布鲁斯·威利斯闪开，换“胖五”上_风闻

　　作者 | 向由

　　前不久，人们看到一则令人惊奇的新闻。据报道，中国科学家论证出一套方案，可以使用23枚长征五号火箭撞击小行星，使小行星改变运行轨迹，从而保护地球。

　　什么？用火箭来撞击行星，这是哪一部脑洞大开的科幻片剧情吗？

　　不，它是一项实实在在的课题研究。相关成果以《Assembled Kinetic Impactor for Deflecting Asteroids by Combining the Spacecraft with the Launch Vehicle Upper Stage》为题，发表在科学期刊《Icarus》上。

　　长征五号系列运载火箭外号“胖五”，是中国在2006年立项研制的一次性大型低温液体捆绑式运载火箭，也是中国新一代运载火箭中芯级直径为5米的火箭系列。

　　长征五号运载火箭

　　在2013年的美国电影《地心引力》里，中国空间站天宫一号成为了宇航员最后的救命稻草。更早以前，则是在《2012》中，中国建造的“诺亚方舟”拯救了人类命脉。西方电影人把中国科技置入电影，反映着中国尖端科技扎扎实实的进步。2021年中国空间站“入住”，更是让全世界瞩目。

　　“胖五撞小行星拯救地球”，不是电影，而是科研对现实的假设性回应。

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　　悲剧会重演吗？

　　尽管行星撞地球的概率极低，但它一旦发生了，后果不可估量。

　　恐龙就是亲历者，并且无一幸存。

　　6500万年前，一颗直径长度约10公里的行星碎片，撞击到如今的墨西哥尤卡坦半岛位置，据科学家们估算，它的威力相当于100亿颗广岛原子弹爆炸，直接导致了当时95%的地球生物灭亡。

　　《天地大冲撞》剧照

　　事实上，“陨石撞击”说起步很晚，在上世纪50年代才被提出，到了80年代，科学家们找到了地质学证据，证明确有其事。

　　古生物的研究有了重大突破，同时，这也在人类心中埋下忧惧。

　　悲剧会重演吗？

　　在这方面，艺术工作者总是快人一步。1998年，经典科幻灾难片《绝世天劫》上映，电影中，一块巨大的陨石朝地球而来，仅仅18天后，它就要撞上地球，人类面临存亡危机。

　　在它之前，先是一场小型的“陨石雨”光临纽约。陨石在大气层的挤压后，化身火球，看起来与导弹无异，城市建筑、街道、人群、车辆，全部置身于无差别的攻击中。人们逃命时呼号：“又打仗了！”

　　《绝世天劫》剧照

　　令人印象深刻的是，在电影中，美国总统询问科学家团队，假如陨石撞上地球了，损失会有多大？

　　科学家团队回答是：“损失？不，一切都会终结的，总统先生。”

　　在当年，《绝世天劫》取得了不俗票房，它将人类的“末日恐惧”具像化了，但在影片后半段，仍是现今看来俗套的个人英雄主义叙事。电影真正的现实意义，是在开场时的一段独白中：

　　“地球上发生过的，将会再次发生，一切只是迟早的问题。”

　　这段台词冷静、残酷，但它不是危言耸听。

　　《绝世天劫》中，哈利为了完成核攻击陨石任务，最终牺牲

　　现实是，的确有小行星的运行轨迹，与地球轨迹重合或接近，可能危及地球安全，它们被称为“近地小行星”。

　　“近地小行星”的数量还相当多。截至2020年1月7日，据美国近地天体研究中心统计，共发现 21776 颗近地小行星，其中，直径大于140m 的有8946颗，直径1km以上的小行星905颗。 

　　它们的威力如何呢？

　　据科学界测算，直径100米的小行星撞击地球，能毁灭一座大城市。如果是直径超过10千米的小行星撞击地球，就会造成全球性毁灭。

　　《绝世天劫》剧照

　　事实上，“小行星撞击地球”的事件，几乎每天都在发生。据统计，平均每年有700颗陨石落入地球，日均1.9颗。只不过，它们的体积要小得多，一般不造成危害。

　　在真正引起关注的撞击事件中，最近一次是在2013年2月15日，一颗直径约17米的小行星，以每秒30-40公里的速度，撞向俄罗斯车里雅宾斯克州的萨特卡市。

　　这起事件，史称“2·15车里雅宾斯克陨石坠落事件”。从群众拍摄的视频中，可以看到，这颗火球拖着发光的尾巴，亮度超过了太阳亮度。当时，俄国官方虽然观测到陨石，但是毫无办法应对。

　　陨石事件造成了超过1500人受伤，而这已经是“不幸中的万幸”。因为，陨石并没有直接撞到地面，而是在半空中解体爆炸，这就大大降低了危害。

　　甚至在事后，有人在视频中发现，疑似有物体从后面追上陨石、“击穿”陨石令其爆炸。因此在网络中，有一则流传颇广的说法，认为是神秘的力量在暗中保护着地球。

　　但是有一说一，恐龙们肯定不会同意。

　　“2·15车里雅宾斯克陨石坠落事件”，陨石坠入冰冻的切巴尔库尔湖中形成冰窟窿

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　　真的“地球保卫战”

　　恐龙灭绝的事实，将道理说得很明白：从来就没有救世主，一切只能靠自己。

　　假设有一天，真的发现了一颗巨大陨石撞向地球，人类能做的只有想尽办法、改变小行星的运行轨迹。

　　这事儿无论怎么说，都太科幻了。

　　不妨回到科幻片《绝世天劫》，看看电影是怎么做的。电影中，科学家们提出，利用核弹的力量改变小行星运行轨迹，具体来说，要将一队人马送上陨石，在陨石上钻出一个约850米深的洞，再将核弹埋在洞中、远程引爆。

　　《绝世天劫》中，在陨石上凿出的洞

　　《绝世天劫》的做法，在现实中被称为“核攻击法”。

　　“核攻击法”是指，采用装有核物质的探测器沿着拦截轨道、向目标小行星高速运行，通过在合适的爆炸点引爆，或将核爆炸物置于小行星表面一定深度内引爆，从而使小行星获得一个速度增量，改变原有运行轨道，实现轨道偏转。

　　核弹是“国之重器”，要应对千钧一发的危机。核攻击法的适用范围是，当危险小行星撞来的预警时间非常短之时（比如预警时间小于10年）。它的优势是，能量大，应对快。

　　不过，核攻击法有着显著的“后遗症”。首先是，核弹爆炸后的核污染之大，不能完全可控。其次是，核弹爆炸后，小行星分解成的大小碎片，仍然对地球有着潜在风险，并不是一了百了。

　　核攻击法之外，另一个主流的方案是“动能撞击”，而且，它是目前唯一得到在轨验证的小行星防御方法 。

　　动能撞击效果图

　　动能撞击是指，基于动量转移原理，航天器发射一个或多个动能撞击器，进入拦截轨道与小行星直接碰撞，或者以一定的相对速度嵌入小行星，用其自身动能来影响甚至改变小行星的运行轨道。 

　　2005年7月4日，美国NASA主导的“深度撞击”项目成功，航天器释放出一颗372公斤级的钢弹，撞击了“坦普尔1号”彗星的核，这可以看作一次“动能撞击”方案的在轨测试。它验证了方案可行性，但据报道，这次撞击不会改变彗星的轨道。

　　动能撞击虽然可行，但我们知道，牛顿力学下的动量P = m·v，那么，小行星的质量越大、速率越高，要改变其轨迹所需的动能就越多。

　　因此，动能撞击的方案，适用范围是直径小于150米的小行星。对大质量或大直径的小行星，该方案的有效性受到了限制。

　　但反过来看，基于同样的物理定律，我们希望“动能撞击器”的质量越大越好。而这，就是文章开头提到的课题研究的重点。

　　据报道，几名中国科学家对传统的动能撞击进行了“升级”，升级后的方案称之为“末级击石”。

　　“末级击石”行星防御任务方案示意图

　　“末级击石”是指，航天器进入深空逃逸轨道后，火箭末级与航天器不实施星箭分离，由航天器操控末级组合体撞向危地小行星，从而充分利用火箭末级的剩余重量，提升撞击小行星的动量，进而提升小行星轨道偏转能力。 

　　“末级击石”的功效如何呢？

　　根据测算，相比于传统动能撞击方案，利用单发长征五号发射“末级击石”任务的偏转效果，可等效于三发长征五号发射传统动能撞击任务的偏转效果。

　　同时，对于十年内偏转直径140米的小行星轨道，偏转距离可由不足一倍地球半径提升至一倍地球半径以上。

　　就这样，在与动能撞击同等目标的前提下，一种潜在的高效方案诞生了。

3

　　挥向太空的“组合拳”

　　以上介绍的核攻击法和动能撞击（包括“末级击石”），都可以归到同一类别：脉冲法。脉冲法是指，通过瞬间强大的外力作用，使小行星发生轨道偏转。

　　从中可见，科研人员真不是“做题家”，到了存亡之际时，还要靠他们的脑洞拯救地球呢。

　　除了脉冲法，科学家们还设计了其他不少方案，它们可以归类为“慢推力法”。这当中的脑洞就开得更灿烂了。

　　顾名思义，“慢推力法”是指，通过外力持续作用于小行星，缓慢改变小行星运行轨道。它没有脉冲法的激烈，所需要的时间就更长，不适用于预警时间短的危急情形。

　　但相对的，它更精确、可控，能够避免衍生危害。

　　要怎样对小行星施加外力呢？

　　首先是“引力牵引”，基于万有引力定理，让航天器的引力拖动着小行星改变轨道，这种办法简单粗暴，只需让航天器相对于小行星保持悬停，但耗费的时间往往很长，10年起步。

　　《苍穹浩瀚》中，飞船轨迹改变了小行星运行轨道

　　接着是“激光消融 / 烧蚀方法”，通过航天器携带的激光器发射激光，照射小行星表面，令小行星表面等离子体脱落，持续产生微小的反作用力，从而逐渐改变小行星轨道。

　　与之类似的是“离子束引导”，发射高指向性、高精度、高速度的离子束，对目标小行星进行持续照射，产生的推力缓缓改变小行星的轨道，最终让它偏离。 

　　各种方案不一而足，比如“质量驱动法”，是将航天器发射到小行星表面，随后，航天器钻取物质、高速喷出，利用由此形成的反作用力，最终实现偏转。

　　以上介绍的“慢推动法”，比起脉冲法似乎少了些科幻色彩，视觉上弱了很多，因此，大概率不会被改编成电影了。但它们的优势是，能够“组合使用”——在预警时间足够的情形下，可对一颗小行星实行多种慢推动方案。

　　想象一下，在万众瞩目中，一颗小行星被引力牵引，它的身边有成群的航天器悬停，同时它被N条“光线”齐齐照射，好似热闹非凡。在它离开的方向上，喷出的物质像一条短短的尾巴……这个画面，也是一种奇观了。

　　当然，但愿这奇观永远不出现。无垠的星空，保持你安静的美丽就够了！

　　参考资料：

　　1、《潜在危险性小行星偏转方法研究现状》，杨慧欣，马世宇等。

　　2、《基于偏转距离近似模型的动能撞击小行星防御任务脉冲轨道优化研究 》，王艺睿，李明涛等。

　　3、《空间中心提出应对潜在威胁小行星的“末级击石”防御方案》，国家空间科学中心。