小行星防御計(jì)劃到來(lái)，這次換中國(guó)做“地球守門(mén)員”了

出品：科普中國(guó)

作者：星之隊(duì)（青年學(xué)者）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

近年來(lái)，隨著天文觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)近地小行星的認(rèn)識(shí)不斷加深。這些小行星由于軌道接近地球軌道，對(duì)地球可能構(gòu)成潛在威脅。

為此，中國(guó)計(jì)劃在2030年前后實(shí)施首個(gè)近地小行星防御任務(wù)，初步明確以小行星2015 XF261為目標(biāo)。這項(xiàng)任務(wù)不僅展示了中國(guó)在空間科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力，也標(biāo)志著我國(guó)在應(yīng)對(duì)全球性自然災(zāi)害方面邁出了重要一步。

近地小行星

近地小行星是指那些軌道與地球軌道接近的小行星，如果近地小行星與地球發(fā)生撞擊，可能造成巨大災(zāi)害。我們不需要過(guò)度驚慌，這些小行星與地球碰撞的概率極低，例如，一顆直徑為1km的小行星大概每五十萬(wàn)年才和地球相撞一次。

但這并不意味著我們要對(duì)此視而不見(jiàn)，高枕無(wú)憂。

回顧歷史，小行星曾多次撞擊地球，甚至造成生態(tài)環(huán)境災(zāi)變和物種滅絕。小行星撞擊被認(rèn)為是6600萬(wàn)年前恐龍滅絕的主要原因。另外，1908年發(fā)生的通古斯大爆炸事件，就是由于一顆小行星或彗星在西伯利亞上空爆炸，摧毀了2000多平方公里的森林。當(dāng)時(shí)的科技對(duì)這樣的災(zāi)害無(wú)能為力，只能任其發(fā)生。

為提高人們對(duì)小行星撞擊危害的認(rèn)識(shí)，2016年聯(lián)合國(guó)大會(huì)第A/RES/71/90號(hào)決議正式將每年6月30日定為國(guó)際小行星日。

2022年9月26日，DART撞擊了小行星Dimorphos，這是一個(gè)直徑僅為530英尺（約160米）的小天體。它繞著一顆更大的2560英尺（約780米）小行星Didymos運(yùn)行。

（圖片來(lái)源：NASA官網(wǎng)）

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)已經(jīng)具備了對(duì)小行星撞擊地球事件進(jìn)行干預(yù)的能力。2022年，NASA成功實(shí)施了雙小行星重定向測(cè)試（DART）任務(wù)，通過(guò)動(dòng)能撞擊改變了小行星Dimorphos的軌道，證明了此類(lèi)技術(shù)的可行性。

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)近年來(lái)也開(kāi)始開(kāi)展有關(guān)近地小行星防御的研究。這類(lèi)研究不僅是保護(hù)地球生命和財(cái)產(chǎn)安全的必要，也是提升國(guó)家科技水平和國(guó)際影響力的重要舉措。

中國(guó)計(jì)劃在2030年前后實(shí)施首個(gè)近地小行星防御任務(wù)。此次任務(wù)的目標(biāo)是實(shí)施動(dòng)能撞擊演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，初步選定小行星2015 XF261為撞擊目標(biāo)。長(zhǎng)期規(guī)劃是在2025—2035年設(shè)計(jì)并實(shí)施3—5次近地小行星防御任務(wù)。自2023年4月公布任務(wù)以來(lái)，中國(guó)向全球征集任務(wù)名稱(chēng)、規(guī)劃和方案，吸引了廣泛關(guān)注和參與。

我們選定的小行星2015 XF261是一顆直徑約為170米的小行星，其半長(zhǎng)軸約為1.1天文單位（天文單位是指地球到太陽(yáng)的平均距離，約為1.5億公里），運(yùn)行軌道與地球軌道有較高的交會(huì)概率（即小行星軌道和地球軌道相交的機(jī)會(huì)較大，如下圖所示）。

這是小行星2015 XF261在2016年11月24日的位置，Earth=地球。從圖中可以看出兩者的軌道有較大的交匯率，便于進(jìn)行撞擊實(shí)驗(yàn)。

（圖片來(lái)源：The planetary society）

這個(gè)小行星的公轉(zhuǎn)周期約為1.3年，軌道偏心率為0.23（軌道的橢圓程度，數(shù)值越大表示越偏離圓形，圓形的偏心率是0），軌道傾角為7.8度（小行星軌道平面與地球軌道平面的夾角）。這些特性使其成為動(dòng)能撞擊實(shí)驗(yàn)的理想目標(biāo)。此外，該小行星的軌道較為穩(wěn)定，且距離地球相對(duì)較近，便于觀測(cè)和測(cè)量撞擊效果。

動(dòng)能撞擊防御技術(shù)

動(dòng)能撞擊防御技術(shù)是目前防御小行星撞擊地球的相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，其基本原理是通過(guò)高速撞擊體直接撞擊小行星，以改變其軌道，從而避免其與地球相撞。該技術(shù)具有技術(shù)成熟度高、啟動(dòng)迅速、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

然而，動(dòng)能撞擊防御技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)。

首先，小行星的幾何形狀和自轉(zhuǎn)會(huì)影響撞擊效果，如果撞擊體未能準(zhǔn)確命中預(yù)定部位，可能導(dǎo)致軌道偏移效果不如預(yù)期效果。

其次，小行星的材質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣，可能含有多種金屬和松散的巖石，這些不同的材質(zhì)可能會(huì)吸收或分散撞擊能量，使軌道變化達(dá)不到預(yù)期效果。

此外，動(dòng)能撞擊可能產(chǎn)生大量碎片，這些碎片可能繼續(xù)沿原軌道運(yùn)行或形成新的威脅。

為此，我國(guó)科學(xué)家提出了“以石擊石”和“末級(jí)擊石”兩種加強(qiáng)型動(dòng)能撞擊防御技術(shù)，以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)和局限。

“以石擊石”方案是借力打力，是用小行星去撞擊小行星。具體來(lái)說(shuō)就是在具有高威脅性的小行星附近捕獲一個(gè)更小尺寸的小行星（幾噸到幾百噸都有可能），然后控制這個(gè)被捕獲的小行星去撞擊對(duì)人類(lèi)有威脅的小行星（質(zhì)量通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于幾百噸）來(lái)改變它的軌道。

“末級(jí)擊石”是指用航天器火箭末級(jí)組合的動(dòng)能撞擊隕石或者小行星。這種方案中，火箭末級(jí)帶著航天器進(jìn)入太空后，不進(jìn)行傳統(tǒng)的星箭分離動(dòng)作?；鸺系暮教炱骺梢载?fù)責(zé)軌道和姿態(tài)控制，火箭末級(jí)則負(fù)責(zé)提供撞擊所需要的大質(zhì)量，兩者一起撞擊小行星?；鸺┘?jí)本身的大質(zhì)量能提升撞擊小行星的效率，以便更好達(dá)到偏轉(zhuǎn)小行星現(xiàn)行軌道的目的。

動(dòng)能撞擊防御技術(shù)原理圖。通過(guò)發(fā)射火箭撞擊小行星來(lái)改變小行星的軌道，從而使地球避免遭到撞擊。

（圖片來(lái)源：作者自制）

當(dāng)然，這兩種方案的可行性還需要實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，在任務(wù)實(shí)施過(guò)程中可能面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)包括精確控制撞擊體和評(píng)估撞擊效果等。精確控制撞擊體需要高精度的導(dǎo)航和控制技術(shù)，而評(píng)估撞擊效果則需要對(duì)小行星表面的物理和力學(xué)性質(zhì)有深入了解。這些挑戰(zhàn)將推動(dòng)我國(guó)在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

防御小行星是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，對(duì)于短期預(yù)警小行星，目前沒(méi)有特別有效的防御方法。所以，提前預(yù)警在防御小行星撞擊地球方面十分重要，預(yù)警提前的時(shí)間越多，留給我們準(zhǔn)備的時(shí)間也就越充足。隨著中國(guó)航空航天技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)將在小行星探測(cè)和預(yù)警方面做出更多的貢獻(xiàn)。通過(guò)持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和國(guó)際合作，我國(guó)也有望在小行星防御領(lǐng)域取得更多突破，為全球應(yīng)對(duì)小行星威脅做出我們的努力。