預防小行星撞擊地球的十大措施

冉 非 （北京大學行星與空間科學研究中心）

預防小行星撞擊地球的十大措施

冉 非 （北京大學行星與空間科學研究中心）

Top Ten Methods to Avoid Asteroid Impacting the Earth

自從人類認識到近地小行星（NEA）的撞擊危險性以來，一直在思考如何減輕和避免小行星撞擊地球帶來的災害，并提出了許多應對措施。從不同的角度出發，可以將這些措施分成幾種類型。按對撞擊者處理方式不同，可分為偏轉小行星的軌道和擊碎小行星兩種方式；按使用的能源不同，可分為動能、電磁能、引力、太陽能以及核能等方式；按接近小行星的方式不同，可分為攔截、軌道交會等方式；根據是否能快速地向目標傳遞能量，還可以分為直接和間接兩種方式。究竟采取何種方式，要根據撞擊可能發生的時間、撞擊者的大小和軌道特征等多項參數進行綜合評估，以選取最佳方式。

1 加強觀測，提前預報

提前獲得近地天體的信息，是避免撞擊地球的基本保障。目前，全世界許多國家的天文臺都開展了對近地天體的觀測，一些國家還制定了近地天體觀測計劃，在確定近地天體分布方面做出了很大貢獻。未來將進一步提高觀測水平，更新觀測設備，發現更多的近地天體，對已經發現的近地天體繼續跟蹤觀測，以便深入了解其軌道特征和表面物理、化學性質。最重要的是，讓全世界的地面觀測站聯網并實現數據共享，保證及時發現“入侵者”，并確切了解其軌道參數。

巡天觀測的目的是確定近地小行星的數量和分布，最好的方法是發射一個空間巡天紅外望遠鏡，其軌道與金星軌道類似，半主軸大約0.7AU，軌道周期大約206天，視場大約200°，在逆太陽方向，不會約束望遠鏡探測小行星的能力。美國的觀測項目“哨兵”（Sentinel），目前還處于計劃中。“哨兵”的目標是在6.5～10年的運行期間，發現90%以上直徑大于140m、10萬顆直徑大于50m、20萬顆直徑為30～50m，以及20萬顆直徑小于30m的近地小行星。

根據這些觀測數據，建立起全球性的信息、分析和預警網絡（IAWN），對小行星的軌道進行預報。目前，對小行星軌道預報的準確性還有待提高，主要有三方面的原因：一是近地小行星在接近地球飛越后，軌道會受到地球引力的影響，發生了一定的變化；二是對近地小行星的精確觀測，往往是在它們通過地球附近時，但一般只能觀測到一段弧段，僅憑其觀測數據確定整個軌道分布，往往會帶來較大誤差，只有經過多次觀測，確定的軌道才準確；三是受亞爾科夫斯基效應的影響，軌道也會發生變化，但目前人類對每顆小行星受到這種效應影響的了解甚少。所謂亞爾科夫斯基效應，是指小行星吸收陽光和釋放熱量時，會對自身產生一個微小的推動力，進而影響軌道。

2 動力撞擊偏轉軌道

2005年7月4日，美國發射的“深度撞擊”（Deep Impact）探測器成功地撞擊了坦布爾－1彗星。撞擊器的質量是370kg，撞擊速度約10.2km/s；產生的動能為19GJ，相當于4.8t的TNT爆炸所釋放的能量。這次撞擊使坦布爾－1彗星軌道速度的變化為0.0001mm/s，使其近日距離減少了10m。由這組數據可以看出，撞擊對天體的軌道是有影響的，影響的程度取決于二者的質量、相對體積和相對速度。因此，為了獲得理想的偏轉效果，需要增加飛船的質量和速度。

根據一些學者的計算，將一顆潛在危險的小行星推到安全軌道，所要達到的速度變量并不是很大。動力撞擊偏轉軌道的方法是人類已經基本掌握的技術，當前的問題是深入掌握撞擊對小行星軌道的效應，對撞擊器大小、速度、撞擊方向以及如何選擇撞擊位置進行深入研究。

3 安裝火箭主動變軌

這種方法是在小行星表面安裝多個火箭發動機，靠發動機的推力改變小行星軌道。發動機可以是大功率的，也可以是小功率的。前者適合預警時間較短的情況，后者適合于預警時間較長的情況。小功率發動機也可以是電火箭。電火箭也稱等離子體火箭，這種火箭的推力不大，但持續時間比較長，因此也可以作為改變小行星軌道的一種推動力。

4 太陽帆緩慢助推

太陽帆是利用太陽光子撞擊到帆上所產生的動量變化，給帆施加一個小的力。當一束陽光照射到像反射鏡一樣的表面時，光子被反射，同時施加給反射面一個沖力。光子的沖力不大，在大氣層以上的陽光直接照射下，1m2完全吸收的材料會感受到4.7μN的力，相當于一張紙質量的1/2000。航天飛機有3臺主發動機，每臺產生1.67×106N的力。即使在1.0×105m2（邊長為3個足球場邊長的面積）的帆上，陽光產生的推力也不到單個航天飛機發動機所產生推力的百萬分之一。

如果空間飛行器以陽光為動力，要求帆的表面必須很大，帆的材料必須薄而輕。太陽帆雖然提供的推力小，但作用力一直存在且不斷地加速，最終可大于傳統火箭發射飛船的速度。如果以1mm/s2的加速度考慮，1天后1個太陽帆可加速到310km/h，并移動7500km；12天后，可加速到3700km/s。

太陽帆的另一個優點是不需要傳統推進劑。因此，在能提前預警的情況下，可在目標小行星上安裝太陽帆，逐漸改變小行星軌道。

5 用伴飛飛船引力牽引

引力牽引器是一種緩慢地改變小行星軌道的方法。這種方法是將一艘大的飛船發射到小行星附近，與小行星一同飛行。大飛船利用引力作為拖繩，使小行星的軌道逐漸變化，使之偏離撞擊地球的軌道。

例如，質量為20t的核電動力飛行器，通過在小行星附近簡單地盤旋，拖曳直徑為200m的小行星。這種小而穩定的推動將逐漸影響小行星的軌道，只要給定足夠的預警時間，引力牽引器就能夠偏轉小行星的路徑，使其離開與地球碰撞軌道足夠的距離。

這種方式的一個優點是可以不用考慮小行星的結構，使問題更加簡化。例如，如果想要在小行星表面安裝一臺發動機，需要有接觸機械，但由于小行星表面引力太弱，難以使接觸機械牢固地與表面固定。另外，大多數小行星自旋比較快，固定在表面的發動機推力方向不斷變化，只有在小行星自旋到一定方位，發動機的推力才對偏轉軌道起作用，浪費時間和推進劑。

6 在附近實施核彈爆破

在小行星附近進行爆炸，通過爆炸所產生的巨大沖擊波改變小行星的軌道。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的天體物理學家羅伯特·韋沃（Robert P Weaver）及其科研小組用實驗室的“天空”超級計算機進行模擬，研究如何利用核武器攔截可能撞擊地球的“殺手”小行星。結果表明，用一顆1.0×106t的氫彈可以阻止類似阿波菲斯的小行星。

到目前為止，韋沃最詳細的模擬計算對象是小行星糸川，這顆小行星的尺度大約是540m×270m×210m。模擬結果顯示了從百萬噸級氫彈爆炸點發出的沖擊波發展的過程：來自小行星爆炸點的羽煙高速向外噴發，這是巖石被加熱后的效應。沖擊波與巖石的相互作用將能量從表面向小行星相反的那端傳播，完全粉碎了這顆小行星。

7 在天體內部引爆核彈

美國愛荷華大學的一個研究小組在2014年提出了一種減輕小行星撞擊地球危害的方法，稱為“超高速小行星攔截工具”（HAIV），可適應各時間尺度的預警。

超高速小行星攔截工具由組合在一起的兩艘飛船組成，位于前端的是引導船，后端是跟隨船。飛船首先在深空與目標小行星進行軌道交會，然后引導船與跟隨船分離，引導船實際上是一個動能撞擊器，它準確地撞擊目標小行星表面并爆炸，產生一個小坑。跟隨船攜帶著核武器，隨后跟進，經由一個帶著傳感器的長桿進入坑內，將小行星炸為數百萬顆碎片。在坑內爆炸，效果將比在附近或表面爆炸增加20倍。核爆炸產生的碎片能否撞擊地球，取決于爆炸點到地球的距離。如果爆炸位置選擇合適，碎片效應可以大大減小。

8 在天體表面進行質量投射

這種方法的基本思路是用多個著陸器與危險小行星交會與接觸，并在表面進行鉆探，用質量投射器將挖掘出的物質高速拋出。經過幾周或幾個月后，目標小行星的日心軌道逐漸偏離靠近地球的軌道。

質量投射器也稱電磁彈射器，是一種以電磁能量為動力，將負載加速到很高速度的一種方法，原理和電磁炮類似。在小行星上的質量投射器是一個自動系統，不斷地將小行星上的物質拋向太空，于是給小行星施加一個緩慢而穩定的推力，并使其質量減少。為了提高質量拋射的效率，可同時安裝多個質量投射器。

9 用強大激光進行燒蝕

利用太空飛船產生的強大激光束照射小行星，使小行星表面物質氣化，飛離其表面，使小行星的動量發生變化，從而導致軌道的變化。早在1984年，美國就研制了太空激光裝置，稱為“戰略防御初始概念”。

“定向能行星防御任務”（DE-STARLITE）由美國加州大學圣塔巴巴拉分校的學者提出，將發射一個攜帶激光裝置的飛行器，利用激光燒蝕的方式改變小行星軌道，適合于偏轉直徑為幾百米的小行星軌道。該計劃與美國“小行星重定向任務”（ARM）的第一階段有一些共同之處，即使用的運載火箭相同、起飛質量大體相同（低地球軌道為14t）、使用相同的等離子體發動機和相同的太陽能帆板系統。由于“定向能行星防御任務”的質量有所減小，因此可攜帶更大的太陽能帆板。

10 增強亞爾科夫斯基效應

亞爾科夫斯基效應對小行星軌道有明顯的影響，可想方設法擴大這種效應，以有效地偏轉對地球有潛在危險的小行星軌道，常用的方法有噴漆法和光照法。

噴漆法，就是往小行星表面噴灑一些粉末，有效地吸收陽光或反射陽光，增強亞爾科夫斯基效應。具體方法是讓飛船攜帶選定的粉末，將這些粉末通過一個細管加壓噴出。由于粉末與管壁摩擦，使得飛出的粉末獲得額外的電子，因而帶負電。小行星在太陽風的作用下，表面帶正電，帶負電的粉末就牢牢地沉積在小行星的表面，增強了亞爾科夫斯基效應，進而改變小行星的軌道。

光照法，是在圍繞小行星運行的飛船上安裝太陽反射鏡，將聚焦的陽光照射到小行星表面，以此增強亞爾科夫斯基效應。