预防小行星撞击地球的十大措施

冉 非 （北京大学行星与空间科学研究中心）

预防小行星撞击地球的十大措施

冉 非 （北京大学行星与空间科学研究中心）

Top Ten Methods to Avoid Asteroid Impacting the Earth

自从人类认识到近地小行星（NEA）的撞击危险性以来，一直在思考如何减轻和避免小行星撞击地球带来的灾害，并提出了许多应对措施。从不同的角度出发，可以将这些措施分成几种类型。按对撞击者处理方式不同，可分为偏转小行星的轨道和击碎小行星两种方式；按使用的能源不同，可分为动能、电磁能、引力、太阳能以及核能等方式；按接近小行星的方式不同，可分为拦截、轨道交会等方式；根据是否能快速地向目标传递能量，还可以分为直接和间接两种方式。究竟采取何种方式，要根据撞击可能发生的时间、撞击者的大小和轨道特征等多项参数进行综合评估，以选取最佳方式。

1 加强观测，提前预报

提前获得近地天体的信息，是避免撞击地球的基本保障。目前，全世界许多国家的天文台都开展了对近地天体的观测，一些国家还制定了近地天体观测计划，在确定近地天体分布方面做出了很大贡献。未来将进一步提高观测水平，更新观测设备，发现更多的近地天体，对已经发现的近地天体继续跟踪观测，以便深入了解其轨道特征和表面物理、化学性质。最重要的是，让全世界的地面观测站联网并实现数据共享，保证及时发现“入侵者”，并确切了解其轨道参数。

巡天观测的目的是确定近地小行星的数量和分布，最好的方法是发射一个空间巡天红外望远镜，其轨道与金星轨道类似，半主轴大约0.7AU，轨道周期大约206天，视场大约200°，在逆太阳方向，不会约束望远镜探测小行星的能力。美国的观测项目“哨兵”（Sentinel），目前还处于计划中。“哨兵”的目标是在6.5～10年的运行期间，发现90%以上直径大于140m、10万颗直径大于50m、20万颗直径为30～50m，以及20万颗直径小于30m的近地小行星。

根据这些观测数据，建立起全球性的信息、分析和预警网络（IAWN），对小行星的轨道进行预报。目前，对小行星轨道预报的准确性还有待提高，主要有三方面的原因：一是近地小行星在接近地球飞越后，轨道会受到地球引力的影响，发生了一定的变化；二是对近地小行星的精确观测，往往是在它们通过地球附近时，但一般只能观测到一段弧段，仅凭其观测数据确定整个轨道分布，往往会带来较大误差，只有经过多次观测，确定的轨道才准确；三是受亚尔科夫斯基效应的影响，轨道也会发生变化，但目前人类对每颗小行星受到这种效应影响的了解甚少。所谓亚尔科夫斯基效应，是指小行星吸收阳光和释放热量时，会对自身产生一个微小的推动力，进而影响轨道。

2 动力撞击偏转轨道

2005年7月4日，美国发射的“深度撞击”（Deep Impact）探测器成功地撞击了坦布尔－1彗星。撞击器的质量是370kg，撞击速度约10.2km/s；产生的动能为19GJ，相当于4.8t的TNT爆炸所释放的能量。这次撞击使坦布尔－1彗星轨道速度的变化为0.0001mm/s，使其近日距离减少了10m。由这组数据可以看出，撞击对天体的轨道是有影响的，影响的程度取决于二者的质量、相对体积和相对速度。因此，为了获得理想的偏转效果，需要增加飞船的质量和速度。

根据一些学者的计算，将一颗潜在危险的小行星推到安全轨道，所要达到的速度变量并不是很大。动力撞击偏转轨道的方法是人类已经基本掌握的技术，当前的问题是深入掌握撞击对小行星轨道的效应，对撞击器大小、速度、撞击方向以及如何选择撞击位置进行深入研究。

3 安装火箭主动变轨

这种方法是在小行星表面安装多个火箭发动机，靠发动机的推力改变小行星轨道。发动机可以是大功率的，也可以是小功率的。前者适合预警时间较短的情况，后者适合于预警时间较长的情况。小功率发动机也可以是电火箭。电火箭也称等离子体火箭，这种火箭的推力不大，但持续时间比较长，因此也可以作为改变小行星轨道的一种推动力。

4 太阳帆缓慢助推

太阳帆是利用太阳光子撞击到帆上所产生的动量变化，给帆施加一个小的力。当一束阳光照射到像反射镜一样的表面时，光子被反射，同时施加给反射面一个冲力。光子的冲力不大，在大气层以上的阳光直接照射下，1m2完全吸收的材料会感受到4.7μN的力，相当于一张纸质量的1/2000。航天飞机有3台主发动机，每台产生1.67×106N的力。即使在1.0×105m2（边长为3个足球场边长的面积）的帆上，阳光产生的推力也不到单个航天飞机发动机所产生推力的百万分之一。

如果空间飞行器以阳光为动力，要求帆的表面必须很大，帆的材料必须薄而轻。太阳帆虽然提供的推力小，但作用力一直存在且不断地加速，最终可大于传统火箭发射飞船的速度。如果以1mm/s2的加速度考虑，1天后1个太阳帆可加速到310km/h，并移动7500km；12天后，可加速到3700km/s。

太阳帆的另一个优点是不需要传统推进剂。因此，在能提前预警的情况下，可在目标小行星上安装太阳帆，逐渐改变小行星轨道。

5 用伴飞飞船引力牵引

引力牵引器是一种缓慢地改变小行星轨道的方法。这种方法是将一艘大的飞船发射到小行星附近，与小行星一同飞行。大飞船利用引力作为拖绳，使小行星的轨道逐渐变化，使之偏离撞击地球的轨道。

例如，质量为20t的核电动力飞行器，通过在小行星附近简单地盘旋，拖曳直径为200m的小行星。这种小而稳定的推动将逐渐影响小行星的轨道，只要给定足够的预警时间，引力牵引器就能够偏转小行星的路径，使其离开与地球碰撞轨道足够的距离。

这种方式的一个优点是可以不用考虑小行星的结构，使问题更加简化。例如，如果想要在小行星表面安装一台发动机，需要有接触机械，但由于小行星表面引力太弱，难以使接触机械牢固地与表面固定。另外，大多数小行星自旋比较快，固定在表面的发动机推力方向不断变化，只有在小行星自旋到一定方位，发动机的推力才对偏转轨道起作用，浪费时间和推进剂。

6 在附近实施核弹爆破

在小行星附近进行爆炸，通过爆炸所产生的巨大冲击波改变小行星的轨道。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的天体物理学家罗伯特·韦沃（Robert P Weaver）及其科研小组用实验室的“天空”超级计算机进行模拟，研究如何利用核武器拦截可能撞击地球的“杀手”小行星。结果表明，用一颗1.0×106t的氢弹可以阻止类似阿波菲斯的小行星。

到目前为止，韦沃最详细的模拟计算对象是小行星糸川，这颗小行星的尺度大约是540m×270m×210m。模拟结果显示了从百万吨级氢弹爆炸点发出的冲击波发展的过程：来自小行星爆炸点的羽烟高速向外喷发，这是岩石被加热后的效应。冲击波与岩石的相互作用将能量从表面向小行星相反的那端传播，完全粉碎了这颗小行星。

7 在天体内部引爆核弹

美国爱荷华大学的一个研究小组在2014年提出了一种减轻小行星撞击地球危害的方法，称为“超高速小行星拦截工具”（HAIV），可适应各时间尺度的预警。

超高速小行星拦截工具由组合在一起的两艘飞船组成，位于前端的是引导船，后端是跟随船。飞船首先在深空与目标小行星进行轨道交会，然后引导船与跟随船分离，引导船实际上是一个动能撞击器，它准确地撞击目标小行星表面并爆炸，产生一个小坑。跟随船携带着核武器，随后跟进，经由一个带着传感器的长杆进入坑内，将小行星炸为数百万颗碎片。在坑内爆炸，效果将比在附近或表面爆炸增加20倍。核爆炸产生的碎片能否撞击地球，取决于爆炸点到地球的距离。如果爆炸位置选择合适，碎片效应可以大大减小。

8 在天体表面进行质量投射

这种方法的基本思路是用多个着陆器与危险小行星交会与接触，并在表面进行钻探，用质量投射器将挖掘出的物质高速抛出。经过几周或几个月后，目标小行星的日心轨道逐渐偏离靠近地球的轨道。

质量投射器也称电磁弹射器，是一种以电磁能量为动力，将负载加速到很高速度的一种方法，原理和电磁炮类似。在小行星上的质量投射器是一个自动系统，不断地将小行星上的物质抛向太空，于是给小行星施加一个缓慢而稳定的推力，并使其质量减少。为了提高质量抛射的效率，可同时安装多个质量投射器。

9 用强大激光进行烧蚀

利用太空飞船产生的强大激光束照射小行星，使小行星表面物质气化，飞离其表面，使小行星的动量发生变化，从而导致轨道的变化。早在1984年，美国就研制了太空激光装置，称为“战略防御初始概念”。

“定向能行星防御任务”（DE-STARLITE）由美国加州大学圣塔巴巴拉分校的学者提出，将发射一个携带激光装置的飞行器，利用激光烧蚀的方式改变小行星轨道，适合于偏转直径为几百米的小行星轨道。该计划与美国“小行星重定向任务”（ARM）的第一阶段有一些共同之处，即使用的运载火箭相同、起飞质量大体相同（低地球轨道为14t）、使用相同的等离子体发动机和相同的太阳能帆板系统。由于“定向能行星防御任务”的质量有所减小，因此可携带更大的太阳能帆板。

10 增强亚尔科夫斯基效应

亚尔科夫斯基效应对小行星轨道有明显的影响，可想方设法扩大这种效应，以有效地偏转对地球有潜在危险的小行星轨道，常用的方法有喷漆法和光照法。

喷漆法，就是往小行星表面喷洒一些粉末，有效地吸收阳光或反射阳光，增强亚尔科夫斯基效应。具体方法是让飞船携带选定的粉末，将这些粉末通过一个细管加压喷出。由于粉末与管壁摩擦，使得飞出的粉末获得额外的电子，因而带负电。小行星在太阳风的作用下，表面带正电，带负电的粉末就牢牢地沉积在小行星的表面，增强了亚尔科夫斯基效应，进而改变小行星的轨道。

光照法，是在围绕小行星运行的飞船上安装太阳反射镜，将聚焦的阳光照射到小行星表面，以此增强亚尔科夫斯基效应。