九种武器让我们防御近地小行星时不怕不怕啦

  来源: 中国国家天文

  当小行星来袭,除了让地球流浪,人类还能怎么办?针对近地小行星撞击威胁,世界各国科学家开展了大量研究,发展了九种代表性“招式”。

  第一招:

  如果小行星个头太小,导致的危害效应有限,而处置起来得不偿失,那我们可以躲到地下工事中,避其锋芒,躲过空爆引发的冲击波、热辐射和光辐射等危害效应。这一招,一般用于直径十米级近地小行星

  此外,如果小行星虽然尺寸很大,但预警时间太短,比如有些小行星从发现到撞击地球可能只有数天的时间,根本来不及实施在轨处置,这时候也只有采取“躲”的方式,疏散人口和财产,尽量减少损失。

  “躲”这一招,可以利用防空洞等成熟的地下工事,但要求我们能够对小行星的撞击时间和撞击区域进行准确预报。

  第二招:

  “炸”是利用核弹去摧毁小行星结构或者在小行星附近引爆核武器,利用核爆产生的高能射线蒸发小行星表面物质,从而产生推力偏转小行星轨道,后者也被称为对峙核爆。

  核武器具有能量密度极高的优点,因此核爆处置近地小行星效率极高,是在短期预警时间条件下处置大尺寸小行星的几乎唯一手段。核爆巨大的能量可以摧毁小行星的结构,但产生的碎块大小、质量与小行星的物质组成、结构、核爆能量、引爆方式等因素相关,小行星碎块可能还会继续撞向地球,有可能产生次生危害效应。相比直接摧毁小行星结构,利用对峙核爆偏转小行星轨道由于不会产生碎片,是一种更为可控的方式。

  核爆虽然效率高,但采取核爆处置近地小行星面临国际法律和政治争议,在太空中使用和部署核武器是需要尽量避免的。一旦在太空中打开核爆这个潘多拉魔盒,谁知道它会把人类带向何方?

  利用核弹摧毁小行星结构,或在其附近引爆核武器,从而产生推力偏转小行星轨道,后者也被称为对峙核爆。版权/NASA/NSS

  第三招:

  “撞”是利用人造飞行器高速撞击小行星,瞬间改变小行星的速度,随着时间推移,近地小行星的轨道会逐渐偏离撞击地球的轨道,从而消除撞击风险。

  动能撞击是目前最成熟、可行的小行星防御技术。2015年,美国发射了深度撞击任务,利用一颗约370千克的小卫星,以约10.2千米/秒的速度,高速撞击了直径约6千米的“坦普尔一号”彗星的彗核,对彗星轨道的速度改变量约为0.1微米/秒。2021年11月24日,美国发射了“双小行星重定向测试任务”,将利用一颗约550千克的小卫星,以6.7千米/秒的速度,高速撞击“狄迪莫斯”双小行星系统中直径160米的子星,预期将会使小行星的速度改变0.8-2毫米/秒。

  动能撞击防御小行星效果与撞击产生的小行星速度改变量直接相关。考虑到小行星巨大的质量,动能撞击防御小行星技术本质上还是相当于“以卵击石”。因为飞行器的重量往往只有吨级,而百米尺寸小行星的重量高达百万吨级,两者相差6个数量级。利用几吨的飞行器去撞几百万吨的小行星,犹如蚍蜉撼大树,对小行星的速度改变量一般只有毫米/秒的量级,人类呼吸时空气的运动速度都比这快得多。要使用毫米/秒的速度改变量去防御小行星,需要十几年预警时间。要么就得用几十枚运载火箭,去发射几十个撞击器去同时撞击小行星。美国航天局在2018年做过研究,对于直径约500米的贝奴小行星,如果要提前10年将这颗小行星偏转出地球轨道9000千米的距离,需要使用75发德尔塔4重型运载火箭发射75个8吨的撞击器。

  尽管动能撞击技术是人类目前最成熟可行的防御小行星的技术,但由于人类运载能力有限,防御大尺寸小行星往往需要几十发运载火箭发射几十颗撞击器才能有效处置大尺寸小行星,而带来极大的工程实施成本和风险

  双小行星重定向测试任务(DART)示意图,该任务将利用小卫星高速撞击双小行星系统中的子星,预期改变小行星的速度。版权/NASA

  第四招:

  “牵”是利用一个较重的飞行器盘旋在小行星前方,通过小行星与飞行器之间的万有引力缓慢牵引改变小行星轨道,这种方式也被称为是“引力拖车”

  相比于核爆和动能撞击都是瞬时产生极大的外力作用在小行星上,“引力拖车”是通过微弱作用力持续作用在小行星上,从而缓慢地改变小行星的轨道。

  由于万有引力与相对距离的平方成反比例关系,这种方式往往要求飞行器盘旋在距离小行星一个半径轨道高度处。对于直径140米的小行星,要求飞行器维持在小行星表面100米附近,而小行星的极其不规则的引力场必将强烈地影响飞行器的运动,对飞行器的导航制导和控制提出了较高挑战。

  这种方法改变小行星的轨道,往往需要20年以上的预警时间。此外,“牵”要求飞行器与小行星保持几乎相同的位置和速度,不适合大倾角等轨道转移代价较高的小行星。

  利用较重的飞行器盘旋在小行星前方,通过小行星与飞行器之间的万有引力缓慢牵引改变小行星轨道,这种方式也被称为是“引力拖车”。版权/NASA

  第五招:

  “拖”是利用飞行器对小行星整体拖离。十米尺寸小行星,重量差不多达到1000吨。而五十米尺寸的小行星,重量可达20万吨。显然,利用“拖”的方法,只能拖动小尺寸的小行星,对于大尺寸小行星,则无能为力。

  除此之外,“拖”小行星属于接触式处置方式,对小行星的表面物质和结构特性非常敏感,如何在微重力环境下有效长期附着在小行星表面,如何在小行星旋转状态下实现有效推力控制,如何在附着状态下持续获得大功率能源供给,都是极大的挑战。

  与“牵”类似,“拖”也要求飞行器与小行星保持几乎相同的位置和速度,不适合大倾角等轨道转移代价较高的小行星。

  利用飞行器把小行星整体拖离的“拖船”方式。版权/NASA

  作者简介 /

  李明涛,中国科学院国家空间科学中心研究员,主要研究小行星防御与利用、航天器轨道优化设计。

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