2013年2月15日清晨，俄羅斯車里雅賓斯克的居民們像往常一樣開始新的一天。突然，一道比太陽還要耀眼的光芒劃破天際，隨后是震耳欲聾的爆炸聲。一顆僅有20米直徑的小行星在大氣層中爆炸，釋放出相當于50萬噸TNT的能量。沖擊波瞬間席卷整座城市，7200棟建筑受損，1500人受傷。最令人后怕的是，人類對這次撞擊毫無預警。

這不是科幻電影的情節，而是21世紀真實發生的天降橫禍。而在宇宙的時間尺度上，這樣的撞擊事件并不罕見。6600萬年前，一顆直徑10公里的小行星以每秒20公里的速度撞向地球，在今天的墨西哥灣掀起了高達數百米的海嘯，揚起的塵埃遮天蔽日數年之久。這場浩劫不僅終結了恐龍1.6億年的統治，更是讓地球上75%的物種永遠消失。亦或是1908年的通古斯大爆炸，一顆40-65米級的小天體將西伯利亞2150平方公里的原始森林夷為平地，爆炸威力相當于1500-2000萬噸TNT。

小行星撞擊被列為威脅人類生存的重大災難之一。據統計，目前人類已發現超過3.5萬顆近地小行星，且仍有大量中小尺寸的小行星隱匿在茫茫太空中。2025年2月，小行星2024 YR4的撞擊概率一度升至3.1%，引發全球關注，這一事件再次敲響了警鐘：。據NASA最新統計，人類僅發現約44%的威脅性中型小行星，這意味著超過1.4萬顆直徑大于140米的"城市殺手"級小行星仍隱匿于深空陰影中。

什么叫：反濺拋射與熱羽？太陽地表輻射脅迫？植被強迫？

面對這些來自深空的不速之客，人類的防御之路充滿挑戰，哪怕僅僅是及時發現危險這一步。小行星本身不發光，只能反射微弱的太陽光，所以在漆黑的宇宙背景下并不好探測。再加上許多小行星從太陽方向飛來，強烈的陽光讓地面望遠鏡失明。對此有一個專業的評估指標，叫做視星等，用來表示天體在地球上觀測到的亮度等級，數值越大，亮度越暗。舉幾個常見的例子，太陽為-26.7等， 滿月是-12.9等，而我們的肉眼極限可以觀測到+6等。但即便是直徑140米的城市殺手級小行星，在距離地球100萬公里時的視星等僅為+21等。加之它們運行速度極快、軌道復雜多變，往往要等到非常接近地球時才會被發現。

即便發現了威脅，防御更是難上加難。例如剛才提到的140米的小行星，質量就可達百萬噸級，以每秒數十公里的宇宙速度呼嘯而來，動能足頂千顆核彈。要改變如此龐然大物的軌道，需要的不僅是技術，更是時間。據科學家計算，對于140米級小行星需要提前7年偏轉才能避開地球1000公里；而對于足以毀滅文明的千米級小行星更需要數十年預警。然而現實是，我們常常只有數月甚至數周的反應時間。2023年1月21日，一顆小行星被觀測到，而僅僅6天后的1月27日，它就從距離地表3,600公里處掠過，這可比地球同步衛星軌道還要低上幾約10倍（地球同步軌道衛星的高度大概是35786km）。雖然它擦肩而過，但如果這是一顆更大的威脅性天體呢？我們將毫無防御時間。

傳統的防御思路主要有三種：核爆破壞、動能撞擊和引力牽引。核爆看似威力巨大，但在真空環境中沒有沖擊波，超60%的能量轉化為X射線，僅少量能加熱小行星表面。對于疏松的碎石堆結構小行星，偏轉效率不足動能撞擊的十分之一，且可能將一個大威脅分裂成無數個小威脅。

引力牽引則需要航天器保持在距小行星表面100米內，就相當于直升機貼地飛行的高度，持續噴射離子流產生微牛級推力。目前最可行的是動能撞擊，2022年NASA的DART任務首次成功將小行星偏轉。雖然軌道速度僅改變了每秒2.7毫米，但足以讓其軌道周期縮短33分鐘。問題是，人造航天器面對動輒百萬噸的小行星無異于蚍蜉撼樹，如果是對付真正的威脅，豈不是需要發射成百上千個撞擊器？

正是認識到這些局限，我國科學家另辟蹊徑，提出了一種以石擊石的方案：與其耗費巨資制造撞擊器，不如就地取材，捕獲太空中的小型天體作為炮彈。這個構想的精妙之處在于充分利用了太空資源。傳統實施動能撞擊任務的撞擊器受限于運載火箭能力，的撞擊器質量通常不超過1噸（現在火箭的運載能力遠遠大于這個數。建議作者核實一下。），而捕獲一顆10米直徑的小行星，就能獲得上千噸的天然炮彈。這相當于把彈弓換成了投石機，威力提升百倍。

以防御直徑340米、質量達6.1×101?千克的小行星Apophis為例，傳統撞擊方法僅能實現176公里的偏轉，這還不到地球半徑的3%。140米的潛在威脅小行星為例，如果采用傳統動能撞擊方法，在短預警時間的條件下，由于撞擊器質量太小，產生的速度改變量僅為每秒0.38毫米，幾乎無法有效改變小行星軌道。這種微小的改變在數年后累積的偏轉距離也僅有176公里，考慮到軌道預測的不確定性，這樣的偏轉效果聊勝于無。

但采用以石擊石方案，情況發生了質的改變。研究團隊對這顆以著名的著名的潛在威脅小行星Apophis為例進行了詳細計算。航天器將配備兩個捕獲臂和三個接觸臂。捕獲臂使用一種叫做微脊抓取器的裝置，它有數百個魚鉤狀的微小尖刺，可以抓住小行星表面的凸起和凹陷結構。通過捕獲并操控一個200噸級的太空巖石作為撞擊器，以每秒11.84公里的相對速度撞擊，可以使這顆直徑約340米、質量約6100萬噸的小行星產生每秒39.81毫米的速度改變。雖然這個速度改變看似微小，但經過4年的軌道演化，能夠讓Apophis在2029年飛掠地球時的最近距離從原本極其危險的38000公里增加到約40000公里，偏轉距離達到近兩千公里。

這比傳統方法的176公里提升了十倍有余。更重要的是，這樣的偏轉距離已經遠超過了地球半徑的四分之一，即使考慮到各種不確定因素，也能確保小行星安全飛掠，自此人類終于找到了除核爆之外防御大型小行星的可行方案（怎樣捕獲200t的太空巖石？沒介紹。這種想法僅停留在概念和設想層面，面臨一系列技術和成本難題，何談可行？）。

2021年，中科院國家空間科學中心團隊進一步提出末級擊石（AKI）技術，傳統任務中，火箭末級在完成使命后會被拋棄，成為太空垃圾。但末級擊石方案會在航天器進入深空逃逸軌道后，火箭末級與航天器不實施星箭分離，而是保持連接形成一個組合體。航天器通過姿態控制系統和推進系統，精確操控這個包含火箭末級的組合體，將其引導到與威脅小行星的碰撞軌道上。這相當于獲得了額外的撞擊質量，使撞擊動能大幅提升。以長征五號火箭為例，其末級干重達6.5噸，加上2.25噸的航天器，總撞擊質量可達8.75噸，是單獨航天器質量的3.9倍。這相當于免費獲得了近3倍（跟誰比？）的撞擊質量，通過航天器的姿態控制系統和推進系統，精確操控這個組合體撞向威脅小行星。航天器攜帶約800公斤推進劑用于軌道修正和終端制導，從發射到撞擊約需3年。（要留多少推進劑？在軌時間要多久？是否能夠實現所需的機動變軌？能夠防御多大范圍內的威脅小行星？如果要防御不同方向的威脅小行星需要多少末級？發現威脅小行星先發射一個CZ5？現實么？不靠譜。）

當仿真防御直徑492米的Bennu小行星時，單個末級擊石撞擊器在10年預警期內可實現399公里的偏轉距離，是傳統方法的3.5倍，這種效果相當于將傳統方法的預警時間從25年縮短到10年。如果要實現1.4個地球半徑的安全偏轉距離，傳統方法需要發射79枚長征五號火箭，而采用末級擊石技術只需23枚，成本降低到原來的三分之一。

對于國際社會重點關注的140米直徑潛在威脅小行星，末級擊石技術展現出更大優勢。在10年預警期內，傳統撞擊器只能實現0.78個地球半徑的偏轉，無法完全消除威脅；而末級擊石可以達到2.75個地球半徑或1.23個地球半徑的偏轉距離，確保地球安全。這或是意味著人類首次擁有了在較短預警時間內、不使用核武器就能防御大型小行星的可靠有效手段。（可靠？靠譜么？）

我國已經將小行星防御列為國家重大航天任務，并明確提出論證建設近地小行星防御系統。根據國家航天局最新規劃，中國將在2030年前實施首次小行星防御在軌驗證任務，對一顆30-50米直徑的小行星進行動能撞擊和軌道偏轉試驗。從以石擊石到末級擊石，科學家們展現出的不僅是技術創新，更是借力打力，物盡其用的東方智慧。（存在很多疑點交代的而不是很清楚，很多東西還處于概念設想階段，可行性不好說，建議作者再客觀的把握一下，是否經得起推敲，沒必要過度宣傳。似乎遙遙領先，實際上還屬空中樓閣。）

參考文獻

吳偉仁,龔自正,唐玉華,等.近地小行星撞擊風險應對戰略研究[J].中國工程科學,2022,24(02):140-151.

Li, M., Wang, Y., Wang, Y. et al. Enhanced Kinetic Impactor for Deflecting Large Potentially Hazardous Asteroids via Maneuvering Space Rocks. Sci Rep 10, 8506 (2020).

Wang, Yirui, et al. "Assembled kinetic impactor for deflecting asteroids by combining the spacecraft with the launch vehicle upper stage." Icarus 368 (2021): 114596.

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

出品丨中國科協科普部

監制丨中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨蔡文垂 中國科學院大學 博士研究生

審核丨白鵬 航天科技集團十一院 研究員

來源: 科普中國創作培育計劃

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