美國小行星防御演習(xí)背后隱藏太空作戰(zhàn)考量

文/ 蘭順正

▲小行星撞地球

5月初，在美國馬里蘭州召開的第六屆行星防御會議上進(jìn)行了一場小行星防御演習(xí)。美國宇航局下屬噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室虛構(gòu)了一顆可能在2027年4月29日撞擊地球的小行星（代號2019PDC），由來自美國宇航局、美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局、歐空局等機(jī)構(gòu)的專家團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)迎戰(zhàn)小行星，以拯救人類。

最后的結(jié)果是，雖然人類采用動能撞擊法將2019PDC號小行星撞碎，但一塊60米左右的碎塊仍在飛向地球，將其“核爆”摧毀的應(yīng)急方案則無法執(zhí)行，專家團(tuán)隊(duì)只好進(jìn)行“B計劃”，著手評估撞擊結(jié)果，制定疏散方案。

主動防御小行星威脅并非“杞人憂天”

此次演習(xí)雖然只是虛構(gòu)，但小行星防御問題并非只是科幻故事。一般而言，如果小行星軌道與地球軌道的最小距離小于0.05個天文單位（一個天文單位約為1.5億公里），就被認(rèn)為是有潛在碰撞風(fēng)險的小行星。目前已被確認(rèn)的超過1.6萬顆近地天體中，有1838顆被認(rèn)為具有“潛在危險性”。小行星的碰撞可能帶來十分嚴(yán)重的后果。據(jù)估算，直徑為10～50米的小行星撞擊地球，即可產(chǎn)生像關(guān)島核彈爆炸一樣的威力；直徑在100米以上的小行星，就能產(chǎn)生幾百萬噸級核彈的破壞能量。廣為熟知的造成恐龍滅絕等災(zāi)難的原因很可能就是小行星與地球的碰撞。2013年2月15日上午9時15分（世界時3時15分），俄羅斯車?yán)镅刨e斯克地區(qū)發(fā)生了一次隕石雨事件，隕石進(jìn)入大氣層留下大約10公里長的軌跡，據(jù)俄羅斯媒體報道，該次事件中有1500人受傷，1000多間房屋受損。

▲ 2013年2月15日，俄羅斯車?yán)镅刨e斯克地區(qū)遭遇隕石雨“襲擊”，這是隕石墜入冰凍的切巴爾庫爾湖中形成的窟窿

▲ 隨著科技的進(jìn)步，如何主動防御小行星碰撞地球已成為各國關(guān)注的重點(diǎn)

以前，防御小規(guī)模碰撞事件主要采取地面人防工程和躲避等被動方式，但隨著科技的進(jìn)步，如何主動防御小行星碰撞地球也成為了各國關(guān)注的重點(diǎn)。如在2018年8月，美國白宮科技與政策辦公室聯(lián)合美國國家科學(xué)與技術(shù)委員會發(fā)布“國家近地天體預(yù)防戰(zhàn)略與行動規(guī)劃”，對未來10年如何防御可能撞擊地球的近地天體，以及一旦撞擊如何開展救災(zāi)等工作從國家層面進(jìn)行頂層謀劃，并提出通過諸如提高近地天體探測跟蹤能力、提高近地天體威脅的建模預(yù)測能力、研發(fā)偏轉(zhuǎn)或破壞近地天體技術(shù)等5個戰(zhàn)略目標(biāo)來提高預(yù)防近地天體撞擊地球的能力。

小行星主動防御技術(shù)存在的空天戰(zhàn)爭潛力

表面看來，小行星主動防御涉及天文和防災(zāi)等領(lǐng)域，但其與空天戰(zhàn)爭有很多的相通之處。從宏觀上說，防御小行星撞擊地球與防御他方非合作太空目標(biāo)并無太多本質(zhì)差別。從微觀上說，如果能夠?qū)缭缴蟽|公里以外的小行星進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、追蹤、監(jiān)視，并發(fā)射航天器抵近、繞飛、撞擊、著陸、采樣、返回乃至推離和摧毀，那么同樣的手段更加可應(yīng)用到距離更近的人造衛(wèi)星或其他航天器上。目前主動防御小行星主要有3種設(shè)想：用長期作用力來緩慢改變小行星軌道、利用動能撞擊改變小行星軌道、核爆炸，這些都具備太空軍事應(yīng)用潛力。

用長期作用力來緩慢改變小行星軌道的手段有很多，包括太空拖船、引力拖車、用挖掘機(jī)使小行星拋出質(zhì)量、用強(qiáng)激光照射改變小行星表面蒸發(fā)量、用表面噴漆等方式改變光壓力等。這其中以美國的“小行星重定向計劃”最具代表性。美國宇航局從2013年起，開始實(shí)施一項(xiàng)名為“小行星重定向任務(wù)”的小行星捕捉計劃。該計劃發(fā)射無人飛船與小行星交會并對其予以捕獲，并設(shè)計了兩個方案，一是設(shè)想使用一種呈圓筒形的高強(qiáng)度的軟式充氣袋，捕獲一顆體積較小的完整小行星；二是從一顆大型的小行星表面抓取一塊2～4米寬的大卵石。當(dāng)無人飛船將捕獲到的小行星拖送到月球附近時，航天員將乘坐“獵戶座”多用途飛船奔赴月球遠(yuǎn)程逆行軌道，出艙對小行星進(jìn)行直接觀察研究和采樣，并帶著樣品返回地球。雖然美國政府在2017年初宣布計劃取消“小行星重定向任務(wù)”，但是該項(xiàng)目研發(fā)的一些關(guān)鍵技術(shù)將為其他應(yīng)用保留。

▲ 美國的“小行星重定向計劃”

▲ 用軟式充氣袋捕獲小行星示意圖

▲ 美國的“深度撞擊號”向目標(biāo)彗星釋放撞擊器

不難看出，緩慢改變小行星軌道技術(shù)與共軌反衛(wèi)技術(shù)類似。共軌反衛(wèi)技術(shù)是指將攔截平臺送入目標(biāo)衛(wèi)星的軌道平面，然后對目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行破壞。以前航天飛機(jī)這類飛行器可以用機(jī)械手將對方的衛(wèi)星拖入艙內(nèi)帶回地面，或直接在太空進(jìn)行符合己方意愿的改造，這與將小行星捕獲后帶回地球附近簡直如出一轍。

用航天器動能撞擊的方法改變小行星軌道是目前技術(shù)可以達(dá)到的，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)被多次試驗(yàn)。以美國“深度撞擊”計劃和日本的“隼鳥”計劃為例。2005年1月13日美國成功發(fā)射彗星探測飛船“深度撞擊號”，經(jīng)過4.31億公里的長途跋涉，探測器飛抵“坦普爾1號”彗星。在2005年7月4日，探測器本體釋放出一顆372千克級的撞擊器，以每小時3.7萬公里的速度撞擊彗星的彗核，其威力相當(dāng)于4.5噸TNT烈性炸藥的爆炸威力，將彗核表面撞出一個數(shù)十米深、足球場那么大的環(huán)形坑。而在“隼鳥”計劃中，日本的隼鳥號探測器于2005年10月到達(dá)系川小行星后，將一枚質(zhì)量為5克的金屬“子彈”以每秒300米的速度射向小行星表面，使其表面飛濺的碎片被吸入到采樣裝置中。后續(xù)探測器“隼鳥2號”于2019年2月22日8時左右成功在小行星“龍宮”表面著陸，并在不久之后成功轟炸了“龍宮”，據(jù)悉，“隼鳥2號”的“小型攜帶撞擊器”裝置在撞擊時引爆，創(chuàng)造了一個隕石坑，實(shí)際再現(xiàn)了天體碰撞產(chǎn)生隕石坑的過程。

▲ 日本的隼鳥號探測器

▲ 雪地中向發(fā)射井開進(jìn)的俄羅斯A-135戰(zhàn)略反導(dǎo)系統(tǒng)攔截彈運(yùn)輸裝填車

很明顯，撞擊小行星融合了上升式動能殺傷器技術(shù)，該技術(shù)的核心之一是動能攔截器。動能攔截器主要由導(dǎo)引頭、計算機(jī)及電子設(shè)備、姿態(tài)/軌道控制設(shè)備和電源等組成，與用于攔截大氣層內(nèi)目標(biāo)的攔截彈不同，動能攔截器主要采用碰撞殺傷，原因在于攔截外空目標(biāo)時，雙方相對速度過高，達(dá)每秒5～10公里，目前的近炸引信技術(shù)難以在合適的時機(jī)精確起爆戰(zhàn)斗部。同時，動能攔截器與目標(biāo)碰撞時的質(zhì)量至少為6～15千克，如此高的速度和質(zhì)量碰撞時產(chǎn)生的能量可高達(dá)數(shù)億焦耳，將會產(chǎn)生汽化效應(yīng)，形成幾百萬度甚至幾千萬度的高溫高壓等離子體，其瞬間的爆炸威力足以徹底摧毀現(xiàn)有的任何類型的目標(biāo)，殺傷力強(qiáng)。動能攔截器有兩種碰撞方式：直接碰撞方式和直接碰撞殺傷增強(qiáng)方式。直接碰撞殺傷增強(qiáng)方式是在制導(dǎo)精度滿足不了直接碰撞的情況下，在攔截器上增設(shè)殺傷增強(qiáng)裝置，如傘骨狀鋼條等，以增加撞擊面積。

上升式動能殺傷器技術(shù)是目前反衛(wèi)和外空反導(dǎo)的主要手段之一。如美國在2008年進(jìn)行的“燃燒冰霜”試驗(yàn)中，用軍艦發(fā)射“標(biāo)準(zhǔn)-3”導(dǎo)彈擊毀了一顆高度為200公里左右的衛(wèi)星。而在今年的3月27日，印度宣布成功擊落了一顆位于距離地面300公里的近地軌道上的衛(wèi)星，成為第4個掌握反軌道衛(wèi)星技術(shù)的國家。這些衛(wèi)星應(yīng)該都是被上升式動能殺傷器擊落的。

核爆炸本身是成熟的技術(shù)，是目前人類能夠產(chǎn)生最大能量的主要手段。采用核攔截器能讓威脅地球的小行星產(chǎn)生足夠的速度改變，核爆炸產(chǎn)生的中子和X射線沉積的能量加熱了小行星的表面層，并產(chǎn)生快速的流體噴射，將大部分星形團(tuán)塊推向相反的方向。根據(jù)能量分析，對預(yù)警時間很短或質(zhì)量很大的小行星威脅，目前只有核爆炸手段可以進(jìn)行防御。有研究顯示認(rèn)為，對直徑大于600米的小行星，除了核爆炸外的其他單一手段均不能在30年內(nèi)有效改變小行星的軌道來解除威脅。而核爆炸同樣是反導(dǎo)的重要手段之一，在大氣層外利用核爆炸產(chǎn)生的X射線和電磁脈沖；在大氣層內(nèi)利用中子流、γ射線、沖擊波等的綜合效應(yīng)毀傷來襲彈道導(dǎo)彈。冷戰(zhàn)期間，美蘇雙方都使用核爆炸來彌補(bǔ)攔截彈制導(dǎo)精度的不足，如美蘇分別研制和部署了戰(zhàn)斗部采用核裝藥的“衛(wèi)兵”和“橡皮套鞋”反導(dǎo)彈系統(tǒng)，目前俄羅斯的A-135戰(zhàn)略反導(dǎo)系統(tǒng)也采用核彈頭。

綜上，小行星主動防御技術(shù)與未來空天戰(zhàn)爭相互融通，只是針對的目標(biāo)有所不同，這在太空軍事化進(jìn)程不斷加快的今天值得世人加以關(guān)注。