太空里的天选打工人！必要的时候还得“自杀”拯救地球（内有福利）
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2024年4月9日，位于夏威夷哈莱亚卡拉山顶的泛星计划望远镜发现了一颗商务车大小的近地小行星。
2天后，这颗代号为2024 GJ2的近地小行星与地球擦肩而过，最近距离地表仅约12300公里，比北斗导航卫星距离地球还近！
所幸，这颗小行星“有惊无险”地安全经过了地球。从发现到掠过地球只有2天，如果它真是冲着地球来的，我们可能根本来不及防御它！
这就是目前人类防御小行星时面临的一个大问题。
当我们看见它时，可能已经晚了！
小行星本身并不发光，只有当其反射的太阳光被望远镜捕获时，人类才可能发现它们。
个头越小的小行星，反射的太阳光越微弱，越难以被望远镜发现，这无疑增加了防御这类小行星撞击事件的难度。
因为，这意味着当我们发现这样的小行星时，留给我们的有效应对处置时间已经异常短暂了！
然而，目前人类所发展的近地小行星防御技术，一般需要以年、甚至十年为单位的预警时间才能发挥有效作用。
比如2022年，美国“双小行星重定向测试（DART）”任务，实施了人类历史上首次小行星防御在轨试验，利用航天器高速撞击了“狄迪莫斯”双小行星系统中直径160米的子星“狄莫弗斯”。
尽管这次试验效果远远超过预期，但撞击对小行星的速度改变量仅2.7 mm/s。也就是说，如果这颗小行星要撞击地球，我们需要25年时间才能将其偏转到地球大气层之外。
个头小，麻烦大
如果是百米级尺寸的近地小行星，人类一般可以在较远的距离提前发现它们，为有效应对处置它们提供超过年、甚至十年级别的预警时间。
反而是那些几十米级的近地小行星应对起来更加棘手。因为它们数量更多、撞击地球的可能性更高，但其信号更暗弱，难以被发现，只有在其距离地球较近时才可能被望远镜所发现。
也就是说，当我们发现这些几十米级的近地小行星时，通常距离其撞击地球只有几个月，甚至几周的时间了。
望远镜对不同尺寸小行星的探测范围（望远镜极限探测能力设为22mv；坐标为天文单位au，1au≈1.5亿千米，太阳位于地球左侧1.5亿千米处；小行星尺寸单位为米）（图片来源：中国科学院国家空间科学中心）
这些直径几十米级的近地小行星虽然个头不大，但其撞击地球造成的灾害是不容忽视的。
2013年2月15日，一颗直径大约18米的近地小行星袭击了俄罗斯车里雅宾斯克地区，导致了接近1500人受伤。而1908年6月30日，一颗直径大约50米的小天体摧毁了俄罗斯西伯利亚地区超过2000平方千米的森林。
那么，如何防御这类预警时间极短、但又足以造成显著伤害的几十米级近地小行星呢？
车里雅宾斯克事件导致接近1500人受伤（图片来源：https://news.sina.com.cn/w/2013-02-16/160926274200.shtml）
防范小行星，
航天器也可以是地球的“兼职保安”
一般来说，小行星撞击预警时间越长，人类可采取的技术选项越多，成功处置小行星的可能性就越大。
但当小行星撞击预警时间只有两周时，我们可能根本无法实施一次有效的小行星防御任务。
因为防御小行星主要靠航天器，而航天器从生产到使用，需要经过设计、制造、组装、测试和发射，这其中每个环节所需的时间都不止两周。
就算我们提前在地面上提前储备好专用的航天器和运载火箭，也难以在两周时间内实施一次快速响应的小行星防御任务。因为在真正实施发射前，航天器和运载火箭所需的测试、对接、联调时间也大于两周。
既然时间如此紧迫，我们能否防患于未然，利用已经部署在轨道上的航天器去防御小行星呢？
这一设想并非是不着边际的，随着地月空间开发利用的进展，我们可以预期，未来在地月空间可能会有大量在轨航天器。航天器甚至会长期驻守在地月系统拉格朗日点区域，执行导航、通信、态势感知和科学探测任务。
除此之外，由于地基望远镜仅能监测夜空方向的小行星，未来在太空中部署天基望远镜来弥补地基望远镜监测盲区将成为发展趋势。美国计划在2028年将NEO Surveyor天基红外预警望远镜发射到日地系统L1点，我国学者也探讨了在地月系统拉格朗日点、日地L1点、地球领航/尾随轨道、日地DRO轨道等轨道区域部署天基望远镜，用于开展近地小行星天基监测预警的设想。
美国天基红外望远镜NEO Surveyor 将于2028年被部署到日地系统L1点
（图片来源：duluthnewstribune.com）
这意味着，地球的“安保系统”将更加完善，“监控”范围更大，“保安”响应更快！
那么，我们能否在设计这些航天器任务时，兼顾小行星防御的需求？
比如，我们可以给航天器增加燃料携带量，并为它配置末端制导系统。这样一来，航天器在日常执行其主任务时，一旦发现有小行星将要撞击地球，就可以实施变轨，对来袭小行星实施拦截，从而来处置那些预警时间极短的小行星。
当然，让每个航天器都去做“兼职保安”是不现实的，也是不必要的。让驻守在这些特定轨道的航天器具备“安保”能力就好了。
地月平动点航天器：天选打工人
那么问题来了，宇宙如此浩瀚，我们怎么知道哪个位置上的航天器最能胜任这份“兼职”呢？
这就不得不提到“拉格朗日点”了。
拉格朗日点（Lagrangian point）又称平动点，在天体力学中是限制性三体问题的五个特解。简单来说，在拉格朗日点上，小物体可以在两大物体的引力平衡点上环绕三体系统质心做圆周运动。
地月系统中存在五个拉格朗日点，运行在拉格朗日点附近的航天器处于引力的动平衡状态，只要施加较小的扰动就可以让航天器离开拉格朗日点区域并进入到深空轨道。
因此，拉格朗日点成为“兼职”航天器的首选目的地，也为我们利用拉格朗日点处的航天器进行“兼职”小行星防御工作奠定了轨道力学基础。
在地月系统五个拉格朗日点中，L1点、L2点和L3点位于地月连线上，被称为共线平动点；L4点和L5点恰好与地球、月球构成等边三角形，被称为三角平动点。我国“鹊桥一号”中继星就运行在地月系统L2点附近的Halo轨道上。
地月五个拉格朗日点
（图片来源：中国科学院国家空间科学中心）
从位置上看，地月系统L3点、L4点、L5点相对地球相位相差120°，这意味着，部署在这三个位置上的航天器将有潜力构成一个 “兼职”防御星座，全方位拦截从不同方向飞向地月空间的小行星！
同时，地月系统L3点、L4点和L5点在动力学上具有较好的稳定性，轨道维持代价较低，适合航天器长期维持运行。
综合来看，地月L3点、L4点和L5点轨道处的航天器就是“兼职”小行星防御的“天选打工人”了，而我们将其构成的防御星座称为“天基拦截星座”。
经过理论层面的分析后，我们还进行了一场“太空演练”检验这一设想的可行性。
我们挑选了2030至2035年间近距离飞掠地球的10颗近地小行星，它们的等效直径都在20至50米之间。我们通过在深空对小行星轨道施加微量扰动，将其“人为”变成撞击地球的虚拟小行星，进行对地球的模拟撞击实验。
我们假设：
小行星的拦截发生在远离地球引力影响的区域;
这些小行星在撞击地球前14天被我们发现,并且拦截器初始质量为2吨;
在发现小行星7天后，拦截器便可启动拦截任务，实施变轨拦截小行星。
数值模拟的结果较为乐观，天基拦截星座不仅能在地球100万公里外拦截目标小行星，而且燃料消耗不大。
它们的速度增量均小于2km/s（通常来说，速度增量越大，所需燃料越多），即使在拦截相遇时刻，拦截器的质量仍大于1吨（拦截过程需要消耗燃料，因此剩余质量越大说明燃料消耗越少，防御代价越小），并且拦截器与小行星的相对速度竟然高达8km/s以上！
“兼职”星座对虚拟小行星拦截轨道优化结果
（图片来源：Wang K et al.2024）
它要撞我？我先“Cei”了它！
显然，从理论层面上来看，天基拦截星座对小行星是有防御效果的。
那么，它是如何对小行星进行防御的？对不同小行星的防御效果如何呢？
从材质来看，近地小行星可以分为富含水冰的碳质小行星（C型）、以硅酸盐为主的岩石质小行星（S型），和富含铁镍的金属质小行星（M型）。
近地小行星群体中已经认证的金属质小行星极少，因此我们重点分析对碳质小行星和岩石质小行星的拦截能力。
而对于不同的小行星，我们都可以通过判断其是否破碎来对拦截效果进行评估。
判断小行星是否破碎的判据（理论）：
撞击能量密度超过1000J/kg；
撞击产生的速度增量超过10倍小行星表面逃逸速度；
撞击能量密度超过破碎比能。
评估后我们发现，天基拦截星座能使大部分小于40米尺寸的小行星破碎，不论它们是碳质小行星还是岩石质小行星。
对于虚拟小行星V2022 MK1来说，它的直径为53.9米，因此各种判据均显示不会发生破碎。说明在计算假定的场景下，拦截星座对于直径50米级小行星是无能为力的。
理论判据下小行星的破碎结果（红色代表该判据下小行星破碎）（图片来源：Wang K et al.2024）
而对于直径40米级的V2020 TJ3小行星来说，情况就有些不同了。如果它是碳质的，那么有两种判据可以证明我们成功地将其击碎。但如果它是岩石质的，就只有一种判据可以证明这一点。
为了进一步验证结论的可靠性，我们构造了一个虚拟小行星，模拟V2020 TJ3的拦截情景，并设置它的拦截速度为9.73 km/s。
之后，我们采用自适应光滑粒子流体动力学（ASPH）方法，对撞击过程进行了数值仿真实验。
在这次实验中，我们重新定义了小行星破碎准则。如果在小行星结构整体损伤的同时，其结构中所有物质粒子的速度超过小行星自身逃逸速度，且速度矢量方向均指向小行星外侧时，则认为小行星结构将发生整体破碎。
从得到的结果中，我们发现，对于单体岩石小行星，撞击后40ms内，其内部结构已经基本全部损伤，同时，我们可以从小行星内部粒子的速度矢量图中看出，其内部粒子正在以远超过自身逃逸速度（0.027m/s）向外扩散，说明小行星的整体结构受到了严重损害，很可能会被击碎。
直径40米单体岩石结构小行星撞击效应仿真（a：损伤剖面；b：速度剖面；c 速度矢量；小行星密度为2900kg/m3、内聚强度为100Mpa、拦截器质量1342kg、拦截速度9.73 km/s）（图片来源：中国科学院国家空间科学中心）
因此，仿真结果告诉我们，天基拦截星座具备在地球100万公里之外对来袭小行星进行拦截的能力，并且能够有效破坏小行星的结构、甚至将其解体为碎块，从而在大气层中烧蚀，减缓其对地球可能产生的撞击危害。这一套防御方法也被称为“天基碎石”。
“天基碎石”任务概念
（图片来源：中国科学院国家空间科学中心）
“cei了它”！不同大小，不同对策
“天基碎石”可实现对直径20-40米的近地小行星的有效防御，有望在极短预警时间（2周）条件减缓甚至消除其撞击灾难。
该任务概念以“Research on space-based kinetic impactor disrupting small-sized asteroids under short warning time conditions”为题发表在航天领域国际知名刊物Acta Astronautica上。这项研究得到空间碎片与近地小行星防御科研专项（KJSP2023020303）和国际宇航联第8届行星防御大会的资助。
其实，这并不是我们第一次用“cei了它”的思路防御那些潜在威胁地球的小行星了。对于不同尺寸的小行星，我们有相应的对策，比如“以石击石”“末级击石”“天基碎石”。
2020年，中国科学院国家空间科学中心小行星防御团队提出了“以石击石”的任务概念（点这里复习 ）。
这项方案通过捕获百吨级岩石，并操控岩石撞击防御来袭小行星。相比传统动能撞击技术，这一方案可使来袭小行星的轨道偏转距离提升一个数量级，为10年预警时间条件下防御等效直径300米的近地小行星的提供了创新解决方案。
“以石击石”任务概念
（图片来源：《调皮的小行星》）
2021年，该团队联合航天部门提出了“末级击石”任务概念，通过操控火箭末级撞击防御来袭小行星。相比传统动能撞击技术，这可以使来袭小行星的轨道偏转距离提升至3倍，为10年预警时间条件下防御等效直径140米的近地小行星的提供了现实解决方案。
“末级击石”任务概念
（图片来源：《调皮的小行星》）
2024年，这一团队又提出了“天基碎石”任务概念，设想在地月系统L3、L4、L5点构建“兼职”拦截星座，拦截来袭小行星并破坏其结构，进而减轻甚至消除其对地球的撞击灾难。这一方案为极短预警时间条件下（两周）防御等效直径40米以下的近地小行星撞击事件的提供了潜在解决方案。
不过，“天基碎石”任务概念还存在很多问题需要进一步研究。包括如何兼顾监测预警与在轨处置需求，优化设计“兼职”拦截星座轨道方案；如何优化设计航天器构型和撞击策略，更加有效地对小行星实施结构破坏；如何更科学地确定小行星破碎的临界条件等。
结语
从提出最初的任务构想，到实际防御场景中设计处切实可行的应对方案，我们仍需攻克诸多关键技术难关。探寻更高效的小行星防御策略，这本身便是一条充满挑战与未知的长远之路。
然而，道虽远，行则将至。为了保卫我们共同的地球家园，我们始终在路上，从未停歇。
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参考文献：
[1]Wang K, Zhou Q, Liu Y, et al. Research on space-based kinetic impactor disrupting small-sized asteroids under short warning time conditions[J]. Acta Astronautica, 2024. [2]https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2024.03.007
Yirui Wang，Mingtao Li et al (2021). Assembled Kinetic Impactor for Deflecting Asteroids by Combining the Spacecraft with the Launch Vehicle Upper Stage，Icarus. [3]https://doi.org/10.1016/j.icarus.2021.114596
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://www.nature.com/articles/s41598-020-65343-z
[4]李明涛.调皮的小行星.郑州：海燕出版社，2023
作者：李明涛 王楷铎 周琪
作者单位：中国科学院国家空间科学中心
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