“以石击石”：小行星的“斗转星移法”_风闻
钢铁沧澜-2020-06-23 11:48
作者：兰顺正
首发自:中国航天报
不久前，中国科学院国家空间科学中心的最新研究提出应对大尺寸潜在威胁小行星的“以石击石”防御方案。该方案为积极主动应对小行星撞击地球潜在威胁提供了一个新的有效选项。那么，“以石击石”到底是怎么回事，对于小行星防御有何新的启发？
在过去的很长一段时间，小行星防御问题一度被认为是不接地气的“屠龙之术”，受到的重视并不多。但事实是虽然小行星撞击地球的概率极低，可危害却极大。一般而言，如果小行星轨道与地球轨道的最小距离小于0.05 AU，就认为是有潜在碰撞风险的小行星。目前已被确认的超过1.6万颗近地天体中1838颗被认为具有“潜在危险性”。小行星的碰撞可能带来十分严重的后果。据估计，直径为10至50米的小行星撞击地球，即可产生像关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的能量，这样的能量可导致灾难性的地球环境，使全世界陷入核冬。如广为熟知的造成恐龙灭绝等灾难的原因很可能就是由于小行星与地球碰撞。
而小行星碰撞也并非个案，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平方公里的西伯利亚森林。科学家们普遍认为通古斯大爆炸是一次小行星碰撞地球事件。1976年3月8日15时1分50秒左右，一颗陨石在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附近方圆500平方公里的范围内，这是当时世界上目击到的最大石陨石雨。当时共收集到陨石标本138块，碎块3000余块，总重2616kg。其中最大的一块陨石“吉林1号”陨石重达1770 kg，冲击地面造成蘑菇云状烟尘，并且击穿冻土层，形成一个6.5m深，直径2m的坑，这也是当时世界最重的石陨石。2013年2月15日俄罗斯车里雅宾斯克上午9时15分(世界时3时15分)发生了一次陨石雨事件。陨石进入大气层留下大约10公里长的轨迹。据俄罗斯媒体报道，该次事件中有1500人受伤，1000多房屋受损。2014年11月5日，内蒙古锡林郭勒盟也发生了小规模的小行星撞击地球事件。而在2017年、2018年、2019年连续3颗小行星分别袭击了云南省香格里拉、云南省西双版纳和吉林省松原地区。以上种种都说明小行星防御是一个应该被认真对待的问题。
鉴于小行星防御的重要性，相关国家对此已经展开了研究。如在2018年8月，美国白宫科技与政策办公室联合美国家科学与技术委员会发布“国家近地天体预防战略与行动规划”，对未来10年如何防御可能撞击地球的近地天体以及一旦撞击如何开展救灾等工作从国家层面进行顶层谋划，并提出通过诸如提高近地天体探测跟踪能力、提高近地天体威胁的建模预测能力、研发偏转或破坏近地天体技术等5个战略目标来提高预防近地天体撞击地球的能力。而在2019年4月29日到5月3日，在美国马里兰州召开的第六届行星防御会议上进行了一场小行星防御演习。美国国家航空航天局（NASA）下属喷气推进实验室（JPL）虚构了一颗可能在2027年4月29日撞击地球的小行星（代号2019PDC），由来自NASA、美国联邦应急管理局（FEMA）、欧洲航天局等机构的专家团队负责迎战小行星，以拯救人类。最后的结果是，虽然人类采用动能撞击法将2019PDC撞碎，但一块60米左右的碎块仍在飞向地球，将其“核爆”摧毁的应急方案则无法执行，专家团队只好进行“B计划”，着手评估撞击结果，制定疏散方案。
同时，除了制定规划和桌面推演外，美国等还准备着手进行实际测试。2019年4月，美国宇航局(NASA)宣布SpaceX将执行其双重小行星重定向测试(DART)任务。据悉DART将是动能冲击器技术改变太空中小行星运动的首个演示，旨在测试宇宙飞船在小行星到达地球之前通过撞击后者的方式来拯救地球的可行性。以防止有害小行星撞击地球。按照计划，2021年6月，DART航天器将通过SpaceX公司的猎鹰九号火箭（据NASA官员表示此次的总发射成本约为6900万美元），从美国加州范登堡空军基地发射升空，飞向双星小行星Didymos。一年多以后的2022年10月，DART航天器将撞击围绕Didymos飞行的卫星DidyMoon（尺寸大约为165米）。届时地球上的望远镜将记录碰撞如何影响DidyMoon及Didymos的飞行轨道。DART小组成员说，这样的观察将有助于研究人员评估促使危险小行星偏转的“动力撞击”策略。
虽然利用动能撞击改变小行星轨道是目前主动防御小行星各种设想中较为被看好的方案。但问题在于，经典动能撞击在预警时间较短的条件下无法有效防御大尺寸小行星。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，需要一到两年的预警时间。对于更大的小行星，这个数字可能膨胀到20年，对于直径几百公里的太空巨型岩石，甚至需要几十年时间。
针对这个问题，此次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。将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，将潜在威胁小行星偏转出撞击地球的轨道，有典型的“借力打力”之意。
据李明涛研究员介绍，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，从而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，对小行星的轨道偏转效果可提升一个数量级，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。在报道中，他以直径约350米、重量约6100万吨的阿波菲斯小行星举例称，该小行星在2029年与地球的最近距离将约为3.8万公里，仿真显示，利用经典动能撞击方法对阿波菲斯小行星的偏转距离约176公里，而“以石击石”方案对阿波菲斯小行星的偏转距离约1866公里。此外，“以石击石”行星防御方案还能融合小行星探测和行星防御，在行星科学方面也具有较高的研究价值。
不难看出，中国科研团队提出的“以石击石”方案如果可行，那么人类将会更好的掌握“斗转星移”之力，这对于全世界都有着巨大的意义。