中国正在实施小行星防御计划,这样一个科幻的计划正在逐渐变成现实,但很多网友还是认为这是一个异想天开的话题。
9月5日,中国召开发布会,发布首个近地小行星防御任务计划及国际合作方案。同一天,一颗小行星撞击地球,提醒我们小行星防御计划的必要性,验证了中国小行星防御计划的可行性。
这颗直径1.2米的小行星于9月4日首次被美国望远镜发现,并被国际小行星中心编号为2024 RW1。9月5日0时39分,小行星以每小时20公里的速度进入大气层,在菲律宾上空25公里处发生爆炸。幸好小行星直径很小,又是空中爆炸,所以没有给当地造成太大影响。如果小行星更大,后果将难以预料。
中国紫金山天文台的望远镜观测到了这一过程,这是中国监测网络首次实现对预警小行星的中继跟踪观测。
一颗小行星正直奔菲律宾(原文)
中国发布首个近地小行星防御任务计划及国际合作构想。这个名字很长,其实包括两部分,一个是防御任务计划,一个是国际合作构想。回头看看这颗直奔菲律宾的小行星,就知道中国是有先见之明的。防御措施和国际合作缺一不可。早在2018年2月,我国就以正式成员身份加入了国际小行星预警网络(IAWN)。
没有防御手段的国际合作最多是一份参与奖,没有国际合作的防御手段也是一人秀,预警网络需要国际科研机构的参与,中国作为负责任的航天大国,必须在小行星防御大事上发挥带头作用、发挥枢纽作用。
美国DART任务,撞击器击中双星内小卫星
美国动能冲击试验
美国和欧洲首次联合验证了通过动能撞击改变小行星轨道的可行性。通过这次实验,NASA和科学界验证了动能撞击是一种可行的偏转方法,用于应对未来可能威胁地球的小行星。这项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效果,但并不完美,也存在一些延迟。
验证其实包括两部分,美国宇航局的DART任务(双小行星重定向测试)负责此次撞击,欧洲航天局的HERA任务负责对双小行星进行观测,特别是对撞击效果的评估。
动能撞击的核心思想是用小力量达到大效果,以速度换取能量。 是一颗主小行星,直径约 780 米。 是一颗围绕 运行的小卫星,直径约 160 米,质量约 480 万吨。撞击目标就是体型较小的 。DART 撞击器质量只有 610 公斤,但凭借每秒 6.8 公里的超高速度,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。
从夸张的方面看,撞击缩短了轨道周期,减小了轨道半径。从更现实的角度看,也是美国研究机构和美国媒体不愿谈论的另一面,撞击使轨道速度发生了 2.7 毫米/秒的变化,这个变化太小,不足以随着时间的推移而形成显著的轨道偏移。撞击时, 距离地球只有 1100 万公里。如果 是直奔地球而去,撞击不足以使它偏离与地球的碰撞路线。
美国 DART 任务的缩放图像。蓝色字体为撞击体、被击中的天体 和主恒星 。
DART 撞击器位于猎鹰 9 号的整流罩内。
中国首次近地小行星防御任务
中国历来有花小钱办大事的优良传统。中国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:完成与50米级小行星的超高速撞击和完成动能撞击效应在轨直接评估,总体目标是击中准确、推动到位、测量到位、解释清楚。
中国提出了多种方案,各有千秋,如撞击+飞越、撞击+飞越+伴飞、伴飞+撞击+伴飞等。其中一种方案是利用长征五号火箭,将探测器和撞击器双星合一发射。探测器利用金星提前抵达目标小行星,进行伴飞观测。撞击器利用太阳、地球和月球的自然引力和轨道机动调整方向。探测器到达后三个月,撞击器将以每秒9公里以上的速度实施动能撞击。撞击时,小行星距离地球不到700万公里。
中国首次小行星防御任务将在2030年前实施,利用撞击器偏转一颗直径50米的小行星。这是一个安全而审慎的选择。小行星的体积和质量是按立方增长的,不是线性增长的。一颗直径50米的小行星,质量大约在10万到20万吨之间,与直径160米的小行星相比,差别巨大。显然,它会产生更大的偏转速度和更明显的偏转效果,有利于观测和评估。
“石上石下”方法充分展现中国科学家创造力
年轻一代比老一代更好
不管小行星直径是50米还是160米,用火箭发射撞击体引起的轨道速度变化都极其有限。慢药不能治急病,中国在美国撞击试验的基础上看得更远、走得更远。如果想增加轨道速度变化,办法只有几种,要么提高撞击速度,要么增加撞击体质量。一次撞击不行,就试多次撞击。小撞击不行,就试大撞击。
美国宇航局称,贝努是一颗直径500米的小行星,预计2135年9月飞过地球,研究小组称撞击地球的概率为0.037%。中美两国都制定了各自的贝努动能撞击计划,中国计划的效率明显高于美国计划。
美国宇航局和劳伦斯利弗莫尔国家实验室建议使用德尔塔IV重型火箭携带8.8吨的航天器进行撞击防御,如果预警时间为25年,则需要发射7-11枚德尔塔IV重型火箭,如果预警时间为10年,则需要发射34-53枚德尔塔IV重型火箭。
中国科学家提议使用23枚长征五号火箭撞击贝努小行星,以使其偏转。
不仅如此,中国科学家还提出了“最后打石”计划和“石打石”计划。
“末级撞石”计划利用通常被当做太空垃圾丢弃的长征五号火箭末级与撞击器组成组合体直接撞击“贝努”,充分利用火箭末级的质量,增强撞击动能,提高小行星轨道的偏转效果,单次长征五号任务效果相当于采用3次传统动能撞击计划的总效果。
“岩石对岩石”方法利用航天器捕获太空岩石/小行星,形成组合撞击器撞击目标小行星,这可以将轨道偏转效应提高一个数量级。
“石对石”计划源于“摘星计划”。
动能撞击是唯一现实的选择
当面临小行星撞击威胁时,人类的防御手段非常富有想象力。最初,很多人可能会想到核武器,仿佛像电影里一样,一颗核弹就能瞬间解决问题。然而现实并没有荧幕上看起来那么简单。核爆炸可能会把小行星炸成大量碎片,这些碎片仍有可能飞向地球,甚至造成更大的危险。而且国际条约严格限制在太空使用核武器,这条路基本上被堵死了。
激光防御听起来很高科技,理论上是用激光加热小行星表面,使物质蒸发产生反作用力,逐渐改变其轨道。这听起来不错,但现实中需要巨大的能量供应,依靠现有的技术很难实现如此强大的激光输出。此外,这种方法需要连续照射数月甚至数年,还必须精确瞄准小行星,这在实际操作中几乎不可能实现。
重力牵引器的概念则更加奇特:一艘航天器悬停在小行星旁边,利用其微弱的重力缓慢改变轨道。虽然这个方案听起来很巧妙,但它的引力作用极其微弱,需要几十年的时间才能产生足够的影响,这对于紧急防御来说显然是不切实际的。
利用太阳能也有办法,比如用巨大的太阳帆或镜子将阳光反射回小行星表面,从而逐渐推动它改变轨道。但光压的效果极其有限,时间跨度动辄数十年,在太空部署如此大型的装置面临巨大的技术和资金挑战。
用宇宙飞船推开小行星也是非常困难的,阿姆罗驾驶高达推开即将坠落地球的小行星阿克西斯的故事,现在只能在电影、电视和动画中看到。
相比之下,动能撞击更为实用。像DART任务一样,撞击器可以高速撞击小行星,直接利用动量改变轨道。虽然撞击后的速度变化很小,但在足够长的时间内,这种抵消效应会逐渐积累,达到避免与地球相撞的目的。这种方法简单可控,是目前最可行的小行星防御方案。
我想用这张照片向中国航天员致敬,保卫小行星不是梦,而是中国梦。
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。中国已经规划了近地小行星防御的发展蓝图,包括2030年前“碰撞”,2030年至2035年“推动”,2045年前“控制”。从升级的动能撞击技术到近程、中程和远程阶段的长期发展,中国在国家行星防御计划中开启了宏伟篇章。


