美国小行星防御演习背后隐藏太空作战考量

文/ 兰顺正

▲小行星撞地球

5月初，在美国马里兰州召开的第六届行星防御会议上进行了一场小行星防御演习。美国宇航局下属喷气推进实验室虚构了一颗可能在2027年4月29日撞击地球的小行星（代号2019PDC），由来自美国宇航局、美国联邦应急管理局、欧空局等机构的专家团队负责迎战小行星，以拯救人类。

最后的结果是，虽然人类采用动能撞击法将2019PDC号小行星撞碎，但一块60米左右的碎块仍在飞向地球，将其“核爆”摧毁的应急方案则无法执行，专家团队只好进行“B计划”，着手评估撞击结果，制定疏散方案。

主动防御小行星威胁并非“杞人忧天”

此次演习虽然只是虚构，但小行星防御问题并非只是科幻故事。一般而言，如果小行星轨道与地球轨道的最小距离小于0.05个天文单位（一个天文单位约为1.5亿公里），就被认为是有潜在碰撞风险的小行星。目前已被确认的超过1.6万颗近地天体中，有1838颗被认为具有“潜在危险性”。小行星的碰撞可能带来十分严重的后果。据估算，直径为10～50米的小行星撞击地球，即可产生像关岛核弹爆炸一样的威力；直径在100米以上的小行星，就能产生几百万吨级核弹的破坏能量。广为熟知的造成恐龙灭绝等灾难的原因很可能就是小行星与地球的碰撞。2013年2月15日上午9时15分（世界时3时15分），俄罗斯车里雅宾斯克地区发生了一次陨石雨事件，陨石进入大气层留下大约10公里长的轨迹，据俄罗斯媒体报道，该次事件中有1500人受伤，1000多间房屋受损。

▲ 2013年2月15日，俄罗斯车里雅宾斯克地区遭遇陨石雨“袭击”，这是陨石坠入冰冻的切巴尔库尔湖中形成的窟窿

▲ 随着科技的进步，如何主动防御小行星碰撞地球已成为各国关注的重点

以前，防御小规模碰撞事件主要采取地面人防工程和躲避等被动方式，但随着科技的进步，如何主动防御小行星碰撞地球也成为了各国关注的重点。如在2018年8月，美国白宫科技与政策办公室联合美国国家科学与技术委员会发布“国家近地天体预防战略与行动规划”，对未来10年如何防御可能撞击地球的近地天体，以及一旦撞击如何开展救灾等工作从国家层面进行顶层谋划，并提出通过诸如提高近地天体探测跟踪能力、提高近地天体威胁的建模预测能力、研发偏转或破坏近地天体技术等5个战略目标来提高预防近地天体撞击地球的能力。

小行星主动防御技术存在的空天战争潜力

表面看来，小行星主动防御涉及天文和防灾等领域，但其与空天战争有很多的相通之处。从宏观上说，防御小行星撞击地球与防御他方非合作太空目标并无太多本质差别。从微观上说，如果能够对跨越上亿公里以外的小行星进行发现、追踪、监视，并发射航天器抵近、绕飞、撞击、着陆、采样、返回乃至推离和摧毁，那么同样的手段更加可应用到距离更近的人造卫星或其他航天器上。目前主动防御小行星主要有3种设想：用长期作用力来缓慢改变小行星轨道、利用动能撞击改变小行星轨道、核爆炸，这些都具备太空军事应用潜力。

用长期作用力来缓慢改变小行星轨道的手段有很多，包括太空拖船、引力拖车、用挖掘机使小行星抛出质量、用强激光照射改变小行星表面蒸发量、用表面喷漆等方式改变光压力等。这其中以美国的“小行星重定向计划”最具代表性。美国宇航局从2013年起，开始实施一项名为“小行星重定向任务”的小行星捕捉计划。该计划发射无人飞船与小行星交会并对其予以捕获，并设计了两个方案，一是设想使用一种呈圆筒形的高强度的软式充气袋，捕获一颗体积较小的完整小行星；二是从一颗大型的小行星表面抓取一块2～4米宽的大卵石。当无人飞船将捕获到的小行星拖送到月球附近时，航天员将乘坐“猎户座”多用途飞船奔赴月球远程逆行轨道，出舱对小行星进行直接观察研究和采样，并带着样品返回地球。虽然美国政府在2017年初宣布计划取消“小行星重定向任务”，但是该项目研发的一些关键技术将为其他应用保留。

▲ 美国的“小行星重定向计划”

▲ 用软式充气袋捕获小行星示意图

▲ 美国的“深度撞击号”向目标彗星释放撞击器

不难看出，缓慢改变小行星轨道技术与共轨反卫技术类似。共轨反卫技术是指将拦截平台送入目标卫星的轨道平面，然后对目标卫星进行破坏。以前航天飞机这类飞行器可以用机械手将对方的卫星拖入舱内带回地面，或直接在太空进行符合己方意愿的改造，这与将小行星捕获后带回地球附近简直如出一辙。

用航天器动能撞击的方法改变小行星轨道是目前技术可以达到的，相关技术已经被多次试验。以美国“深度撞击”计划和日本的“隼鸟”计划为例。2005年1月13日美国成功发射彗星探测飞船“深度撞击号”，经过4.31亿公里的长途跋涉，探测器飞抵“坦普尔1号”彗星。在2005年7月4日，探测器本体释放出一颗372千克级的撞击器，以每小时3.7万公里的速度撞击彗星的彗核，其威力相当于4.5吨TNT烈性炸药的爆炸威力，将彗核表面撞出一个数十米深、足球场那么大的环形坑。而在“隼鸟”计划中，日本的隼鸟号探测器于2005年10月到达系川小行星后，将一枚质量为5克的金属“子弹”以每秒300米的速度射向小行星表面，使其表面飞溅的碎片被吸入到采样装置中。后续探测器“隼鸟2号”于2019年2月22日8时左右成功在小行星“龙宫”表面着陆，并在不久之后成功轰炸了“龙宫”，据悉，“隼鸟2号”的“小型携带撞击器”装置在撞击时引爆，创造了一个陨石坑，实际再现了天体碰撞产生陨石坑的过程。

▲ 日本的隼鸟号探测器

▲ 雪地中向发射井开进的俄罗斯A-135战略反导系统拦截弹运输装填车

很明显，撞击小行星融合了上升式动能杀伤器技术，该技术的核心之一是动能拦截器。动能拦截器主要由导引头、计算机及电子设备、姿态/轨道控制设备和电源等组成，与用于拦截大气层内目标的拦截弹不同，动能拦截器主要采用碰撞杀伤，原因在于拦截外空目标时，双方相对速度过高，达每秒5～10公里，目前的近炸引信技术难以在合适的时机精确起爆战斗部。同时，动能拦截器与目标碰撞时的质量至少为6～15千克，如此高的速度和质量碰撞时产生的能量可高达数亿焦耳，将会产生汽化效应，形成几百万度甚至几千万度的高温高压等离子体，其瞬间的爆炸威力足以彻底摧毁现有的任何类型的目标，杀伤力强。动能拦截器有两种碰撞方式：直接碰撞方式和直接碰撞杀伤增强方式。直接碰撞杀伤增强方式是在制导精度满足不了直接碰撞的情况下，在拦截器上增设杀伤增强装置，如伞骨状钢条等，以增加撞击面积。

上升式动能杀伤器技术是目前反卫和外空反导的主要手段之一。如美国在2008年进行的“燃烧冰霜”试验中，用军舰发射“标准-3”导弹击毁了一颗高度为200公里左右的卫星。而在今年的3月27日，印度宣布成功击落了一颗位于距离地面300公里的近地轨道上的卫星，成为第4个掌握反轨道卫星技术的国家。这些卫星应该都是被上升式动能杀伤器击落的。

核爆炸本身是成熟的技术，是目前人类能够产生最大能量的主要手段。采用核拦截器能让威胁地球的小行星产生足够的速度改变，核爆炸产生的中子和X射线沉积的能量加热了小行星的表面层，并产生快速的流体喷射，将大部分星形团块推向相反的方向。根据能量分析，对预警时间很短或质量很大的小行星威胁，目前只有核爆炸手段可以进行防御。有研究显示认为，对直径大于600米的小行星，除了核爆炸外的其他单一手段均不能在30年内有效改变小行星的轨道来解除威胁。而核爆炸同样是反导的重要手段之一，在大气层外利用核爆炸产生的X射线和电磁脉冲；在大气层内利用中子流、γ射线、冲击波等的综合效应毁伤来袭弹道导弹。冷战期间，美苏双方都使用核爆炸来弥补拦截弹制导精度的不足，如美苏分别研制和部署了战斗部采用核装药的“卫兵”和“橡皮套鞋”反导弹系统，目前俄罗斯的A-135战略反导系统也采用核弹头。

综上，小行星主动防御技术与未来空天战争相互融通，只是针对的目标有所不同，这在太空军事化进程不断加快的今天值得世人加以关注。