天火下的保护伞：小行星防御漫谈

兰顺正

2021年11月24日，美国航空航天局（NASA）双小行星变向试验（DART）任务的小行星撞击探测器在范登堡天军基地成功发射。该任务的重点，是利用一颗重约550千克的航天器，以约6.6千米/秒的速度，高速撞击Didymos（源于古希腊语，意为“双胞胎”）双小行星系统中的小卫星Dimorphos，以验证动能撞击防御小行星技术。这是人类首次测试小行星防御技术，其意义不言而喻。

不得不防的小行星威胁

一般而言，轨道在离太阳1.3天文单位（1天文单位为地日间的平均距离，约1.5亿千米），以及离地球轨道小于0.3天文单位范围内的小行星统一被称为近地小行星。这种小行星的轨道距离地球较近，与地球存在碰撞的可能。如果小行星轨道与地球轨道的最小距离小于0.05天文单位，一般就认为有潜在碰撞风险。据统计，截至2021年10月18日，已发现的近地小行星超过26127颗。近年来，近地小行星飞掠事件频繁发生，仅2021年已发生1074次，有21颗小行星被观测到进入大气层。

小行星的碰撞可能带来十分严重的后果。据估计，直径为10～50米的小行星撞击地球，即可产生像广岛核弹爆炸一样的威力;直径在100米以上的小行星，就能产生几百万吨级核弹的破坏能量;直径大于10千米的小行星，能释放10亿吨级甚至千亿吨级能量，这样的能量可导致灾难性的地球环境，使全世界陷入核寒冬。除造成恐龙灭绝等灾难的原因很可能就是小行星与地球碰撞外，近年来发生的小行星碰撞事件也并非个案。

1908年6月30日，俄罗斯西伯利亚通古斯地区发生大爆炸，毁灭了大约2000平方千米的西伯利亚森林，科学家普遍认为这是由一次小行星碰撞地球事件引起的。1976年3月8日15时，一颗陨石在我国吉林市上空发生了一次主爆裂，碎片散布在吉林市、永吉县及蛟河市近郊500平方千米的范围内，形成当时世界上人类目击的最大石陨石雨。事件过后，人们共收集到陨石标本138块，碎块3000余塊，总重达2616千克。其中最大的一块陨石吉林1号，重达1770千克，冲击地面造成蘑菇云状烟尘，并且击穿冻土层，形成一个深6.5米、直径2米的坑，这也是当时世界上最重的石陨石。2013年2月15日上午9时15分（世界时3时15分），俄罗斯车里雅宾斯克发生了一次陨石雨事件，陨石进入大气层留下约10千米长的轨迹。据俄罗斯媒体报道，该次事件中有1500人受伤，上千间房屋受损，经济损失约10亿卢布。2014年11月5日，我国内蒙古锡林郭勒盟也发生了疑似小行星造成的空中爆炸事件。

天灾来临前的未雨绸缪

以前，防御小规模的小行星碰撞事件，主要采取地面人防工程和躲避等被动方式。但随着科技的进步，如何主动防御小行星碰撞地球，也成为各国关注的重点。

目前，主动防御小行星主要有三种设想：利用长期作用力来改变小行星轨道、利用动能撞击改变小行星轨道和核爆炸。

设想一，用长期作用力来缓慢改变小行星轨道。这有很多种手段，包括太空拖船、引力拖车、用挖掘机使小行星抛出质量、用强激光照射改变小行星表面蒸发量、用表面喷漆等手段改变光压力等。这其中以美国的小行星重定向计划最具代表性。

NASA从2013年起开始实施这项小行星捕捉计划。据悉，该计划共有三个阶段：

第一阶段是小行星任务的准备阶段。在小行星重新定向计划中，候选小行星有A、B两个方案。A方案是捕获一颗完整小行星，规定直径在4～10米，质量不超过1000吨，然后将其搬运到月球远程逆行轨道上;B方案是在一颗直径为100米以上的大型小行星上抓取一颗大卵石，直径在2～4米，卵石重量在10～70吨。

第二阶段是发射无人飞船与小行星交会，并将其捕获。除了交会和捕获外，在这一阶段，飞船接近小行星时要对其特征进行近距离观测。由于小行星捕捉计划在选定目标小行星时有两个方案，所以就需要为不同方案研发不同的捕获机构，目前较成熟的是为A方案设计的捕获机构。为了能捕获一颗完整的小行星，NASA设想使用一种圆筒形、高强度、软式充气袋，在飞船靠近小行星时将其“锁进”袋中，然后拖进船舱。如果执行B方案，就需要从一颗大型的小行星表面飞掠，抓取一块合适大小的卵石，以减轻小行星的质量。按照第二阶段的计划，当负责小行星重定向的无人飞船将捕获到的小行星拖送到月球附近，并放置在月球远程逆行轨道上时，计划就进入了第三阶段。

在第三阶段，宇航员将乘坐猎户座多用途飞船奔赴月球远程逆行轨道。在轨道上，猎户座飞船将与先期发射的小行星重定向飞船交会对接，然后由宇航员出舱行走，登上小行星进行观察研究，同时采集小行星样品，最后带着样品返回地球。虽然美国政府在2017年初宣布取消了这一任务，但该项目研发的一些关键技术将为其他应用保留。

设想二，用航天器动能撞击小行星，使其改变轨道。这是目前技术可以达到的，且相关技术已经过多次试验。目前知名的撞击小行星计划有：

1.美国的“深度撞击”计划

2005年1月13日，美国成功发射彗星探测飞船深度撞击号。探测器经过4.31亿千米的长途跋涉，飞抵坦普尔1号彗星。在2005年7月4日，探测器本体释放出一颗372千克的撞击器，以3.7万千米/时的速度撞击彗星的彗核，其威力相当于4.5吨TNT烈性炸药的爆炸威力。彗核表面被撞出一个数十米深、足球场大的环形坑。据悉，撞击器携带能提供25米/秒推进速度的肼推进系统，以推进必要的轨道修正和姿态控制;导航系统使用肼推进器将飞行路径变化控制在每秒1毫米的精确度内。撞击器在与探测器脱离、撞向彗核的前2秒，利用其相机，在距彗星20～300千米处拍摄了人类有史以来最清楚的彗核照片。探测器本体在撞击发生后，利用光学成像和红外线频谱对彗星内部物质的碎片进行扫描，考察撞击后10多秒内彗核的变化，并对撞击过程、撞击坑的形成及坑内部进行成像，收集能谱数据和彗星内部物质样本，以分析彗核的结构和组成。

2.日本的“隼鸟”计划

日本于2003年5月发射隼鸟号探测器，2005年10月到达近地小行星糸川，并进行了交会与采样。当探测器接近小行星表面时，探测器腹部突出的采样装置对准并碰撞选定的采样点，将一枚质量为5克的金属“子弹”以300米/秒的速度射向小行星表面，使小行星表面碎片飞溅起来。这些碎片被采样装置吸入一个喇叭口状的容器中。隼鸟号于2010年6月返回地球。后续探测器隼鸟2号于2014年12月发射升空，于2018年6月抵达小行星龙宫，2019年2月成功在龙宫表面着陆。2019年4月，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）宣布，隼鸟2号携带的小型撞击器装置成功向龙宫小行星发射了一枚金属弹，创造了一个陨石坑，实际再现了天体碰撞产生陨石坑的过程。

3.美国的DART计划

此次文章开头提及的DART项目由NASA和约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室共同主导，整个计划耗资约3.25億美元。DART计划选择的目标是Didymos双小行星系统。该小行星系统运行在一条环绕太阳的椭圆轨道上，最近距离太阳约1.013天文单位，最远距离太阳约2.275天文单位，环绕太阳一圈约需770天。

1996年4月11日，Didymos被美国Spacewatch巡天计划发现，经进一步观测表明，Didymos系统的主小行星直径约780米，小卫星Dimorphos直径约160米，每11.9小时绕主小行星运行一圈，两者距离约1.2千米。DART任务正是通过撞击改变小卫星Dimorphos相对主小行星Didymos的轨道，使其绕转周期缩短约10分钟。此次DART任务选择的撞击窗口，是在2022年9月末到10月初，届时，Didymos系统将接近地球，距离最近约1066万千米，正好处于地面望远镜可观测弧段内，可对其撞击过程实施监测。同时通过地面测量小卫星Dimorphos的绕转周期变化，估算撞击产生的速度增量，以评估动能撞击防御小行星的效率。

另外，DART还携带了一颗由意大利制造的重14千克、名为丽西亚的立方星。按计划，丽西亚会在撞击前约1个月部署出去，利用两台光电成像仪观测撞击的全过程，并把图像发回地球。欧空局还计划开展一项名为“赫拉”的后续任务。“赫拉”探测器将在2024年10月发射，2026年年底抵达Didymos系统，进一步对撞击地点进行研究。

设想三，核爆炸本身是成熟的技术，是目前人类能产生最大能量的主要手段。根据能量分析，对预警时间很短或质量很大的小行星威胁，目前只有核爆炸手段可以进行防御。有研究认为，对直径大于600米的小行星，除了核爆炸外的其他单一手段，均不能有效改变小行星的轨道来解除威胁。

防御小行星，中国在行动

在小行星防御领域，中国并没有落后。

2012年12月15日，中国的嫦娥二号探测器近距离飞越小行星图塔蒂斯，实现首次小行星飞越观测，并获取最高分辨率3米的光学彩色图像，正式迈进了原本只有美、欧、日几个成员的小行星探测“俱乐部”。

2019年4月，中国国家航天局发布了《小行星探测任务有效载荷和搭载项目机遇公告》，确定了今后中国小天体探测方案的实施目标是一颗地球共轨天体2016HO3，以及小行星带中的主带彗星311P，并希望通过一次发射，实现两类探测目标和近距、附着、采样3种探测模式。

其中，2016H03是一颗地球共轨天体，绕太阳公转的周期为366天，距地球38～100倍地月距离。围绕2016H03，中国将测定轨道参数、自转参数、形状大小和热辐射等物理参数，研究其轨道起源与动力学演化;同时探测其形貌、表面物质组分、内部结果，获取小行星样品背景信息，以及对返回样品开展实验室分析研究。而311P是小行星带中的主带彗星，研究热点为主带彗星的形成、演化和气体活动机制。围绕311P，中国将测定主带彗星的轨道参数、自转参数、形状大小和热辐射等物理参数，研究主带彗星的轨道起源及其动力学演化;同时探测主带彗星的形貌、表面物质组分、内部结构、空间环境等信息，获取太阳系的早期演化信息。

在小行星防御方面，2021年4月24日中国航天日时，国家航天局透露，中国航天未来将论证建设近地小行星防御系统。同年11月23日，第一届全国行星防御大会在广西桂林开幕，会议旨在促进我国近地小天体监测、预警、防御领域的交叉融合，探讨有关前沿科学问题、关键技术发展、工程实施方案、政策法律构建及国际合作交流等，促进同行间的合作与交流，繁荣学术，推动我国行星防御领域整体水平的提高和更快发展。

另外在具体技术上，2021年5月，中国的科研团队提出了“以石击石”加强型动能撞击行星防御任务概念。

根据美国国家科学院预测，要使一颗较小的小行星偏离轨道，需要一两年的预警时间;对更大的小行星，可能需要20年;对直径几百千米的太空巨型岩石，甚至需要几十年时间。目前，虽然利用动能撞击改变小行星轨道是主动防御小行星的各种设想中，较被看好的方案，但问题在于，经典动能撞击在预警时间较短的情况下，无法有效防御大尺寸小行星。

而中国提出的方案是通过发射无人飞行器捕获小尺寸小行星，或者在碎石堆小行星上采集超过100吨的岩石，与飞行器构成组合撞击体，操控组合体撞击对地球有潜在威胁的小行星，使其偏转出撞击地球的轨道，有典型的借力打力之意。

据中国相关研究人员介绍，相比经典动能撞击方法，以石击石方案可突破地面发射人造撞击体的运载能力和包络限制，通过在太空中捕获百吨级质量的岩石，显著提升撞击体质量，最终实现小行星防御效果的数量级提升，为防御大尺寸潜在威胁小行星提供核爆之外的一种新选项。此外，以石击石行星防御方案还能融合小行星探测和小行星防御，在小行星科学方面也具有较高的研究价值。