这一次，轮到中国科学家拯救世界了
地球从未脱离小行星撞击的威胁。在大部分人印象里，拯救地球通常是好莱坞大片里外国科学家的事。可这一次，将人类从这种危机中解救出来的，可能是中国科学家。
图片来源：Pixabay
撰文 武大可
编辑 魏潇
小行星 101955 Bennu 是一块平均直径 500 米的巨大岩石，自 1999 年进入天文学家们的视野起，就得到了密切的关注——它有两千多分之一的概率在下个世纪撞击地球。撞击释放的能量将达到 1200 兆吨 TNT 当量，是“小男孩”原子弹的 80,000 倍，足以对地球环境造成不可挽回的打击，为人类社会带来灭顶之灾。
小行星 Bennu 的直径甚至超过了帝国大厦和埃菲尔铁塔的高度。图片来源：NASA/University of Arizona
科学家们显然不会坐以待毙，把人类的命运交给两千分之一概率的天意。可惜半个世纪以来的各种危地小行星（可能撞击地球的近地小行星）偏转或拦截方案，要么是难度和成本过高而难以实现，要么是效率过低，不能确保及时把小行星推离原有轨道。而我国中科院国家空间科学中心 2021 年 6 月发表在期刊《伊卡洛斯》（Icarus）上的“末级击石”组合动能冲击方案（Assembled Kinetic Impactor, AKI），通过使用 20 多枚长征五号火箭，能够将 Bennu 推离轨道，避开地球。“末级击石”终于把充分具有效率和可行性的行星防御方案带到了人们面前，成为了眼下从随时可能面临的小行星撞击危机中拯救人类的新希望。
无处不在的威胁
NEOWISE 2013 - 2017 年的监测结果可视化。 图片来源：NASA/JPL-Caltech/PSI
科学家们对危地小行星的担忧由来已久，自 1992 年美国航空航天局（NASA）主办近地天体拦截研讨会起，相关的风险监测和拦截偏转方案研究就在不断推进。2013 年启动的近地天体宽视场红外测量探测器（NEOWISE）项目就开始对全太阳系的小行星进行监测，在主要任务期间发现了超过 15 万颗小行星，其中包含 1850 颗轨道可能与地球轨道相交，存在撞击风险的近地天体（Near Earth Object）。根据 NASA 的统计，截止 2021 年 7 月 19 日，已知的近地小行星数量已达 26,234 个。
1994 - 2003 年有记录的直径 1-20 米小行星撞击频率图，共计 556 起。图片来源：NASA/Planetary Science
防御难题
认识到太阳系中潜伏着如此之多的小行星杀手后，科学家们也开始提出多种类型的可能拦截偏转方案：
若要通过前几种方案完成小行星的偏转，需要的时间都需以十年为单位计算，效率过低，甚至比可能存在的超快小行星从发现到撞击前所留给人类的时间还要短。核爆方案又有潜在风险，违反了联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS）禁止在太空部署武器的规定。目前看来唯一可行的方案只剩下了最后一个：动能冲击（Kinetic Impactor）。人类已经掌握了向太阳系内发射航天器的能力，虽然单个航天器冲击小行星所能传递的动量不多，但一个不够，可以发射两个，还不够，就十个。
NASA 在 2018 年也确实提出过这种朴素的具体构想——超高速小行星应急响应任务（HAMMER）——假想目标同样是小行星 Bennu。NASA 的模拟表明，在 Bennu 与地球相撞之前，进行 34 - 53 次 HAMMER 发射，每次使用一枚 8 吨重的航天器进行撞击，就能确保 Bennu 轨道避开地球。这一假想任务成本颇高，需要的大量发射次数也使任务周期难以压缩，但若能成功实施，确实可以换来地球和人类的安全。
方案看起来的确可行，但正如狙击手是要靠子弹喂出来的，背负拯救人类使命的小行星偏转计划如果未经演习，谁也不敢保证它能在真正面临撞击风险之时“一发入魂”。演习不能省，但当演习的“军费”数额摆在面前的时候，人们或许就打起了退堂鼓。近些年，NASA 和五角大楼之间就在谁来承担这类研发任务成本的问题上踢起了皮球。NASA 认为虽然这项任务的主要工作是研发，但本质上并非为科学探索服务，而是一项防御任务，因此希望看到军方来领导工作。但军方却将有关问题推回给了 NASA。
直接动能冲击的测试任务最终未能上马。目前唯一有确切计划的筹备中项目是 NASA 与欧洲航天局（ESA）合作耗资 2.5 亿美元（约 16 亿人民币）的双小行星重定向测试（DART），计划于 2021 年底或 2022 年初发射，撞击位于地球和火星之间的双小行星系统栾大星系统（Didymos System，也称迪迪莫斯双小行星系统）中直径约为 160 米的卫星栾小星，改变其轨道周期，进而改变系统中的引力作用，以此间接偏转栾大星。这一任务只需一次发射，航天器质量也仅为 610 千克。
DART 任务示意图。图片来源：NASA/Johns Hopkins Applied Physics Lab
有理由相信 DART 构想的可行性和有效性。但这样的方案仅适用于双小行星系统，对于 Bennu 这类一般的孤立小行星却无效。面对 Bennu 和更多潜在危地小行星的撞击威胁，人类又该何去何从呢？
末级击石
这一次，肩负起拯救人类的使命的或许是中国航天科学家和工程师们。中科院国家空间科学中心提出了改良的航天器末级组合动能冲击方案（AKI）“末级击石”：有别于传统动能冲击（CKI）方案，航天器进入深空逃逸轨道后，火箭末级与航天器不实施星箭分离，由航天器操控末级组合体撞向危地小行星。这能充分利用火箭末级的剩余重量，提升撞击小行星的动量，进而提升小行星轨道偏转能力。
“末级击石”行星防御任务方案示意 图片来源：中科院空间科研中心
团队设计了使用长征五号火箭（CZ-5）发射“末级击石”任务的方案，计算模拟显示，单发 CZ-5 AKI 的小行星偏转效果超过了 CZ-5 CKI 的 3 倍。在十年内偏转直径 140 米的小行星轨道的任务中，末级击石可将偏转距离由不足一倍地球半径提升至一倍地球半径以上，为十年预警时间条件下直径 140 米级危地小行星的偏转提供了一种潜在高效技术手段。而在直径约 500 米的 Bennu 小行星转向任务中，如果使用末级击石策略，只需要发射 20 多枚 CZ-5 就足以完成偏转，令其轨道避开地球，远低于 HAMMER 计划所需的 34-53 次发射。
AKI 末级击石与 CKI 的防御效果对比。图片来源：论文截图（未经同行评议的 arXiv 版本，与正式发表版本的内容基本一致）
《伊卡洛斯》的审稿人称这一研究是“有趣、简单、新颖的”。作为目前唯一有望做到短期预警条件下的 140 米级危地小行星防御方案，末级击石的确简单。没有人希望在有生之年遭遇小行星撞向地球，但若这样的灾难真的在不远的未来发生，拯救世界的或许将会是中国科学家。
主要参考来源：