2022年04月08日 09:00
【科學快訊】
當小行星來襲，除了讓地球流浪，人類還能怎麼辦？針對近地小行星撞擊威脅，世界各國科學家開展了大量研究，發展了九種代表性「招式」。
Part.1
第一招：躲
如果小行星個頭太小，導致的危害效應有限，而處置起來得不償失，那我們可以躲到地下工事中，避其鋒芒，躲過空爆引發的沖擊波、熱輻射和光輻射等危害效應。這一招，一般用於直徑十米級近地小行星。
此外，如果小行星雖然尺寸很大，但預警時間太短，比如有些小行星從發現到撞擊地球可能只有數天的時間，根本來不及實施在軌處置，這時候也只有采取「躲」的方式，疏散人口和財產，盡量減少損失。
「躲」這一招，可以利用防空洞等成熟的地下工事，但要求我們能夠對小行星的撞擊時間和撞擊區域進行准確預報。
Part.2
第二招：炸
「炸」是利用核彈去摧毀小行星結構，或者在小行星附近引爆核武器，利用核爆產生的高能射線蒸發小行星表面物質，從而產生推力偏轉小行星軌道，後者也被稱為對峙核爆。
核武器具有能量密度極高的優點，因此核爆處置近地小行星效率極高，是在短期預警時間條件下處置大尺寸小行星的幾乎唯一手段。核爆巨大的能量可以摧毀小行星的結構，但產生的碎塊大小、質量與小行星的物質組成、結構、核爆能量、引爆方式等因素相關，小行星碎塊可能還會繼續撞向地球，有可能產生次生危害效應。相比直接摧毀小行星結構，利用對峙核爆偏轉小行星軌道由於不會產生碎片，是一種更為可控的方式。
核爆雖然效率高，但采取核爆處置近地小行星面臨國際法律和政治爭議，在太空中使用和部署核武器是需要盡量避免的。一旦在太空中打開核爆這個潘多拉魔盒，誰知道它會把人類帶向何方？
利用核彈摧毀小行星結構，或在其附近引爆核武器，從而產生推力偏轉小行星軌道，後者也被稱為對峙核爆。版權/NASA/NSS
Part.3
第三招：撞
「撞」是利用人造飛行器高速撞擊小行星，瞬間改變小行星的速度，隨著時間推移，近地小行星的軌道會逐漸偏離撞擊地球的軌道，從而消除撞擊風險。
動能撞擊是目前最成熟、可行的小行星防禦技術。2015年，美國發射了深度撞擊任務，利用一顆約370千克的小衛星，以約10.2千米/秒的速度，高速撞擊了直徑約6千米的「坦普爾一號」彗星的彗核，對彗星軌道的速度改變量約為0.1微米/秒。2021年11月24日，美國發射了「雙小行星重定向測試任務」，將利用一顆約550千克的小衛星，以6.7千米/秒的速度，高速撞擊「狄迪莫斯」雙小行星系統中直徑160米的子星，預期將會使小行星的速度改變0.8-2毫米/秒。
動能撞擊防禦小行星效果與撞擊產生的小行星速度改變量直接相關。考慮到小行星巨大的質量，動能撞擊防禦小行星技術本質上還是相當於「以卵擊石」。因為飛行器的重量往往只有噸級，而百米尺寸小行星的重量高達百萬噸級，兩者相差6個數量級。利用幾噸的飛行器去撞幾百萬噸的小行星，猶如蚍蜉撼大樹，對小行星的速度改變量一般只有毫米/秒的量級，人類呼吸時空氣的運動速度都比這快得多。要使用毫米/秒的速度改變量去防禦小行星，需要十幾年預警時間。要麼就得用幾十枚運載火箭，去發射幾十個撞擊器去同時撞擊小行星。美國航天局在2018年做過研究，對於直徑約500米的貝奴小行星，如果要提前10年將這顆小行星偏轉出地球軌道9000千米的距離，需要使用75發德爾塔4重型運載火箭發射75個8噸的撞擊器。
盡管動能撞擊技術是人類目前最成熟可行的防禦小行星的技術，但由於人類運載能力有限，防禦大尺寸小行星往往需要幾十發運載火箭發射幾十顆撞擊器才能有效處置大尺寸小行星，而帶來極大的工程實施成本和風險。
雙小行星重定向測試任務（DART）示意圖，該任務將利用小衛星高速撞擊雙小行星系統中的子星，預期改變小行星的速度。版權/NASA
Part.4
第四招：牽
「牽」是利用一個較重的飛行器盤旋在小行星前方，通過小行星與飛行器之間的萬有引力緩慢牽引改變小行星軌道，這種方式也被稱為是「引力拖車」。
相比於核爆和動能撞擊都是瞬時產生極大的外力作用在小行星上，「引力拖車」是通過微弱作用力持續作用在小行星上，從而緩慢地改變小行星的軌道。
由於萬有引力與相對距離的平方成反比例關系，這種方式往往要求飛行器盤旋在距離小行星一個半徑軌道高度處。對於直徑140米的小行星，要求飛行器維持在小行星表面100米附近，而小行星的極其不規則的引力場必將強烈地影響飛行器的運動，對飛行器的導航制導和控制提出了較高挑戰。
這種方法改變小行星的軌道，往往需要20年以上的預警時間。此外，「牽」要求飛行器與小行星保持幾乎相同的位置和速度，不適合大傾角等軌道轉移代價較高的小行星。
利用較重的飛行器盤旋在小行星前方，通過小行星與飛行器之間的萬有引力緩慢牽引改變小行星軌道，這種方式也被稱為是「引力拖車」。版權/NASA
Part.5
第五招：拖
「拖」是利用飛行器對小行星整體拖離。十米尺寸小行星，重量差不多達到1000噸。而五十米尺寸的小行星，重量可達20萬噸。顯然，利用「拖」的方法，只能拖動小尺寸的小行星，對於大尺寸小行星，則無能為力。
除此之外，「拖」小行星屬於接觸式處置方式，對小行星的表面物質和結構特性非常敏感，如何在微重力環境下有效長期附著在小行星表面，如何在小行星旋轉狀態下實現有效推力控制，如何在附著狀態下持續獲得大功率能源供給，都是極大的挑戰。
與「牽」類似，「拖」也要求飛行器與小行星保持幾乎相同的位置和速度，不適合大傾角等軌道轉移代價較高的小行星。
來源：中國國家天文
作者：李明濤（中國科學院國家空間科學中心研究員，
主要研究小行星防禦與利用、航天器軌道優化設計）
