線(xiàn)燒蝕近地天體表面物質(zhì)形成的高速氣流沖擊近地天體，從而改變近地天體飛行速度進(jìn)而偏轉(zhuǎn)其運(yùn)行軌道。SMPAG建議于實(shí)施在軌處置任務(wù)之前，開(kāi)展近地天體抵近探測(cè)任務(wù)，對(duì)近地天體質(zhì)量、成分等物理性質(zhì)及軌道、自轉(zhuǎn)狀態(tài)等進(jìn)行更精確的測(cè)量，以確保在軌處置任務(wù)的有效性，SMPAG組織相關(guān)單位完成了初步的任務(wù)方案設(shè)計(jì)。

3）推演第3天（2021年12月30日，預(yù)警后2年）

2021年6月發(fā)射的飛越探測(cè)器對(duì)2019 PDC的成像和光譜觀(guān)測(cè)結(jié)果表明該小行星為石質(zhì)細(xì)長(zhǎng)橢球體形密接雙小行星，尺寸包絡(luò)260 m × 140 m × 140 m，根據(jù)密度和體積可更準(zhǔn)確地估計(jì)其質(zhì)量約為5 × 106t。此外，2019 PDC的軌道通過(guò)對(duì)飛越探測(cè)器定軌和對(duì)器載相機(jī)成像數(shù)據(jù)處理得到進(jìn)一步精化，撞擊地球概率確定為100%，撞擊區(qū)域縮小至美國(guó)中部科羅拉多州丹佛市。ARC分析2019 PDC進(jìn)入大氣層速度為19.1 km/s，空爆高度為6～9 km，爆炸當(dāng)量約為510 Mt（相當(dāng)于3.4萬(wàn)顆廣島原子彈），預(yù)計(jì)受災(zāi)人口達(dá)330萬(wàn)人，經(jīng)濟(jì)損失約200億美元。

自2019年起，共安排6套動(dòng)能撞擊任務(wù)系統(tǒng)（3套主份、3套備份）研制，預(yù)計(jì)16個(gè)月后發(fā)射。交會(huì)探測(cè)飛行器計(jì)劃幾個(gè)月后發(fā)射，同時(shí)搭載核爆裝置。同時(shí)，臨時(shí)改換其它已在軌飛行的行星際探測(cè)器的預(yù)定探測(cè)目標(biāo)，計(jì)劃實(shí)施與2019 PDC的交會(huì)探測(cè)。

4）推演第4天（2024年9月3日，撞擊前3年）

由于各種有關(guān)核爆裝置使用爭(zhēng)議問(wèn)題沒(méi)有得到及時(shí)解決，核爆處置任務(wù)未能實(shí)施。最終，共有3套動(dòng)能撞擊器成功撞擊2019 PDC。同時(shí)臨時(shí)改換任務(wù)目標(biāo)的行星際探測(cè)器實(shí)現(xiàn)與2019 PDC交會(huì)，并對(duì)動(dòng)能撞擊效應(yīng)進(jìn)行了抵近觀(guān)測(cè)。觀(guān)測(cè)表明第1套動(dòng)能撞擊器撞擊2019 PDC時(shí)，一塊直徑為（65 ± 15）m的碎塊與小行星主體分裂，依然保留在原軌道附近；其余兩套動(dòng)能撞擊器撞擊了2019 PDC主體，成功使得2019 PDC主體偏離原軌道。碎塊的準(zhǔn)確速度難以判定，交會(huì)探測(cè)器成像結(jié)果雖然無(wú)法準(zhǔn)確判定碎塊速度，但初步估計(jì)撞擊區(qū)域依然位于美國(guó)東部或大西洋。ARC初步判斷碎塊撞擊地球的能量當(dāng)量最大可達(dá)80 Mt，受災(zāi)人口可達(dá)1 100萬(wàn)人。由于軌道幾何約束，動(dòng)能撞擊實(shí)際發(fā)生位置與太陽(yáng)角距離小于45°，此時(shí)地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡無(wú)法對(duì)其實(shí)施觀(guān)測(cè)。

SMPAG組織進(jìn)行了應(yīng)急核爆處置任務(wù)設(shè)計(jì)，考慮利用一發(fā)獵鷹重型運(yùn)載火箭發(fā)射170 kg 300 kt當(dāng)量核爆裝置對(duì)碎塊進(jìn)行核爆摧毀并完成了任務(wù)初步方案設(shè)計(jì)。仿真研究表明，在撞擊前60～120 d利用該核爆裝置對(duì)直徑50～80 m小行星實(shí)施在軌處置極大概率可避免其對(duì)地球造成嚴(yán)重威脅。

5）推演第5天（2027年4月19日，撞擊前10 d）

應(yīng)急核爆處置任務(wù)因敏感性和相關(guān)爭(zhēng)議問(wèn)題懸而未決（主要集中于為防御近地小行星撞擊而實(shí)施外層空間核爆是否符合國(guó)際法[7]）最終未能如期發(fā)射。在過(guò)去3個(gè)月，多臺(tái)套地基近地天體監(jiān)測(cè)專(zhuān)用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡設(shè)備對(duì)2019 PDC撞擊后殘留的碎塊進(jìn)行持續(xù)觀(guān)測(cè)，精確軌道測(cè)定結(jié)果表明該碎塊仍會(huì)在4月29日撞擊地球，撞擊區(qū)域確定位于美國(guó)紐約市。

4月18日，美國(guó)305 m口徑阿雷西博行星雷達(dá)首次近距離對(duì)2019 PDC碎塊實(shí)現(xiàn)了成像和測(cè)量，進(jìn)一步確認(rèn)了其尺寸為（60 ± 10）m。ARC仿真預(yù)測(cè)結(jié)果表明撞擊時(shí)間為2027年4月29日12:01:38（美國(guó)東部時(shí)間），碎塊進(jìn)入大氣層速度約為19 km/s，進(jìn)入角77°。碎塊進(jìn)入大氣層后預(yù)計(jì)形成超級(jí)火流星，空爆高度13～15 km，爆炸當(dāng)量約15 Mt（相當(dāng)于1 000枚廣島原子彈），受災(zāi)人口可達(dá)約1 000萬(wàn)人，經(jīng)濟(jì)損失740億美元。

2.2 2021年國(guó)際近地天體防御模擬推演

2021年4月底，第7屆國(guó)際行星防御大會(huì)期間（線(xiàn)上視頻會(huì)議）在奧地利維也納舉行了2021年國(guó)際近地天體防御模擬推演[8]。

2.2.1 假定場(chǎng)景

2021年4月19日，隸屬于Pan-STARRS近地天體巡天觀(guān)測(cè)項(xiàng)目的1.8 m口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡新發(fā)現(xiàn)了1顆近地小行星。該小行星在發(fā)現(xiàn)時(shí)距地球0.38 AU，其有關(guān)信息在發(fā)現(xiàn)后第一時(shí)間迅速上報(bào)至MPC，并被命名為“2021 PDC”。在后續(xù)2 d時(shí)間內(nèi)，世界各地參與近地天體觀(guān)測(cè)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相繼組織對(duì)該小行星進(jìn)行跟蹤觀(guān)測(cè)，確認(rèn)了其軌道參數(shù)，并初步判定該小行星將于6個(gè)月后，即2021年10月20日，與地球相撞?？紤]到該小行星軌道的不確定性，撞擊概率初步評(píng)估為1/2 500。同時(shí)，根據(jù)測(cè)光觀(guān)測(cè)結(jié)果，初步確認(rèn)該小行星絕對(duì)星等為（22.4 ± 0.3）等，但該小行星物理特性尚不清楚，由絕對(duì)星等反算得到的小行星直徑不確定度較大，初步判定其直徑范圍35～700 m，由此可能會(huì)造成局部性（幾千米范圍）乃至洲際性（幾千千米范圍）的撞擊災(zāi)難。

2.2.2 推演過(guò)程

推演共持續(xù)4 d時(shí)間。設(shè)定推演場(chǎng)景時(shí)間分別為2021年4月26日、5月2日、6月30日和10月14日。推演流程如圖2所示。

圖2 2021年國(guó)際近地天體防御模擬推演主要流程Fig.2 Major scenarios and progress of 2021 PDE

1）推演第1天（4月26日，預(yù)警后1周）

經(jīng)過(guò)世界各地近地天體觀(guān)測(cè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一周時(shí)間的集中觀(guān)測(cè)，進(jìn)一步提高了2021 PDC的軌道確定精度，該小行星撞擊地球概率已升至5%，可能的撞擊范圍覆蓋全球2/3的區(qū)域。ARC綜合撞擊概率和撞擊能量分析，初步判斷撞擊事件最多可造成8 600萬(wàn)人受災(zāi)。

2）推演第2天（5月2日，預(yù)警后2周）

Pan-STARRS近地天體巡天觀(guān)測(cè)項(xiàng)目通過(guò)回溯其歷史觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2014年曾成功獲取2021 PDC觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，但在當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)并未及時(shí)做出響應(yīng)。進(jìn)一步綜合利用時(shí)間跨度達(dá)到7年的累積觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌預(yù)報(bào)，可以判定該小行星6個(gè)月后撞擊地球概率達(dá)到100%，撞擊區(qū)域?yàn)闅W洲和北非。

同時(shí)，SMPAG組織GSFC等相關(guān)機(jī)構(gòu)開(kāi)展了小行星在軌處置任務(wù)分析。分析結(jié)果表明，利用引力偏轉(zhuǎn)方式無(wú)法滿(mǎn)足在軌處置時(shí)效性要求，而利用動(dòng)能撞擊偏轉(zhuǎn)方式則因?yàn)闀r(shí)間因素制約且速度增量要求過(guò)大也不可行。唯一可行的在軌處置方式為核爆偏轉(zhuǎn)。任務(wù)設(shè)計(jì)結(jié)果表明，可送達(dá)小行星附近的核爆裝置當(dāng)量可達(dá)4.5 Mt，足夠摧毀直徑在100～210 m范圍內(nèi)的小行星目標(biāo)?；?4%的核爆摧毀概率計(jì)算，采取核爆處置方式可將小行星撞擊受災(zāi)人口數(shù)目降低20%。為提高核爆處置的有效性，先期發(fā)射小行星抵近探測(cè)飛行器對(duì)小行星尺寸、構(gòu)成等相關(guān)的物理性質(zhì)進(jìn)行精確測(cè)量是十分必要的。但受到現(xiàn)有航天器研制和火箭快速發(fā)射能力限制，無(wú)法在6個(gè)月時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)核爆處置任務(wù)發(fā)射，因此最終所有在軌處置方案均判定為不可行。

3）推演第3天（6月30日，撞擊前4個(gè)月）

通過(guò)地基米級(jí)口徑近地天體監(jiān)測(cè)專(zhuān)用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡以及包括4 m口徑的加拿大–法國(guó)–夏威夷在內(nèi)的大口徑天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡持續(xù)開(kāi)展地面觀(guān)測(cè)，2021 PDC的軌道進(jìn)一步精化，撞擊地球的可能區(qū)域縮小至德國(guó)、捷克和奧地利。同時(shí)，美國(guó)NEOWISE天基紅外望遠(yuǎn)鏡通過(guò)大量曝光成像結(jié)果疊加，實(shí)現(xiàn)了對(duì)2021 PDC的探測(cè)，獲得了2021 PDC更準(zhǔn)確的尺寸估計(jì)值，直徑（160 ±80）m。ARC評(píng)估判定2021 PDC的大氣進(jìn)入速度約15.2 km/s，進(jìn)入角50°～55°，撞擊釋放能量當(dāng)量平均約為136 Mt，受災(zāi)人口數(shù)目最大可達(dá)660萬(wàn)人。

4）推演第4天（10月14日，撞擊前1周）

在2021 PDC撞擊地球前1周，美國(guó)戈?duì)柕滤诡D太陽(yáng)系雷達(dá)（Goldstone Solar System Radar，GSSR）實(shí)現(xiàn)了對(duì)2021 PDC的探測(cè)（探測(cè)距離6.3 × 106km），雷達(dá)成像結(jié)果精確測(cè)定2021 PDC直徑為（105 ± 10）m。同時(shí)精確的軌道測(cè)量進(jìn)一步提高了撞擊地球時(shí)間和區(qū)域的預(yù)報(bào)精度：撞擊時(shí)間確定為10月20日17:02:25（格林尼治協(xié)調(diào)世界時(shí)），誤差為1 s；撞擊區(qū)域范圍縮小至23 km，受影響區(qū)域范圍約300 km。

2.3 2次模擬推演情況對(duì)比

2019年和2021年2次國(guó)際近地天體防御模擬推演在想定場(chǎng)景和推演流程上存在一定不同，但也具有規(guī)律性和共同之處，2次推演主要對(duì)比情況如表3所示。負(fù)責(zé)災(zāi)害應(yīng)急救援工作的相關(guān)機(jī)構(gòu)或組織（如美國(guó)相關(guān)政府機(jī)構(gòu)FEMA）并未參加2次推演，所以2次推演流程均中止于小行星撞擊前1周左右，后續(xù)的災(zāi)害應(yīng)對(duì)、人員疏散及應(yīng)急救援等方面的演練工作并未開(kāi)展，這也是公開(kāi)的近幾次國(guó)際近地天體防御模擬推演的主要缺項(xiàng)。

表3 2019年和2021年兩次國(guó)際近地天體防御模擬推演對(duì)比Table 3 Comparison between 2019 PDE and 2021 PDE

3 近2次國(guó)際近地天體防御模擬推演分析

2019年和2021年舉行的2次國(guó)際近地天體防御模擬推演對(duì)除撞擊災(zāi)害應(yīng)急救援外的近地天體防御主要實(shí)施流程和應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了演練。以下對(duì)推演過(guò)程中反映的問(wèn)題以及推演結(jié)果進(jìn)行概要分析。

3.1 近地天體防御實(shí)施流程

從近幾次模擬推演來(lái)看，近地天體防御實(shí)施流程主要可以分為監(jiān)測(cè)預(yù)警、撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、在軌處置和應(yīng)急救援等4個(gè)方面，如圖3所示。

3.1.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警

監(jiān)測(cè)預(yù)警的主要任務(wù)是對(duì)全天區(qū)進(jìn)行持續(xù)搜索探測(cè)，編目管理現(xiàn)有近地天體數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)識(shí)別新發(fā)現(xiàn)的近地天體，并基于持續(xù)的加密后，隨觀(guān)測(cè)對(duì)其可能撞擊地球的概率進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警。該任務(wù)主要由世界各地分屬多個(gè)國(guó)家的多臺(tái)米級(jí)口徑望遠(yuǎn)鏡承擔(dān)，設(shè)備共同納入IAWN，并依托MPC進(jìn)行觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總和發(fā)布。目前國(guó)際上主要的近地天體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目都來(lái)自美國(guó)，包括卡特琳娜巡天項(xiàng)目（Catalina Sky Survey，CSS）、Pan-STARRS巡天項(xiàng)目、小行星地球撞擊最后預(yù)警系統(tǒng)（Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System，ATLAS）等，每年近97%新發(fā)現(xiàn)的近地天體均來(lái)自于這3個(gè)巡天觀(guān)測(cè)項(xiàng)目[9]。

在巡天項(xiàng)目每日例行的巡天觀(guān)測(cè)過(guò)程中，后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也在實(shí)時(shí)對(duì)觀(guān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)初步確認(rèn)目標(biāo)可能為一顆新發(fā)現(xiàn)的近地天體時(shí)，目標(biāo)觀(guān)測(cè)結(jié)果和初始軌道將第一時(shí)間發(fā)布MPC網(wǎng)站，同時(shí)IAWN所屬的世界各地光學(xué)望遠(yuǎn)鏡迅速組織對(duì)新發(fā)現(xiàn)的近地天體開(kāi)展后隨觀(guān)測(cè)，并將觀(guān)測(cè)結(jié)果同步發(fā)布MPC網(wǎng)站。與此同時(shí)，CNEOS利用MPC匯總的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)新發(fā)現(xiàn)的近地天體進(jìn)行精密軌道確定和撞擊地球概率計(jì)算，當(dāng)撞擊概率大于1%后，及時(shí)發(fā)出告警，以便進(jìn)一步組織后續(xù)天地基加密觀(guān)測(cè)和包括撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和在軌處置任務(wù)分析在內(nèi)的應(yīng)急響應(yīng)行動(dòng)[10-11]。隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的更新，撞擊概率也會(huì)進(jìn)行持續(xù)更新。隨著軌道確定精度的提高，撞擊概率可能會(huì)進(jìn)一步提高，也會(huì)因?yàn)榕懦瞬糠肿矒糗壍赖目赡苄赞D(zhuǎn)而減小[12]。

3.1.2 撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)近地天體開(kāi)展撞擊風(fēng)險(xiǎn)告警和災(zāi)害評(píng)估。根據(jù)撞擊概率、近地天體軌道和物理性質(zhì)等信息，開(kāi)展高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)和撞擊效應(yīng)建模計(jì)算，研判可能的撞擊區(qū)域及造成的災(zāi)害效應(yīng)，并對(duì)人員財(cái)產(chǎn)損失進(jìn)行評(píng)估[13]。

3.1.3 在軌處置

在監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警告的同時(shí)，SMPAG為主協(xié)調(diào)組織主要航天國(guó)家開(kāi)展抵近探測(cè)和在軌處置任務(wù)方案設(shè)計(jì)。根據(jù)已有近地天體的軌道和物理性質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)有運(yùn)載火箭和航天器研制能力，尋求最佳的在軌處置任務(wù)方案。目前，主要可供選擇的在軌處置方案包括引力偏轉(zhuǎn)、動(dòng)能撞擊和核爆摧毀。

特別說(shuō)明的是隨著近地天體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充更新，獲取的近地天體軌道和物理性質(zhì)信息會(huì)得到精化，結(jié)果的不確定性會(huì)進(jìn)一步降低，撞擊預(yù)警、撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及在軌處置設(shè)計(jì)也需要持續(xù)動(dòng)態(tài)更新。

3.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警關(guān)鍵能力

根據(jù)2021年模擬推演情況，可以看出全球布局聯(lián)動(dòng)的米級(jí)口徑大視場(chǎng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)網(wǎng)是近地天體監(jiān)測(cè)預(yù)警的基礎(chǔ)。借助于大視場(chǎng)巡天觀(guān)測(cè)能力，美國(guó)年發(fā)現(xiàn)的近地天體數(shù)目占世界年總發(fā)現(xiàn)數(shù)目的96%以上。但是受限于米級(jí)口徑望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)能力，對(duì)于較為暗弱的目標(biāo)的后隨精測(cè)需要依賴(lài)4 m以上大口徑望遠(yuǎn)鏡。2021年模擬推演中，由于6—10月小行星距離和觀(guān)測(cè)幾何限制，需利用地基4 m口徑CFHT望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行跟蹤觀(guān)測(cè)。同時(shí)由于地基觀(guān)測(cè)波段的限制，紅外波段的近地天體觀(guān)測(cè)只能依賴(lài)天基紅外望遠(yuǎn)鏡。利用近地天體紅外波段觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)可進(jìn)一步降低近地天體物理性質(zhì)特別是其尺寸的不確定度，2次模擬推演中，均利用美國(guó)NEOWISE天基紅外望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)將小行星的直徑由幾百米縮小至幾十米的誤差范圍。此外雖然地基雷達(dá)探測(cè)能力具有一定的局限性，但其對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量近地天體尺寸及自轉(zhuǎn)、形狀、表面物質(zhì)成分等物理性質(zhì)具有極其重要的價(jià)值，對(duì)近地天體準(zhǔn)確編目和撞擊短臨預(yù)報(bào)具有不可替代的作用。2次模擬推演中地基雷達(dá)在小行星撞擊前10 d左右、距地球6 × 106～1.3 × 107km處實(shí)現(xiàn)了對(duì)其成像測(cè)量，精確測(cè)定了小行星軌道，進(jìn)一步縮小了撞擊地球區(qū)域范圍；同時(shí)精確測(cè)定了小行星尺寸，提高了撞擊效應(yīng)建模和受災(zāi)人口數(shù)據(jù)估計(jì)精度。

3.3 撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估關(guān)鍵能力

撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的2個(gè)主要關(guān)鍵能力為撞擊效應(yīng)建模和撞擊災(zāi)害評(píng)估。撞擊效應(yīng)建模主要指根據(jù)撞擊概率、近地天體軌道和物理性質(zhì)等信息，利用高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)模型和撞擊模型，對(duì)近地天體進(jìn)入大氣層后空爆導(dǎo)致的沖擊波超壓、熱輻射以及撞擊地表導(dǎo)致的地震、海嘯等各種效應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算。撞擊災(zāi)害評(píng)估則指根據(jù)撞擊各種效應(yīng)造成的毀傷能力，結(jié)合撞擊區(qū)域預(yù)報(bào)和人口分布情況，對(duì)受災(zāi)人口數(shù)目和可能造成的人員財(cái)產(chǎn)損失進(jìn)行評(píng)估[14]。2種能力的基礎(chǔ)是對(duì)近地天體軌道以及包括尺寸、構(gòu)成等的物理性質(zhì)的準(zhǔn)確測(cè)定和建模。撞擊風(fēng)險(xiǎn)和災(zāi)害評(píng)估結(jié)果可直接用于指導(dǎo)在軌處置任務(wù)方案設(shè)計(jì)和應(yīng)急災(zāi)害救援行動(dòng)。

3.4 在軌處置關(guān)鍵能力

在軌處置主要手段包括引力偏轉(zhuǎn)、動(dòng)能撞擊以及核爆偏轉(zhuǎn)或摧毀，所需關(guān)鍵技術(shù)主要包括超高速航天器精確導(dǎo)航制導(dǎo)、抵近探測(cè)器遠(yuǎn)距離操控和自主控制、動(dòng)能撞擊及核爆效能建模仿真和評(píng)估、動(dòng)能撞擊器/核爆裝置的快速發(fā)射和在軌預(yù)置等[15-16]。其中，核爆裝置的快速發(fā)射技術(shù)是2021年模擬推演中在軌處置任務(wù)無(wú)法實(shí)施的關(guān)鍵制約因素；而動(dòng)能撞擊效能評(píng)估的失誤則導(dǎo)致2019年模擬推演中在軌處置后遺留形成了直徑約60 m的小行星碎塊，同時(shí)撞擊區(qū)域由人口較少的科羅拉多州轉(zhuǎn)移至人口密集的紐約市，反而加劇了撞擊可能造成的損失。

4 思考與啟示

通過(guò)對(duì)近2次國(guó)際近地天體防御模擬推演在監(jiān)測(cè)預(yù)警、撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和在軌處置等近地天體防御主要流程的想定推演過(guò)程進(jìn)行分析研究，可提供以下思考啟示。

1）常態(tài)化組織實(shí)施近地天體防御演習(xí)

國(guó)家層面應(yīng)常態(tài)化組織實(shí)施近地天體防御演習(xí)、理順指揮隸屬關(guān)系、完善組織指揮流程、摸清防御處置底數(shù)、識(shí)別系統(tǒng)差距短板。充分發(fā)揮不同單位在指揮控制、監(jiān)測(cè)預(yù)警、態(tài)勢(shì)感知、發(fā)射測(cè)控、在軌操控等領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)近地天體防御演習(xí)全流程。通過(guò)相關(guān)演習(xí)演訓(xùn)，推動(dòng)國(guó)家相關(guān)能力和裝備的建設(shè)、集成和應(yīng)用，促進(jìn)近地天體防御力量全面發(fā)展。

2）建立獨(dú)立自主監(jiān)測(cè)預(yù)警體系

應(yīng)依托現(xiàn)有光學(xué)射電天文觀(guān)測(cè)網(wǎng)、態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)和深空測(cè)控網(wǎng)，建立獨(dú)立自主的地基光學(xué)、雷達(dá)聯(lián)合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)方面，對(duì)標(biāo)國(guó)際光學(xué)望遠(yuǎn)鏡性能指標(biāo)，建造10 m以上的大口徑望遠(yuǎn)鏡，提高對(duì)近地天體的跟蹤精測(cè)能力。同時(shí)可以配套建設(shè)多臺(tái)米級(jí)口徑大視場(chǎng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，建立大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡巡天預(yù)警機(jī)制。雷達(dá)系統(tǒng)方面，可考慮依托中國(guó)現(xiàn)有深空測(cè)控網(wǎng)喀什35 m深空測(cè)控設(shè)備，配置大功率X頻段和Ka頻段發(fā)射機(jī)，構(gòu)建發(fā)射天線(xiàn)陣列，與其它深空測(cè)控設(shè)備和中國(guó)科學(xué)院射電天文觀(guān)測(cè)網(wǎng)大口徑射電望遠(yuǎn)鏡配合，共同組成雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)展地基雷達(dá)對(duì)同步軌道帶目標(biāo)的跟蹤測(cè)量演示驗(yàn)證；后續(xù)通過(guò)建設(shè)多臺(tái)35 m天線(xiàn)設(shè)備，擴(kuò)大喀什深空發(fā)射陣的規(guī)模，分階段實(shí)現(xiàn)對(duì)距地球1.5 × 107～7.5 × 107km范圍內(nèi)近地天體跟蹤測(cè)量，達(dá)到或優(yōu)于美國(guó)近地天體雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)能力[17]。此外，2022年北京理工大學(xué)雷達(dá)研究所利用分布式相參雷達(dá)深空探測(cè)技術(shù)[18]，聯(lián)合相關(guān)單位提出并開(kāi)展建設(shè)“超大分布式孔徑雷達(dá)高分辨率深空域主動(dòng)觀(guān)測(cè)設(shè)施”，該設(shè)施第1期系統(tǒng)由4臺(tái)16 m分布式孔徑雷達(dá)組成，已成功獲得了對(duì)月球觀(guān)測(cè)的雷達(dá)圖像，設(shè)施遠(yuǎn)景計(jì)劃由多部25～30 m孔徑的分布式雷達(dá)組成，預(yù)計(jì)可有效提升中國(guó)近地小行星防御、行星形成機(jī)理探索能力[19]。

為彌補(bǔ)地基觀(guān)測(cè)盲區(qū)，需要進(jìn)一步建立天基紅外巡天探測(cè)系統(tǒng)[20]，研制發(fā)射紅外巡天探測(cè)望遠(yuǎn)鏡，提高近地天體發(fā)現(xiàn)探測(cè)能力和精度，同時(shí)可兼顧地月空間目標(biāo)監(jiān)視，與地基雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)配合，對(duì)地月空間目標(biāo)進(jìn)行精密監(jiān)測(cè)跟蹤。

3）發(fā)展應(yīng)急處置裝備快速研制和應(yīng)急發(fā)射能力

為有效應(yīng)對(duì)近地天體撞擊地球風(fēng)險(xiǎn)，快速及時(shí)地對(duì)可能撞擊地球的近地天體實(shí)施在軌處置，需要發(fā)展相應(yīng)裝備的快速研制采購(gòu)和應(yīng)急發(fā)射能力。充分發(fā)揮各航天工業(yè)部門(mén)的航天器研制能力，并進(jìn)一步提升現(xiàn)有發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)支持在軌處置系統(tǒng)進(jìn)入太空能力，為及時(shí)實(shí)施撞擊近地天體在軌處置任務(wù)、有效應(yīng)對(duì)近地天體撞擊威脅提供可靠支持。

4）發(fā)展近地天體抵近操作和在軌處置能力

基于現(xiàn)有空間操控及高速高精度制導(dǎo)導(dǎo)航能力，積極開(kāi)展近地天體抵近操控和在軌處置關(guān)鍵技術(shù)研究，并盡快啟動(dòng)相關(guān)主動(dòng)防御技術(shù)在軌演示驗(yàn)證試驗(yàn)任務(wù)[21]，為有效防御近地天體撞擊威脅奠定工程技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)以近地天體核爆處置為代表的在軌處置方式方面的國(guó)際法研究，積極參與國(guó)際組織相關(guān)規(guī)則制定，充分做好國(guó)際法理研究準(zhǔn)備，有效維護(hù)國(guó)家利益和人類(lèi)安全。

5 結(jié) 論

本文主要對(duì)近年來(lái)近地天體防御模擬推演的概況進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)針對(duì)代表性較強(qiáng)的2019年和2021年模擬推演，從參演單位、場(chǎng)景假定、推演流程和結(jié)果方面進(jìn)行了對(duì)比討論，并結(jié)合模擬推演過(guò)程對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警、撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和在軌處置等近地天體防御全流程進(jìn)行了梳理和關(guān)鍵能力分析，最后從常態(tài)化組織國(guó)家層面的近地天體防御演習(xí)、建立獨(dú)立自主的監(jiān)測(cè)預(yù)警體系、提升應(yīng)急處置裝備快速研制和應(yīng)急發(fā)射能力以及推動(dòng)近地天體抵近操作和在軌處置能力發(fā)展等方面提出了思考啟示，以期對(duì)中國(guó)近地天體防御工作提供借鑒參考。