天火下的保護傘：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）任務的小行星撞擊探測器在范登堡天軍基地成功發射。該任務的重點，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”）雙小行星系統中的小衛星Dimorphos，以驗證動能撞擊防御小行星技術。這是人類首次測試小行星防御技術，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天文單位范圍內的小行星統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，一般就認為有潛在碰撞風險。據統計，截至2021年10月18日，已發現的近地小行星超過26127顆。近年來，近地小行星飛掠事件頻繁發生，僅2021年已發生1074次，有21顆小行星被觀測到進入大氣層。

小行星的碰撞可能帶來十分嚴重的后果。據估計，直徑為10～50米的小行星撞擊地球，即可產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，這樣的能量可導致災難性的地球環境，使全世界陷入核寒冬。除造成恐龍滅絕等災難的原因很可能就是小行星與地球碰撞外，近年來發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發生大爆炸，毀滅了大約2000平方千米的西伯利亞森林，科學家普遍認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，形成當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本138塊，碎塊3000余塊，總重達2616千克。其中最大的一塊隕石吉林1號，重達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），俄羅斯車里雅賓斯克發生了一次隕石雨事件，隕石進入大氣層留下約10千米長的軌跡。據俄羅斯媒體報道，該次事件中有1500人受傷，上千間房屋受損，經濟損失約10億盧布。2014年11月5日，我國內蒙古錫林郭勒盟也發生了疑似小行星造成的空中爆炸事件。

天災來臨前的未雨綢繆

以前，防御小規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。但隨著科技的進步，如何主動防御小行星碰撞地球，也成為各國關注的重點。

目前，主動防御小行星主要有三種設想：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、用挖掘機使小行星拋出質量、用強激光照射改變小行星表面蒸發量、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年起開始實施這項小行星捕捉計劃。據悉，該計劃共有三個階段：

第一階段是小行星任務的準備階段。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，規定直徑在4～10米，質量不超過1000噸，然后將其搬運到月球遠程逆行軌道上;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行近距離觀測。由于小行星捕捉計劃在選定目標小行星時有兩個方案，所以就需要為不同方案研發不同的捕獲機構，目前較成熟的是為A方案設計的捕獲機構。為了能捕獲一顆完整的小行星，NASA設想使用一種圓筒形、高強度、軟式充氣袋，在飛船靠近小行星時將其“鎖進”袋中，然后拖進船艙。如果執行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，以減輕小行星的質量。按照第二階段的計劃，當負責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，并放置在月球遠程逆行軌道上時，計劃就進入了第三階段。

在第三階段，宇航員將乘坐獵戶座多用途飛船奔赴月球遠程逆行軌道。在軌道上，獵戶座飛船將與先期發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，但該項目研發的一些關鍵技術將為其他應用保留。

設想二，用航天器動能撞擊小行星，使其改變軌道。這是目前技術可以達到的，且相關技術已經過多次試驗。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，美國成功發射彗星探測飛船深度撞擊號。探測器經過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，其威力相當于4.5噸TNT烈性炸藥的爆炸威力。彗核表面被撞出一個數十米深、足球場大的環形坑。據悉，撞擊器攜帶能提供25米/秒推進速度的肼推進系統，以推進必要的軌道修正和姿態控制;導航系統使用肼推進器將飛行路徑變化控制在每秒1毫米的精確度內。撞擊器在與探測器脫離、撞向彗核的前2秒，利用其相機，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生后，利用光學成像和紅外線頻譜對彗星內部物質的碎片進行掃描，考察撞擊后10多秒內彗核的變化，并對撞擊過程、撞擊坑的形成及坑內部進行成像，收集能譜數據和彗星內部物質樣本，以分析彗核的結構和組成。

2.日本的“隼鳥”計劃

日本于2003年5月發射隼鳥號探測器，2005年10月到達近地小行星糸川，并進行了交會與采樣。當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并碰撞選定的采樣點，將一枚質量為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。后續探測器隼鳥2號于2014年12月發射升空，于2018年6月抵達小行星龍宮，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機構（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射了一枚金屬彈，創造了一個隕石坑，實際再現了天體碰撞產生隕石坑的過程。

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·霍普金斯大學應用物理實驗室共同主導，整個計劃耗資約3.25億美元。DART計劃選擇的目標是Didymos雙小行星系統。該小行星系統運行在一條環繞太陽的橢圓軌道上，最近距離太陽約1.013天文單位，最遠距離太陽約2.275天文單位，環繞太陽一圈約需770天。

1996年4月11日，Didymos被美國Spacewatch巡天計劃發現，經進一步觀測表明，Didymos系統的主小行星直徑約780米，小衛星Dimorphos直徑約160米，每11.9小時繞主小行星運行一圈，兩者距離約1.2千米。DART任務正是通過撞擊改變小衛星Dimorphos相對主小行星Didymos的軌道，使其繞轉周期縮短約10分鐘。此次DART任務選擇的撞擊窗口，是在2022年9月末到10月初，屆時，Didymos系統將接近地球，距離最近約1066萬千米，正好處于地面望遠鏡可觀測弧段內，可對其撞擊過程實施監測。同時通過地面測量小衛星Dimorphos的繞轉周期變化，估算撞擊產生的速度增量，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，并把圖像發回地球。歐空局還計劃開展一項名為“赫拉”的后續任務?！昂绽碧綔y器將在2024年10月發射，2026年年底抵達Didymos系統，進一步對撞擊地點進行研究。

設想三，核爆炸本身是成熟的技術，是目前人類能產生最大能量的主要手段。根據能量分析，對預警時間很短或質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，實現首次小行星飛越觀測，并獲取最高分辨率3米的光學彩色圖像，正式邁進了原本只有美、歐、日幾個成員的小行星探測“俱樂部”。

2019年4月，中國國家航天局發布了《小行星探測任務有效載荷和搭載項目機遇公告》，確定了今后中國小天體探測方案的實施目標是一顆地球共軌天體2016HO3，以及小行星帶中的主帶彗星311P，并希望通過一次發射，實現兩類探測目標和近距、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、自轉參數、形狀大小和熱輻射等物理參數，研究其軌道起源與動力學演化;同時探測其形貌、表面物質組分、內部結果，獲取小行星樣品背景信息，以及對返回樣品開展實驗室分析研究。而311P是小行星帶中的主帶彗星，研究熱點為主帶彗星的形成、演化和氣體活動機制。圍繞311P，中國將測定主帶彗星的軌道參數、自轉參數、形狀大小和熱輻射等物理參數，研究主帶彗星的軌道起源及其動力學演化;同時探測主帶彗星的形貌、表面物質組分、內部結構、空間環境等信息，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近地小行星防御系統。同年11月23日，第一屆全國行星防御大會在廣西桂林開幕，會議旨在促進我國近地小天體監測、預警、防御領域的交叉融合，探討有關前沿科學問題、關鍵技術發展、工程實施方案、政策法律構建及國際合作交流等，促進同行間的合作與交流，繁榮學術，推動我國行星防御領域整體水平的提高和更快發展。

另外在具體技術上，2021年5月，中國的科研團隊提出了“以石擊石”加強型動能撞擊行星防御任務概念。

根據美國國家科學院預測，要使一顆較小的小行星偏離軌道，需要一兩年的預警時間;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想中，較被看好的方案，但問題在于，經典動能撞擊在預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，使其偏轉出撞擊地球的軌道，有典型的借力打力之意。

據中國相關研究人員介紹，相比經典動能撞擊方法，以石擊石方案可突破地面發射人造撞擊體的運載能力和包絡限制，通過在太空中捕獲百噸級質量的巖石，顯著提升撞擊體質量，最終實現小行星防御效果的數量級提升，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，在小行星科學方面也具有較高的研究價值。