原标题：防小行星撞击有了“中国功夫”我国科学家提出“以石击石”
小行星撞击是地球生命面临的重大潜在灾难性威胁，发生概率极低，但危害极大。2017年、2018年、2019年连续有三颗小行星分别袭击了我国云南省香格里拉、西双版纳和吉林省松原地区，引发了社会热议和国内学者对行星防御研究的重视。
据中国科学院网站日前报道，中科院国家空间科学中心研究员李明涛等，针对经典动能撞击在预警时间较短的条件下无法有效防御大尺寸小行星的问题，提出了“以石击石”新思路——通过发射无人飞行器捕获小尺寸小行星或者在碎石堆小行星上采集超过100吨的岩石，与飞行器构成组合撞击体，操控组合体撞击对地球有潜在威胁的小行星，将有潜在威胁的小行星偏转出撞击地球的轨道。相比经典动能撞击方法，对小行星的轨道偏转效果可提升1个数量级。
今天，我们特约李明涛研究员向读者介绍这个有趣的新思路，同时回答行星防御的一些问题。
问：防御对地球有潜在威胁的小行星，国际上是否有什么预案和演练？
答：在好莱坞电影《天地大冲撞》和《绝世天劫》中，超级英雄驾驶飞船利用核弹将小天体炸为碎片，拯救地球免于小天体撞击的厄运。如果真有小行星撞击地球，我们应该如何保护我们的蓝色星球？
2019年4月29日，全球顶尖的小行星专家齐聚美国华盛顿，这里是第六届全球行星防御大会的开幕式。美国宇航局长在开幕式上预言“杀手小行星，可能在我们的有生之年抵达地球”。一颗假想的小行星2019 PDC，在八年后有1%的概率撞击地球，随后撞击概率上升到10%，然后上升到100%。这颗直径约100-300米的小行星如果撞击地球，美国西部丹佛地区将被夷为平地。
在模拟演习中，美国、欧空局、俄罗斯、中国和日本等主要太空强国决定建造6枚动能撞击器。通过硬碰硬的高速撞击，偏转小行星的轨道，将小行星从与地球“亲密接触”撞为“擦肩而过”。6枚撞击器中，有3枚击中了小行星。幸运的是，小行星的主体不再对地球构成威胁，不幸的是，小行星被撞出了一块直径约50米的岩石。这块岩石正沿着致命轨迹，转向美国东部方向移动，纽约处于小行星威胁的笼罩之下。
利用核弹可以将小行星粉碎，但行星防御从来都不是某个国家可以独立决策的事情。在联合国框架下，围绕是否使用核弹，一直争吵不决，直到再也没有时间去完成一次核爆任务。这颗直径约50米的太空巨石，以超过6.9万公里每小时的速度穿过大气层，在纽约中央公园上空发生爆炸。产生的能量是广岛原子弹爆炸的1000倍。科学家估计，爆炸会摧毁中央公园方圆15公里以内的一切生物和设施，受损范围波及方圆68公里的地区。
类似的行星防御模拟在2013年、2015年、2017年进行了三次，其中只有2017年的模拟实验，人类干预措施取得成功，东京逃过劫难。在其余两场模拟中，法国的里维埃拉和孟加拉国的达卡都被小行星夷为平地。对付小行星，人类的功夫着实还差点。
问：目前对付威胁小行星主要有哪些武器？
答：1994年7月17日，苏梅克-列维九号彗星撞击木星，是人类首次直接观测到的太阳系大型天体撞击事件，引发了人类对地球及自身命运的思考。
2013年2月15日，一颗直径约20米的小行星在俄罗斯车里雅宾斯克地区约30公里高空爆炸，当量等效约30颗广岛原子弹。危害波及3个城镇，导致1500人受伤，4715栋房屋受损。如果发生在北京、上海、大湾区等人口稠密地区，后果不堪设想。
为了共同应对小天体撞击的全球性威胁，2013年第68届联合国大会批准成立了国际小行星监测预警网络（IAWN）和空间任务规划咨询组织（SMPAG），旨在协调全球资源，加强对危险小天体的监测预警，寻找对付小行星的“招式”。其中核爆和动能撞击是最主要的两种武器。
在小行星附近引爆核弹，利用核爆产生的剧烈辐射作用于小行星表面，汽化部分物质并喷射出去，从而显著偏转小行星的轨道。如果在小行星表面或者内部引爆核弹，将彻底破坏小行星的结构。核爆可以快速见效，但产生的碎块可能仍然会撞击地球。此外，在外太空使用核武器是国际法明确禁止的。这也是2019年行星防御大会的模拟演习中，核爆最后没能实施的直接原因。
利用人造飞行器高速撞击小行星，瞬间改变小行星的运行速度，使得小行星偏离撞击地球的轨道。动能撞击防御方法原理简单、技术可行，是目前最成熟的非核小行星防御方法。美国将于2021年发射“双小行星重定向测试”任务，利用一颗无人飞行器高速撞击Didymos双小行星系统中的“小月亮”，验证动能撞击防御技术。
美国“双小行星重定向测试”任务
由于发射运载能力和包络的限制，人造撞击体的质量一般为数吨级，尽管撞击速度可达数公里每秒，但对质量为千万吨级以上的小行星的动量改变量十分微弱，经典动能撞击方法偏转小行星的轨道犹如“以卵击石”。比如，美国2005年发射的“深度撞击”任务对坦普尔彗星的速度增量改变量仅0.1微米每秒，美国2021年将发射的“双小行星重定向测试”任务，对目标小行星的速度增量改变量不超过2毫米每秒。
此外，各国科学家们还提出了引力拖车、离子束偏移、激光烧蚀、拖船技术、太阳光利用等多种对付危地小行星的“招式”。
问：您和合作者这次提出的“以石击石”防御威胁小行星新思路，具体是怎么回事儿？
答：西方拳击讲究硬碰硬的较量，中国功夫则讲究刚柔并济，以柔克刚。“借力打力”“四两拨千斤”是中国功夫追求的至高境界。
如果说经典动能撞击技术代表了欧美行星防御的“拳击”招式，“以石击石”则是行星防御的中国招式，通过“借力打力”巧妙化解小行星撞击威胁。
决定动能撞击防御小行星效果的关键因素是撞击体的动量。动量由撞击体质量和撞击速度决定。由于强大的地心引力，利用人类最强大的运载火箭，发射到深空撞击小行星的轨道，撞击体重量一般也不会超过20吨。即使撞击速度可达到数公里每秒甚至十几公里每秒，在这场硬碰硬的实力较量中，面对千万吨级的小行星，几吨甚至十几吨的人造撞击体显得无比渺小。
如何数量级提升撞击体质量，进而数量级提升行星防御效果呢？在我们提出的“以石击石”行星防御方案中，飞行器在逃离地心引力后，并不直接去硬碰小行星，而是像传统中国功夫一样，在宇宙中腾挪迂回，先去寻找可以“借力打力”的大块头作为撞击体，再以“四两拨千斤”的方式，推动大块头撞击体去偏转危地小行星的轨道。
截至目前，人类已经发现了超过23000颗近地小行星。危地小行星可能会撞击地球，小行星之间也可能会相互“擦肩而过”甚至“擦枪走火”。事实上，小行星之间的碰撞是新小行星群体的一个重要来源。
若干年后，如果有一颗大尺寸危地小行星将要撞击地球，我们只需要提前找到那颗与它“擦肩而过”的小行星。如果这颗小行星尺寸比较小，我们可以整体捕获它作为撞击体。如果小行星尺寸比较大，我们可以在它上面采集一大块岩石作为撞击体。然后，我们可以操控这块“大块头”的太空岩石去撞击对我们有威胁的危地小行星。在微重力环境下我们能够以“四两拨千斤”的方式，利用飞行器的推进系统轻微改变它的轨迹，使其从与危地小行星“擦肩而过”到准确击中危地小行星，从而利用太空岩石的重量显著偏转危地小行星的轨道。
以偏转阿波菲斯小行星为例，我们对“以石击石”行星防御方案开展了数值模拟。阿波菲斯是一颗阿登型近地小行星，被称为“毁神星”，直径约350米，重量约为6100万吨，在2029年与地球的最近距离约为3.8万公里。在十年预警时间的条件下，利用长征五号运载火箭，对经典动能撞击和“以石击石”加强型动能撞击的效能开展了对比研究。仿真显示，利用经典动能撞击方法对阿波菲斯小行星的偏转距离为约176公里，而“以石击石”方案对阿波菲斯小行星的偏转距离为约1866公里，相比经典动能撞击方法提升了一个数量级。
“以石击石”行星防御任务方案示意
“以石击石”行星防御任务概念
问：要完成“以石击石”行星防御，如何找到用于“击石”的太空岩石？
答：为了节省改变岩石轨迹所需的燃料，需要精心选择自然状态下与危地小行星“擦肩而过”的岩石作为撞击体。即使不变轨，岩石与危地小行星的最小轨道交叉距离要小于1500万公里，甚至小于150万公里，这样才能顺势“借力打力”，而不是强行改变岩石的轨道。
这种“擦肩而过”的机会，在太空中其实并不少。根据近地小行星的尺寸数量分布模型，尺寸越小的小行星，数量越多。理论上，直径10米以下的近地小行星的数量超过1亿颗。由于目前观测能力限制，直径10米级的小行星，目前仅发现了约1000颗。从这1000颗十米级的小行星中，综合时间、燃料、偏转效果等因素，我们遴选出了2017 HF小行星作为岩石母体。随着大型综合巡天望远镜（LSST）等新一代天文望远镜的启用，预计小尺寸小行星的编目速度会快速提升，为挑选岩石母体提供充足的选择。
除了整体捕获小尺寸小行星，还可以从碎石堆小行星上采集岩石。现有资料表明小行星多为疏松多孔的碎石堆结构。日本“隼鸟一号”探测的丝川小行星、“隼鸟二号”探测的龙宫小行星、美国“源光谱释义资源安全风化层辨认探测器”探测的贝努小行星，都是碎石堆小行星，其表面遍布大小石块。因此从碎石堆小行星上采集岩石，也是一种选择。
贝努小行星表面的碎石
以石击石”行星防御方案，借鉴了中国功夫的“借力打力”的思想，通过在太空中捕获百吨级质量的岩石，突破了地面发射人造撞击体的运载能力和包络限制，从而显著提升了撞击体质量，以“四两拨千斤”的方式偏转危地小行星的轨道，最终实现小行星防御效果的数量级提升。
目前国际上主流的行星防御方案，绝大部分由国外学者提出，我国学者提出的原创任务方案概念还较少。“以石击石”行星防御任务概念还处于非常早期的概念论证阶段。尽管国内外对整体捕获小行星或者在碎石堆小行星上采集岩石做了大量方案研究，但这类技术还没有在天上验证过。因此要将行星防御的“中国功夫”变为“中国方案”，还有很长的路需要走。
责任编辑：杨杰
