风向 | 在拯救地球这件事上,中国又有了新策略
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风向 | 在拯救地球这件事上,中国又有了新策略

2021年10月26日 20:11:47
来源:风向

文/ 凤凰网《风向》作者 赵雨洁

电影《绝世天劫》讲述了两颗庞大的陨石即将撞上地球,人类必须结合太空总署的太空人和顶尖油矿钻油工人,把太空梭迫降于另一颗陨石上,再钻到陨石中心埋下核子武器,这个任务的成功与否将是人类生死存亡的关键。本·阿弗莱克在电影中饰演其中一位石油工人

1998年,庞大的陨石即将撞上地球,人类生命危在旦夕。两位石油钻井工人登陆陨石表面,钻洞贯穿至陨石的地心,放入核弹将其引爆,由此拯救了地球和全人类。2021年了,石油工人是否还需要“卷上天”、唱响《我为世界破陨石》呢?

这场会议,探索了这个问题。

2021年10月23日至27日,中国在广西桂林举办“第一届全国行星防御大会”,由中国月球和深空探测工程总设计师吴伟仁担任大会主席。

据称,本次会议旨在促进中国近地小天体监测、预警、防御领域的交叉融合,探讨有关前沿科学问题、关键技术发展、工程实施方案、政策法律构建及国际合作交流等,以推动中国行星防御领域更快发展和整体水平的提高。

而早在今年4月下旬,中国国家航天局局长张克俭表示,中国未来将论证建设近地小行星防御系统,其与探月工程四期、行星探测工程、建设国际月球科研站齐名,是中国未来重点推进的航天项目。

4月24日上午,2021中国航天日开幕启动仪式在江苏南京举行。国家航天局局长张克俭透露,中国航天未来将论证建设近地小行星防御系统。

此次会议上,中国科学院国家空间科学中心研究员李明涛等此前提出的“以石击石”加强型动能撞击行星防御任务概念也引发了广泛的关注。

“以石击石”加强型动能撞击行星防御任务在国际著名学术期刊单位——斯普林格-自然出版集团旗下综合性期刊上发表

当下研究小行星防御有没有实际意义?防小行星撞击有哪些策略?“以石击石”究竟怎么回事?凤凰网《风向》带你探索。

小行星防御并非“屠龙之术”

行星撞地球是科幻电影的热门题材

在过去的很长一段时间,小行星防御问题一度被认为是不接地气的“屠龙之术”,受到的重视并不多。

但事实是虽然小行星撞击地球的概率极低,可危害却极大。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 AU,就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。据估计,直径为10至50米的小行星撞击地球,即可产生像广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;直径大于10千米的小行星,能释放10亿吨级甚至千亿吨级的能量,这样的能量可导致灾难性的地球环境,使全世界陷入核冬。如广为熟知的造成恐龙灭绝等灾难的原因很可能就是由于小行星与地球碰撞。

而小行星碰撞也并非个案。

“吉林1号”陨石及陨石坑

1976年3月8日15时1分50秒左右,一颗陨石在吉林市上空发生了一次主爆裂,碎片散布在吉林市、永吉县及蛟河市近郊附近方圆500平方公里的范围内,这是当时世界上目击到的最大石陨石雨。当时共收集到陨石标本138块,碎块3000余块,总重2616kg。其中最大的一块陨石“吉林1号”陨石重达1770 kg,冲击地面造成蘑菇云状烟尘,并且击穿冻土层,形成一个6.5m深,直径2m的坑,这也是当时世界最重的石陨石。

2013年2月15日俄罗斯车里雅宾斯克上午9时15分(世界时3时15分)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多房屋受损。

2013年“2·15俄罗斯陨石坠落事件”。图源:新华社

2014年11月5日,内蒙古锡林郭勒盟也发生了小规模的小行星撞击地球事件。而在2017年、2018年、2019年连续3颗小行星分别袭击了云南省香格里拉、云南省西双版纳和吉林省松原地区。以上种种都说明小行星防御是一个应该被认真对待的问题。

核爆?撞击?对付小行星应该选哪招?

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。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。

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。据称,美国将于2021年11月发射“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11月将发射的“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。

防小行星撞击有了“中国功夫”

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。

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。

也就是说,不同于以前的“以石油工人击陨石”,这次的“以石击石”是指: 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。

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。

小行星阿波菲斯(99942 Apophis),大小约340米(1100英尺),上面这张动图模拟展示了它在2029年4月13日飞掠地球时的场景,最近时距离地球表面大约31000公里,安全通过,不会对地球造成伤害。图中蓝色的表示的是环绕地球的人造卫星,粉色是国际空间站。图源:NASA

以偏转阿波菲斯小行星为例,研究人员对“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。

“拯救地球”的中国策略

媒体报道称,这是“以行星对抗行星的明智之举”。利用空间岩石作为撞击体,“以石击石”行星防御方案具有以下主要优点

1. 突破了地面发射要求的限制,在现有技术下显著增加了撞击体质量

2. 将科学、行星防御和探索等领域相结合,与经典动能撞击方法相比,能产生更多的科学回报。

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。

值得高兴的是,以后应该不会再有石油工人被送上太空了。

1.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). https://doi.org/10.1038/s41598-020-65343-z

2.防小行星撞击有了“中国功夫” 我国科学家提出“以石击石”

https://www.yangtse.com/zncontent/658685.html

3.以石击石!中科院提出防御行星撞地球新方案

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4.国家航天局局长张克俭:中国将论证建设近地小行星防御系统

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5.Crash course in saving the Earth: Chinese simulation stops asteroid strike without using nukes

https://www.scmp.com/news/china/science/article/3086740/crash-course-saving-earth-chinese-simulation-stops-asteroid