小行星防御系统启动！中国“以石攻石”的天体捕获方案

2013年2月15日清晨，俄罗斯车里雅宾斯克的居民们像往常一样开始新的一天。突然，一道比太阳还要耀眼的光芒划破天际，随后是震耳欲聋的爆炸声。一颗仅有20米直径的小行星在大气层中爆炸，释放出相当于50万吨TNT的能量。冲击波瞬间席卷整座城市，7200栋建筑受损，1500人受伤。最令人后怕的是，人类对这次撞击毫无预警。

这不是科幻电影的情节，而是21世纪真实发生的天降横祸。而在宇宙的时间尺度上，这样的撞击事件并不罕见。6600万年前，一颗直径10公里的小行星以每秒20公里的速度撞向地球，在今天的墨西哥湾掀起了高达数百米的海啸，扬起的尘埃遮天蔽日数年之久。这场浩劫不仅终结了恐龙1.6亿年的统治，更是让地球上75%的物种永远消失。亦或是1908年的通古斯大爆炸，一颗40-65米级的小天体将西伯利亚2150平方公里的原始森林夷为平地，爆炸威力相当于1500-2000万吨TNT。

小行星撞击被列为威胁人类生存的重大灾难之一。据统计，目前人类已发现超过3.5万颗近地小行星，且仍有大量中小尺寸的小行星隐匿在茫茫太空中。2025年2月，小行星2024 YR4的撞击概率一度升至3.1%，引发全球关注，这一事件再次敲响了警钟：。据NASA最新统计，人类仅发现约44%的威胁性中型小行星，这意味着超过1.4万颗直径大于140米的"城市杀手"级小行星仍隐匿于深空阴影中。

什么叫：反溅抛射与热羽？太阳地表辐射胁迫？植被强迫？

面对这些来自深空的不速之客，人类的防御之路充满挑战，哪怕仅仅是及时发现危险这一步。小行星本身不发光，只能反射微弱的太阳光，所以在漆黑的宇宙背景下并不好探测。再加上许多小行星从太阳方向飞来，强烈的阳光让地面望远镜失明。对此有一个专业的评估指标，叫做视星等，用来表示天体在地球上观测到的亮度等级，数值越大，亮度越暗。举几个常见的例子，太阳为-26.7等， 满月是-12.9等，而我们的肉眼极限可以观测到+6等。但即便是直径140米的城市杀手级小行星，在距离地球100万公里时的视星等仅为+21等。加之它们运行速度极快、轨道复杂多变，往往要等到非常接近地球时才会被发现。

即便发现了威胁，防御更是难上加难。例如刚才提到的140米的小行星，质量就可达百万吨级，以每秒数十公里的宇宙速度呼啸而来，动能足顶千颗核弹。要改变如此庞然大物的轨道，需要的不仅是技术，更是时间。据科学家计算，对于140米级小行星需要提前7年偏转才能避开地球1000公里；而对于足以毁灭文明的千米级小行星更需要数十年预警。然而现实是，我们常常只有数月甚至数周的反应时间。2023年1月21日，一颗小行星被观测到，而仅仅6天后的1月27日，它就从距离地表3,600公里处掠过，这可比地球同步卫星轨道还要低上几约10倍（地球同步轨道卫星的高度大概是35786km）。虽然它擦肩而过，但如果这是一颗更大的威胁性天体呢？我们将毫无防御时间。

传统的防御思路主要有三种：核爆破坏、动能撞击和引力牵引。核爆看似威力巨大，但在真空环境中没有冲击波，超60%的能量转化为X射线，仅少量能加热小行星表面。对于疏松的碎石堆结构小行星，偏转效率不足动能撞击的十分之一，且可能将一个大威胁分裂成无数个小威胁。

引力牵引则需要航天器保持在距小行星表面100米内，就相当于直升机贴地飞行的高度，持续喷射离子流产生微牛级推力。目前最可行的是动能撞击，2022年NASA的DART任务首次成功将小行星偏转。虽然轨道速度仅改变了每秒2.7毫米，但足以让其轨道周期缩短33分钟。问题是，人造航天器面对动辄百万吨的小行星无异于蚍蜉撼树，如果是对付真正的威胁，岂不是需要发射成百上千个撞击器？

正是认识到这些局限，我国科学家另辟蹊径，提出了一种以石击石的方案：与其耗费巨资制造撞击器，不如就地取材，捕获太空中的小型天体作为炮弹。这个构想的精妙之处在于充分利用了太空资源。传统实施动能撞击任务的撞击器受限于运载火箭能力，的撞击器质量通常不超过1吨（现在火箭的运载能力远远大于这个数。建议作者核实一下。），而捕获一颗10米直径的小行星，就能获得上千吨的天然炮弹。这相当于把弹弓换成了投石机，威力提升百倍。

以防御直径340米、质量达6.1×10¹⁰千克的小行星Apophis为例，传统撞击方法仅能实现176公里的偏转，这还不到地球半径的3%。140米的潜在威胁小行星为例，如果采用传统动能撞击方法，在短预警时间的条件下，由于撞击器质量太小，产生的速度改变量仅为每秒0.38毫米，几乎无法有效改变小行星轨道。这种微小的改变在数年后累积的偏转距离也仅有176公里，考虑到轨道预测的不确定性，这样的偏转效果聊胜于无。

但采用以石击石方案，情况发生了质的改变。研究团队对这颗以著名的著名的潜在威胁小行星Apophis为例进行了详细计算。航天器将配备两个捕获臂和三个接触臂。捕获臂使用一种叫做微脊抓取器的装置，它有数百个鱼钩状的微小尖刺，可以抓住小行星表面的凸起和凹陷结构。通过捕获并操控一个200吨级的太空岩石作为撞击器，以每秒11.84公里的相对速度撞击，可以使这颗直径约340米、质量约6100万吨的小行星产生每秒39.81毫米的速度改变。虽然这个速度改变看似微小，但经过4年的轨道演化，能够让Apophis在2029年飞掠地球时的最近距离从原本极其危险的38000公里增加到约40000公里，偏转距离达到近两千公里。

这比传统方法的176公里提升了十倍有余。更重要的是，这样的偏转距离已经远超过了地球半径的四分之一，即使考虑到各种不确定因素，也能确保小行星安全飞掠，自此人类终于找到了除核爆之外防御大型小行星的可行方案（怎样捕获200t的太空岩石？没介绍。这种想法仅停留在概念和设想层面，面临一系列技术和成本难题，何谈可行？）。

2021年，中科院国家空间科学中心团队进一步提出末级击石（AKI）技术，传统任务中，火箭末级在完成使命后会被抛弃，成为太空垃圾。但末级击石方案会在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，而是保持连接形成一个组合体。航天器通过姿态控制系统和推进系统，精确操控这个包含火箭末级的组合体，将其引导到与威胁小行星的碰撞轨道上。这相当于获得了额外的撞击质量，使撞击动能大幅提升。以长征五号火箭为例，其末级干重达6.5吨，加上2.25吨的航天器，总撞击质量可达8.75吨，是单独航天器质量的3.9倍。这相当于免费获得了近3倍（跟谁比？）的撞击质量，通过航天器的姿态控制系统和推进系统，精确操控这个组合体撞向威胁小行星。航天器携带约800公斤推进剂用于轨道修正和终端制导，从发射到撞击约需3年。（要留多少推进剂？在轨时间要多久？是否能够实现所需的机动变轨？能够防御多大范围内的威胁小行星？如果要防御不同方向的威胁小行星需要多少末级？发现威胁小行星先发射一个CZ5？现实么？不靠谱。）

当仿真防御直径492米的Bennu小行星时，单个末级击石撞击器在10年预警期内可实现399公里的偏转距离，是传统方法的3.5倍，这种效果相当于将传统方法的预警时间从25年缩短到10年。如果要实现1.4个地球半径的安全偏转距离，传统方法需要发射79枚长征五号火箭，而采用末级击石技术只需23枚，成本降低到原来的三分之一。

对于国际社会重点关注的140米直径潜在威胁小行星，末级击石技术展现出更大优势。在10年预警期内，传统撞击器只能实现0.78个地球半径的偏转，无法完全消除威胁；而末级击石可以达到2.75个地球半径或1.23个地球半径的偏转距离，确保地球安全。这或是意味着人类首次拥有了在较短预警时间内、不使用核武器就能防御大型小行星的可靠有效手段。（可靠？靠谱么？）

我国已经将小行星防御列为国家重大航天任务，并明确提出论证建设近地小行星防御系统。根据国家航天局最新规划，中国将在2030年前实施首次小行星防御在轨验证任务，对一颗30-50米直径的小行星进行动能撞击和轨道偏转试验。从以石击石到末级击石，科学家们展现出的不仅是技术创新，更是借力打力，物尽其用的东方智慧。（存在很多疑点交代的而不是很清楚，很多东西还处于概念设想阶段，可行性不好说，建议作者再客观的把握一下，是否经得起推敲，没必要过度宣传。似乎遥遥领先，实际上还属空中楼阁。）

参考文献

吴伟仁,龚自正,唐玉华,等.近地小行星撞击风险应对战略研究[J].中国工程科学,2022,24(02):140-151.

Li, M., Wang, Y., Wang, Y. et al. Enhanced Kinetic Impactor for Deflecting Large Potentially Hazardous Asteroids via Maneuvering Space Rocks. Sci Rep 10, 8506 (2020).

Wang, Yirui, et al. "Assembled kinetic impactor for deflecting asteroids by combining the spacecraft with the launch vehicle upper stage." Icarus 368 (2021): 114596.

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨蔡文垂 中国科学院大学 博士研究生

审核丨白鹏 航天科技集团十一院 研究员