“我也看了電影《流浪地球》，藝術家充分發(fā)揮了想象力，但一些情節(jié)還是有科學根據(jù)的。”中國工程院院士、中國探月工程總設計師吳偉仁日前在參加香山科學會議期間接受科技日報記者采訪時說。
科幻與現(xiàn)實之間的邊界，并非壁壘森嚴。今年初，一顆編號為“2024 YR4”的小行星因撞擊地球的可能性一度引發(fā)全球關注。雖然它最終被確認為虛驚一場，但探討近地小行星防御絕非杞人憂天。
吳偉仁等多位專家在香山科學會議第776次學術討論會上呼吁，我國應推動小行星防御構想落地、落實，盡快實施在軌處置演示驗證任務。
防御小行星撞擊藝術構想圖。AI制圖
全球積極應對潛在威脅
約6500萬年前，一顆直徑約10千米的小行星猛烈撞擊如今的墨西哥灣附近，引發(fā)全球性氣候災難，改寫了地球生物演化史；1908年，一顆直徑約50米的小行星在西伯利亞通古斯河上空爆炸，焚毀2000多平方公里森林；2013年，俄羅斯車里雅賓斯克上空一顆直徑約17米的小行星爆炸，沖擊波導致近1500人受傷……這些罕見卻致命的事件警示人類，近地小行星撞擊地球是人類社會共同面臨的潛在威脅與長期挑戰(zhàn)。
中國科學院院士、中國科學院國家空間科學中心主任王赤說，人類已發(fā)現(xiàn)3.7萬余顆近地小行星。根據(jù)近地小行星的理論群體模型，目前人類已對95%以上直徑達1000米級的近地小行星完成編目工作。然而，仍有大量中小尺寸的近地小行星尚未被編目，它們一旦撞擊地球，可能引發(fā)區(qū)域級災難。
科學界將距離地球軌道最小距離為0.05個天文單位（約750萬千米）、直徑大于等于140米的小行星認定為潛在威脅小行星，目前已發(fā)現(xiàn)2400余顆這樣的小行星。
防患于未然，國際社會已采取行動。2014年，聯(lián)合國和平利用外層空間委員會框架下成立了國際小行星預警網(wǎng)、空間任務規(guī)劃咨詢小組，積極應對小行星威脅。美國、俄羅斯和歐洲等國家和地區(qū)紛紛成立專門機構，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)組織本國和本地區(qū)小行星撞擊風險應對工作。
作為航天大國，中國在星際守護中不會缺席?！?021中國的航天》白皮書提出，論證建設近地小天體防御系統(tǒng)。在2024年召開的第二屆深空探測（天都）國際會議上，中國首次近地小行星防御任務方案設想發(fā)布。
動能撞擊是最現(xiàn)實手段
應對小行星這一危險的“天外來客”，涉及監(jiān)測預警、災害評估、在軌處置等諸多環(huán)節(jié)。此次香山科學會議上，如何對小行星進行在軌處置成為焦點話題。
吳偉仁介紹，在軌處置分為3種方式。一是動能撞擊，通過直接撞擊使小行星變軌或破碎。這種方式適用于尺寸較小且預警時間較短，或尺寸較大且預警時間較長的小行星。二是核爆炸，適用于尺寸較大且預警時間較短的小行星。三是長期作用力，通過接觸式或非接觸式作用力使小行星變軌，包括引力牽引、激光燒蝕、離子束牽引、質量驅動、太陽光壓等方式。
其中，動能撞擊技術成熟度高、作用效果明顯、無需長期的軌道操作。“動能撞擊是當前應對中小尺寸近地小行星最現(xiàn)實、可行的在軌處置手段。”王赤說。
2022年9月，美國“雙小行星重定向測試（DART）”任務成功完成一次動能撞擊在軌處置演示。航天器在距離地球約1100萬公里處，以每秒6.1千米的速度撞擊近地雙小行星系統(tǒng)的衛(wèi)星迪莫弗斯，使其繞母星公轉周期縮短33分鐘。
開展動能撞擊在軌處置演示任務，也是我國科學家努力的方向。王赤建議，我國首次小行星防御在軌驗證任務可以通過動能撞擊的方式，改變一顆直徑約30米近地小行星的軌道，并通過地基與天基設備的聯(lián)合觀測，對撞擊效果進行全面評估。
確保“撞得準”“推得動”
談及對動能撞擊在軌處置演示任務的設想，吳偉仁提出12個字：撞得準、推得動、評得出、說得清。
這12字背后，有一系列科學與工程技術問題亟待解答。
如何撞得準？這要求在撞擊前，能精準測量確定目標小行星的軌道信息及三維形貌信息。中國科學院紫金山天文臺研究員季江徽說，天地基監(jiān)測在這方面具有不可替代的作用。他建議，通過地基觀測站網(wǎng)優(yōu)化和天基衛(wèi)星組網(wǎng)協(xié)同，構建覆蓋全天的近地天體監(jiān)測預警系統(tǒng)，提升小行星軌道預報與撞擊風險評估能力。
如何推得動？這需要研究成坑、濺射、解體等撞擊效應及動量傳遞規(guī)律。中山大學大氣科學學院空間與行星科學系教授李薦揚分析，目標的應力強度、摩擦系數(shù)、孔隙度是影響撞擊動量轉移的主導因素，目標的整體形狀、撞擊點地形、巖石比例和分布等也會影響撞擊任務的完成情況。要實現(xiàn)動量轉移效率以及軌道偏移效率最大化，需考慮撞擊能量、時機、撞擊點等復雜因素。
如何評得出？這要求在撞擊后，能獲取撞擊坑的三維形貌信息，以及精確測量確定小行星的精密軌道信息。而面對小天體快速自旋、形貌紋理相似等特點，要獲取這些信息并非易事。北京控制工程研究所研究員黃翔宇認為，小天體近距離探測智能控制技術將發(fā)揮重要作用。隨著小天體近距離探測任務場景不斷增多，導航和控制技術正朝著更高自主性、智能化及多任務適應性的方向發(fā)展。智能協(xié)同感知、智能融合導航、智能感知與控制決策一體化等技術，是未來可能的發(fā)展方向。
如何說得清？王赤說，這要求科學評估撞擊后可能的破碎、解體風險，以及可能的長期軌道演化風險，在這方面需要積極開展小行星防御領域前沿科學問題研究的國際合作。吳偉仁也建議，大力推進小行星防御國際交流合作，聯(lián)合構建國際天地一體協(xié)同監(jiān)測網(wǎng)。“我們要做到任務聯(lián)合實施、產(chǎn)品聯(lián)合研制、科學載荷聯(lián)合搭載、任務數(shù)據(jù)共享。”吳偉仁說，“這是全人類共同的事業(yè)。”
天問二號突破關鍵技術
縱然面臨諸多挑戰(zhàn)，但構建高水平中國小行星防御體系的夢想正在照進現(xiàn)實。
前不久，中國行星探測工程天問二號任務探測器運抵西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，計劃于今年上半年實施發(fā)射。按照計劃，天問二號任務將通過一次發(fā)射，實施近地小行星2016 HO3伴飛、取樣、返回和主帶彗星311P伴飛探測等多項任務。
來自中國航天科技集團有限公司的李飛介紹，天問二號在暗弱小行星目標捕獲與自主交會、弱引力小行星近距離探測自主導航、弱引力小天體表面可靠附著與固定、在軌目標特性反演與三維重構、復雜任務模式的探測器自主管理等方面突破了小天體探測主要關鍵技術，將為后續(xù)小行星防御任務奠定技術基礎。
與會專家呼吁，盡快組織國內(nèi)外專家論證后續(xù)任務，啟動小行星防御國家重大工程，加強近地小行星研究。這不僅關乎人類生存安全與文明存續(xù)的底線，也關涉太陽系起源等重大科學問題的答案。季江徽說，小行星族群的形成與主帶小行星間的碰撞歷史有密切關系，可對太陽系行星系統(tǒng)的形成歷史提供重要而可靠的約束。利用軌道力學特征與物質成分線索來識別小行星族群并確定其年齡是當前研究的重要方向，而探索近地小行星的起源與演化則是一個值得關注的關鍵科學問題。
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