小行星防御計劃到來，這次換中國做“地球守門員”了

出品：科普中國

作者：星之隊（青年學(xué)者）

監(jiān)制：中國科普博覽

近年來，隨著天文觀測技術(shù)的進步，人類對近地小行星的認(rèn)識不斷加深。這些小行星由于軌道接近地球軌道，對地球可能構(gòu)成潛在威脅。

為此，中國計劃在2030年前后實施首個近地小行星防御任務(wù)，初步明確以小行星2015 XF261為目標(biāo)。這項任務(wù)不僅展示了中國在空間科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)實力，也標(biāo)志著我國在應(yīng)對全球性自然災(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年才和地球相撞一次。

但這并不意味著我們要對此視而不見，高枕無憂。

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)時的科技對這樣的災(zāi)害無能為力，只能任其發(fā)生。

為提高人們對小行星撞擊危害的認(rèn)識，2016年聯(lián)合國大會第A/RES/71/90號決議正式將每年6月30日定為國際小行星日。

2022年9月26日，DART撞擊了小行星Dimorphos，這是一個直徑僅為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運行。

（圖片來源：NASA官網(wǎng)）

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類已經(jīng)具備了對小行星撞擊地球事件進行干預(yù)的能力。2022年，NASA成功實施了雙小行星重定向測試（DART）任務(wù)，通過動能撞擊改變了小行星Dimorphos的軌道，證明了此類技術(shù)的可行性。

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

中國計劃在2030年前后實施首個近地小行星防御任務(wù)。此次任務(wù)的目標(biāo)是實施動能撞擊演示驗證實驗，初步選定小行星2015 XF261為撞擊目標(biāo)。長期規(guī)劃是在2025—2035年設(shè)計并實施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，中國向全球征集任務(wù)名稱、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，其半長軸約為1.1天文單位（天文單位是指地球到太陽的平均距離，約為1.5億公里），運行軌道與地球軌道有較高的交會概率（即小行星軌道和地球軌道相交的機會較大，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，便于進行撞擊實驗。

（圖片來源：The planetary society）

這個小行星的公轉(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能撞擊實驗的理想目標(biāo)。此外，該小行星的軌道較為穩(wěn)定，且距離地球相對較近，便于觀測和測量撞擊效果。

動能撞擊防御技術(shù)

動能撞擊防御技術(shù)是目前防御小行星撞擊地球的相對簡單的方法，其基本原理是通過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、啟動迅速、靈活性強等優(yōu)點。

然而，動能撞擊防御技術(shù)也存在一些缺點。

首先，小行星的幾何形狀和自轉(zhuǎn)會影響撞擊效果，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)沿原軌道運行或形成新的威脅。

為此，我國科學(xué)家提出了“以石擊石”和“末級擊石”兩種加強型動能撞擊防御技術(shù)，以應(yīng)對這些挑戰(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。具體來說就是在具有高威脅性的小行星附近捕獲一個更小尺寸的小行星（幾噸到幾百噸都有可能），然后控制這個被捕獲的小行星去撞擊對人類有威脅的小行星（質(zhì)量通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于幾百噸）來改變它的軌道。

“末級擊石”是指用航天器火箭末級組合的動能撞擊隕石或者小行星。這種方案中，火箭末級帶著航天器進入太空后，不進行傳統(tǒng)的星箭分離動作。火箭上的航天器可以負(fù)責(zé)軌道和姿態(tài)控制，火箭末級則負(fù)責(zé)提供撞擊所需要的大質(zhì)量，兩者一起撞擊小行星。火箭末級本身的大質(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。

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

（圖片來源：作者自制）

當(dāng)然，這兩種方案的可行性還需要實驗檢測，在任務(wù)實施過程中可能面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)包括精確控制撞擊體和評估撞擊效果等。精確控制撞擊體需要高精度的導(dǎo)航和控制技術(shù)，而評估撞擊效果則需要對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)將推動我國在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。

結(jié)語

防御小行星是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，對于短期預(yù)警小行星，目前沒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)警提前的時間越多，留給我們準(zhǔn)備的時間也就越充足。隨著中國航空航天技術(shù)的發(fā)展，中國將在小行星探測和預(yù)警方面做出更多的貢獻(xiàn)。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和國際合作，我國也有望在小行星防御領(lǐng)域取得更多突破，為全球應(yīng)對小行星威脅做出我們的努力。