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【文/观察者网专栏作者 白玉京】

中国实施小行星防御计划,这么科幻的事业,正在一步一步走向现实,但很多网友至今仍然以为它是个异想天开的话题。

9月5日,中国开会发布首次近地小行星防御任务方案与国际合作设想。同一天,一颗小行星闯入地球,一方面提醒我们小行星防御计划的必要性,一方面验证了中国小行星防御计划的现实可行性。

这颗直径为1.2米的小行星,美国望远镜于9月4日率先发现,国际小行星中心赋予编号为2024 RW1。9月5日0时39分,这颗小行星以20千米/小时的速度闯入大气层,在菲律宾上空25千米高度凌空爆炸。所幸小行星直径很小且是空爆,对当地人没有造成很大影响。如果小行星大一点,后果就难料了。

中国紫金山天文台的望远镜看到了事件过程,这也是中国监测网首次实现对预警小行星的接力追踪观测。

一颗小行星直奔菲律宾X(原twitter)

中国发布首次近地小行星防御任务方案与国际合作设想,这个名字很长,实际上包括了两个部分,一个是防御任务方案,另一个是国际合作的设想。我们回过头来看看这颗直奔菲律宾的小行星就会知道,中国多有先见之明,防御手段和国际合作缺一不可。早在2018年2月,我国就作为正式成员加入国际小行星预警网(IAWN)。

光有国际合作没有防御手段,顶多算是打个酱油获得一个参与奖,光有防御手段没有国际合作,也是孤掌难鸣,预警网需要国际科研机构的共同参与。中国作为负责任的航天大国,在小行星防御这件大事上,必须当仁不让,发挥中流砥柱的作用。

美国DART任务,撞击器撞击双星中的小卫星

美国的动能撞击试验

美国和欧洲联手首次验证了通过动能撞击,改变小行星轨道的可行性。通过此次实验,NASA和科学界验证了未来应对可能威胁地球的小行星时,动能撞击是一种可行的偏转方法,这种技术为行星防御提供了宝贵的经验和数据。这次验证取得了超出预期的成果,但也并非完美,有一些拖泥带水。

验证实际上包括了两个部分,美国国家航空航天局的DART任务(双小行星改道测试)负责撞击,欧洲航天局的HERA任务负责对双小行星观测,尤其是对撞击效果的评估。

动能撞击的核心思想是四两拨千斤,速度换能量。迪迪莫斯(Didymos)是一颗直径约780米的主小行星,迪莫弗斯(Dimorphos)是围绕迪迪莫斯运行的小卫星,直径约为160米,质量约480万吨。撞击目标是较小的迪莫弗斯,DART撞击器质量只有区区610千克,但凭着其6.8千米/秒的超高速度,DART撞击器产生的能量约为13.29亿焦耳,相当于约3.18吨TNT当量。

用高情商的说法,撞击取得了轨道周期缩短和轨道半径变小的效果。用更为现实的说法,也是美国科研机构和美国媒体不愿意讲的事实的另一面,撞击产生了2.7毫米/秒的轨道速度改变量,这一变化实在是过于微小,需要日积月累才能形成显著的轨道偏移。撞击时迪莫弗斯距地球距离只有1100万千米,假如迪莫弗斯正朝地球扑面而来,那么撞击远远不足以使之偏离与地球相撞的轨道。

美国DART任务的大小比例图,蓝色字体的分别为撞击器、被撞的迪莫弗斯,主星迪迪莫斯。

DART撞击器被容纳在猎鹰9号的整流罩中。

中国首次近地小行星防御任务

中国向来有花小钱办大事的优良传统,中国的首次近地小行星防御任务,相当于美国DRAT计划和欧洲HERA任务的总和,在一次试验中同时实现两大工程目标:完成对50米级小行星的超高速撞击、完成对动能撞击效果在轨直接评估。总体目标为:撞得准、推得动、测得出、说得清。

中国提出了多种方案,各有优势,如撞击加掠飞、撞击加掠飞加伴飞、伴飞加撞击加伴飞。其中一个方案是用一枚长征五号火箭,一箭双星发射探测器和撞击器,探测器借力金星,提前到达目标小行星,开展伴飞观测。撞击器利用日地月自然引力和轨道机动调整方向,探测器抵达3个月后,撞击器以超过9千米/秒的时速实施动能撞击,撞击时小行星距地距离小于700万千米。

中国将在2030年前实施的首次小行星防御任务,用撞击器偏转直径50米的小行星,是一个稳妥慎重的选择。小行星的体积与质量成立方比例增长,并非线性。直径50米的小行星质量约为一二十万吨,这跟直径160米的小行星相比有巨大差异,显然会产生更大的偏移速度,产生更明显的偏移效果,有助于观测和评估。

“以石击石”方案充分展示了中国科学家的创造力

青胜于蓝

小行星直径50米也好,直径160米也好,用火箭发射撞击器产生的轨道速度改变量都是极为有限的,慢药治不了急病。中国在美国撞击试验的基础上看得更远,走得更远。想增加轨道速度改变量,无非有几种方式,要么是增加撞击速度,要么是增加撞击物的质量。一次撞击不行,就多撞几次,小的撞了不行,换大的来撞。

据NASA消息,“贝努”是一颗直径500米的小行星,预计于2135年9月飞掠地球。一支研究团队称撞击地球的概率为0.037%。中美两国都针对“贝努”,作出各自的动能撞击方案。中国方案在效率上明显优于美国方案。

NASA和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室提出使用“德尔塔IV”重型火箭搭载8.8吨的HAMMER航天器,通过撞击进行防御。如果有25年的预警时间,需要发射7-11枚“德尔塔IV”重型火箭,如果有10年的预警时间,需要发射34-53枚“德尔塔IV”重型火箭。

中国科学家提出使用23枚长征五号撞击“贝努”小行星,即可达到偏转“贝努”的效果。

不仅如此,中国科学家还先后提出了“末级击石”方案,和“以石击石”方案。

“末级击石”方案利用了长征五号通常被当太空垃圾抛弃的火箭末级,跟撞击器形成组合体直接撞击“贝努”,充分利用火箭末级的质量,增强撞击动能,提升对小行星轨道的偏转效果。单次长征五号执行该任务的效果,相当于使用三次传统动能撞击方案的总效果。

“以石击石”方案则是利用航天器捕获一块太空石块/小行星,构成组合撞击体,撞击目标小行星,轨道偏转效果可提升一个数量级。

“以石击石”方案,脱胎于“摘星计划”。

动能撞击是唯一的现实选择

在面对小行星撞击威胁时,人类的防御手段令人遐想。最初,很多人想到的可能是核武器,似乎像电影中那样用一颗核弹能瞬间解决问题。然而,现实并不像银幕上那般简单。核爆炸可能会将小行星炸成大量碎片,这些碎片仍有可能朝地球飞来,甚至造成更大风险。而且,国际条约严格限制核武器在太空中的使用,这条路基本被堵死了。

激光防御听起来科技感十足,理论上,通过激光加热小行星表面,让物质蒸发产生反作用力来逐渐改变轨道。这听起来不错,但实际上需要巨大的能量供给,而依赖现有技术,很难实现如此强大的激光输出。此外,这种方法需要几个月甚至几年的持续照射,且必须精确对准小行星,这在实际操作中几乎是不可能的。

重力牵引器的概念更为奇特:航天器在小行星旁边悬停,利用微弱的引力慢慢改变其轨道。尽管这一方案听起来精妙,但其引力效应极其微弱,想要产生足够的影响,需要几十年的时间,这对应急防御来说,显然不切实际。

还有利用太阳能的办法,比如用巨大的太阳帆或反射镜,将阳光反射回小行星表面,以此逐渐推动它改变轨道。但光压效果极其有限,时间跨度动辄几十年,且要在太空中部署这样庞大的设备,面临巨大的技术和资金挑战。

用航天器推走小行星也非常困难,阿姆罗开着高达推走即将陨落地球的小行星阿克西斯,现在只能停留于影视动漫。

相较之下,动能撞击显得更加务实。像DART任务那样,通过撞击器高速撞击小行星,直接利用动量改变其轨道。虽然撞击后的速度改变量微小,但在足够长的时间内,这种偏移效果会逐渐累积,达到避免撞击地球的目的。这种方法简单、可控,是当前最可行的小行星防御方案。

谨以此图致敬中国航天人,小行星防御不是梦,但它是中国梦。

综上所述,中国首次近地小行星防御任务,已经超越了美国DART任务的窠臼。中国已规划出了近地小行星防御的发展蓝图,2030年前“撞”,2030-2035年“推”,2045年前“控”。从升级版动能撞击技术,到近中远三个阶段的长远发展,中国翻开了国家行星防御计划壮丽的诗篇。