天文学论文
摘 要： 具有潜在危险性的小行星偏转问题不断受到重视，多种偏转方法被提出。小行星偏转的主要目的是通过改变小行星的原始运行轨道，减轻小行星对地球安全所造成的威胁。目前提出的各类小行星偏转方法可归为脉冲法和慢推力法两类。其中，脉冲法主要包括核攻击和动能撞击方法；慢推力方法包括引力牵引、激光消融、离子束引导、质量驱动器、太阳能辐射等方法。同时，跟踪最新提出的几种偏转方法，概括每种小行星偏转方法的适用性及优缺点，总结小行星偏转关键技术，展望小行星偏转技术的未来发展趋势。
关键词： 潜在危险性小行星; 偏转方法; 核攻击; 动能撞击; 慢推力;
Abstract： The defense of potentially hazardous asteroids has been paid more and more attention. Many asteroid deflection methods have been proposed. The main purpose of asteroid deflection is to deflect their original orbits and mitigate the threaten to the Earth. The existing deflection methods could be divided into two types:instantaneous deflection approaches and slow push deflection techniques. Instantaneous deflection approaches included nuclear interceptor and kinetic impactor. Slow push deflection referred to gravity tractor,laser ablation,ion-beam shepherd,mass driver,solar collector,etc. The paper also introduced the new deflection methods proposed in recent years. Advantages and disadvantages were summarized for each deflection methods. Some key trends of the development of asteroid deflection technology in future were proposed.
Keyword： potentially hazardous asteroids(PHAs); deflection technology; nuclear impact; kinetic impact; slow push deflection;
近地小行星是指轨道与地球轨道相交的小行星。在数以万计的近地小行星中，存在着一类被称为具有潜在破坏性的小行星，其运行轨道的某一段与地球距离非常接近。由于处在太空复杂力学环境中，其运行轨道随时会发生改变，有可能与地球发生碰撞并造成重大影响。20世纪80年代以前，小行星防御并不被各国所重视，直到科学家们发现6 500万年前恐龙灭绝可能是由行星撞击地球导致的[1]。墨西哥湾希克苏鲁伯陨石坑的发现进一步证明了科学家们想法的正确性。至此，人们对近地小行星的危险性有了最初的认识。1994年7月16日～22日，苏梅克-列维9号周期彗星的21颗碎片连续撞击木星，人类首次目击了这次小行星撞击事件[2]。也正是这次撞击事件使人类意识到地球也存在小行星撞击事件的可能，全球小行星防御研究的序幕就此拉开。随着观测技术的不断发展，更多小行星坠入大气层现象被发现。国内最近一次发生在北京时间2019年10月11日凌晨，一颗直径2～4m的小行星以相对地球14公里每秒的速度坠落在内蒙古和长春附近，因为坠落在无人区，并没有造成伤亡，仅形成了一个陨石坑。假设这是一颗直径更大的小行星，可能会造成更加严重的后果，甚至威胁到人类和生物的生命安全。可见，小行星防御应引起足够重视。
据美国近地天体研究中心（CNEOS）统计，截至2020年1月7日，共发现21776颗近地小行星，其中直径大于140m的有8 946颗，占比41.08%，直径1km以上的小行星905颗。研究同时发现，2020年将有4颗小行星与地球擦肩而过，其分别为直径27m的小行星2020AC、直径22m的小行星2020AD、直径140m的小行星2019YH2和直径22m的小行星2019AE3。针对小行星防御问题的研究具有现实意义。
1 、小行星偏转方法研究现状
目前，各国学者提出的小行星防御方式多种多样，基本思想是通过施加外力作用于小行星上，从而改变其原始运行轨道，进而远离地球轨道，避免碰撞发生，也称为小行星偏转。根据外力作用产生的效果，偏转法通常分为脉冲法和慢推力法两大类。脉冲法即通过瞬间强大的外力作用使小行星发生轨道偏转，而提供脉冲作用的方式有很多，典型的脉冲方法有核攻击法和动能撞击法，适用于小行星防御预警时间短的情况。慢推力法就是通过外力持续作用于小行星，缓慢改变小行星运行轨道，相比核攻击和动能撞击的方法，慢推力法可以更精确、可控的方式使小行星实现偏转，并且可以跟踪和精确计算其偏转效果，不会造成目标小行星破碎进而形成更多碎片的风险。该方法适合预警时间充裕的情况，且需要对可能威胁地球安全的目标小行星有充分的了解。典型的慢推力方法有引力牵引方法、激光消融法、离子束引导法、质量驱动方法、太阳能辐射法等。
1.1、 核攻击
核攻击方法是采用装有核物质的探测器沿着拦截轨道向目标小行星高速运行，通过在合适的爆炸点引爆或将核爆炸物置于小行星表面一定深度内引爆，从而使小行星获得一个速度增量，改变原有运行轨道，实现轨道偏转。该方法最大特点是核爆炸具有很高的能量密度，能瞬间提供强大的相互作用力作用在小行星上，适用于预警时间短且质量较大的小行星。但目前尚没有完全有效的方法估计爆炸所产生的后果以及使小行星轨道产生偏移的效果。具体来说，核攻击方法会导致3个主要问题：第一，单次爆炸后释放出来的高能量会带来潜在的不必要的碎片风险。而这些碎片中较大的碎块撞向地球，仍会导致严重后果。而产生的细小碎片存在于太空环境中，会给其它航天器的正常运行带来威胁。第二，核爆炸点的选取直接决定小行星的轨道偏转效果，爆炸点精确确定可以使小行星获得最佳的速度增量，从而获得最佳偏转效果。此外，核攻击效果还与目标小行星的物质组成、质量分布等物理因素有关，这要求提前掌握目标小行星的信息。依靠单次引爆核来实现小行星轨道偏转的成功率无法得到保证。第三，核辐射将对空间环境造成极其严重的污染影响，该方法的可行性有待进一步讨论。综上所述，核爆炸产生能量的估算、爆炸点的选取以及目标小行星的轨道和物理参数的确定等技术的发展制约着核攻击方法的有效性。
核攻击是针对预警时间远小于10年的潜在威胁小行星进行防御最为有效的方法[3]。直径大于100m的小行星偏转任务有望在2025年之前实现。Meshcheryakov和Lipnitskii对核攻击下小行星偏转效率进行了定量分析，提出埋在地表下的核爆所释放的能量的估算方法，并推导了与小行星高速撞击时产生的机械动量的估算表达式[4];Vasile,M和Thiry,N最先提出“核弹循环投放器”的概念[5]，核心思想是通过与小行星安全距离处的有利位置从航天器上释放和引爆一系列相对较小的核弹，逐步改变小行星的轨迹。图1为核弹循环投放器工作原理示意图。装有核弹的航天器编队在距小行星一定距离的周期轨道上稳定飞行（即A、B两点所在的轨道），编队中航天器轮流释放核弹。核爆炸发生在相对于航天器位置而言的小行星的背面，这样会使航天器免受辐射和碎片的侵害。假设A航天器在A点处释放一颗核弹，核弹按照虚线轨道运行至C点（C点为核弹引爆点），这段时间内A航天器刚好运行至B点；同时B航天器在B点处释放一枚核弹，当核弹从B移到C时，B航天器已从B点飞回A点，把这一过程称作一次循环。可以通过对先爆炸的数据进行收集和统计分析，为是否需要继续实施核攻击提供参考。David A.Koplow[6]针对采取核干预形式的行星防御问题，尝试从社会和法律角度提出了可行的应用方案，该研究对核技术在小行星防御领域的应用起到推进作用。
1.2 、动能撞击
动能撞击是基于动量转移原理，航天器发射一个或多个动能撞击器进入拦截轨道与小行星直接碰撞或者以一定的相对速度嵌入小行星，用其自身动能来影响甚至改变小行星的运行轨道。该方法更适用于直径小于150m的小行星，对大直径或大质量的小行星而言，该方法的有效性受到限制[7]。动能撞击方法是目前比较简单并且唯一得到在轨验证的小行星防御方法（“深度撞击”任务），该方法存在两点关键技术：一是对航天器性能和轨道设计都提出了很高的要求，撞击器质量越大偏转效果越好，但这取决于发射航天器发射质量和在轨运行过程中的质量消耗；二是小行星运动的不确定性以及周围引力场的不确定性大大增加了航天器轨道设计的复杂程度，需要精确获取目标小行星的物质组成、密度、结构、自旋等物理特征参数。在“深度撞击”任务中，质量为370kg的撞击器以大约10km/s的撞击速度与目标相撞，撞击释放的动能相当于45t TNT爆炸释放的能量，成功使目标小行星的轨道产生偏转。同时，撞击可以激起小行星表面的物质，从而对小行星的组成成分进行采样分析。
图1 核弹循环投放器模拟演示图
诸多学者开展了对动能撞击方法以及撞击效果评估的理论研究。Jutzi,M.和Michel,P.[8]提出将动量传递效率作为撞击条件和小行星内部结构的函数评价小行星的轨道偏离效率。姜宇等[9]研究用一个密度、材质均与撞击的目标小行星相同，质量为其1/5的球体高速碰撞小行星，模拟了以101955Bennu为对象的潜在威胁小行星的碰撞防御过程，指出该方法具有核爆方法不可比拟的优势，能够有效将小行星撞成大量碎小石块。张韵等[10]研究用铝弹高速撞击小行星，采用“物质点”法模拟撞击过程，对撞击结果及后续演化进行仿真，分析了撞击防御的总体效果。
由于动能撞击方法所产生的效果与小行星的物质构成等物理因素有关，因此，对小行星着陆和采样返回技术提出迫切需求。目前，世界各国已围绕该项技术开展深入研究，如日本的“隼鸟”号、“隼鸟2”号、和“隼鸟MKII”探测器；欧盟的NEOShield项目及NEOShield-2项目[11,12];NASA的OSIRIS-REx任务[13];ESA的马可波罗（MarcoPolo-R）计划[14]等，均为小行星采样返回任务。Lyzhoft等[15]针对动能撞击器降落目标小行星末制导段的图像处理算法开展研究，选择形状不规则的216Kleopatra小行星为目标，仿真验证了算法的有效性，为动能撞击方法存在的技术难题提供解决方案。Wie[16]提出了一种核爆炸与动能撞击相结合的偏转方式，航天器携带动能撞击器与核弹，撞击器脱离航天器，与小行星碰撞产生一个撞击坑，然后航天器携带核弹进入撞击坑在小行星内部引爆。Yamaguchi等[17]研究了一种撞击路线图法用来评估动能撞击的效果以及使目标小行星的轨道偏转程度。建立关于动能撞击器轨道长半轴和偏心率的函数，其轨道形状决定了与小行星的撞击结果，并且轨道形状可以通过撞击路线图清楚地表现。
NASA计划于2021年实施双小行星重定向测试任务（Double Asteroid Redirection Test，缩写为DART）。该任务是通过利用动能撞击器撞向目标小行星———近地双小行星系统65803Didymos和Didymoon，以测试未来使用类似系统避免小行星撞击地球的可行性。DART航天器将于2020年10月飞抵该小行星，并以大约6km/s的速度撞击小行星，同时记录撞击数据。欧空局计划开展人类首个全面的行星防御演示任务，赫拉（Hera）航天器将于2023年或2024年发射并于2年后进入65803Didymos，并借助其上搭载的两个立方体卫星收集有关65803Didymos的各种数据，标志着小行星防御从理论阶段正式走向实践。
1.3、 引力牵引
引力牵引方法也叫“引力拖车”（Gravity tractor,GT），其原理是将小行星与航天器之间产生的万有引力施加于小行星，使得小行星持续受到一个稳定的干扰力，将其“拖离”原始轨道，如图2所示[18]。这种方法的优势在于对小行星的结构、表面性质和旋转状态均不敏感，仅需要掌握小行星的质量以及保证航天器相对于小行星保持悬停状态即可，不需要考虑着陆等复杂的动力学问题。当目标小行星在航天器与小行星连线方向往航天器方向偏转时，航天器只需保持牵引方向的相对位置即可，依靠航天器上的发动机提供低推力来控制航天器稳定。相比核攻击和动能撞击方法存在诸多不可控因素，该方法对小行星的偏转效果可进行估算。但引力牵引方法需要有足够的预警时间，通常不少于10年，一般为10～20年。对于质量为1 000kg的航天器在小行星Apophis附近运行产生的引力大小为89mN；质量为20 000kg的航天器与Apophis之间的万有引力约为2N。由此可见，万有引力作为一种作用在小行星上的干扰力，其数值很小，若要使小行星的轨道发生偏离，需要引力作用长达数年的不断积累。
总结引力牵引方法的主要缺点：一是引力牵引航天器相对于小行星需有一定的质量，才能产生使小行星缓慢偏转所需的引力；二是该方法需要航天器长时间保持悬停状态，而现有技术很难长时间控制航天器接近悬停位置，对推进系统提出很高要求；三是航天器会受到小行星的干扰力作用，从而影响航天器正常运行，给导航和控制系统设计都带来挑战。由于单一航天器的质量受到发射等条件的限制，可以采用多个航天器组成编队实现多重引力牵引。研究表明，多航天器采用并列悬停的编队形式重新组成一个大型航天器，可提高偏转性能[18]。3个质量为1 000kg的航天器共同工作10年，可使小行星Apophis偏离原始轨道155.2km，若采用单一航天器不间断在轨运行10年，可使Apophis偏转93.8km。
图2 引力牵引方法
1.4 、激光消融/烧蚀
激光消融/烧蚀方法是通过航天器携带激光器发射激光光源照射小行星表面，导致小行星表面等离子体脱落，持续产生微小反作用力从而逐渐改变小行星轨道。携带激光器的航天器既可以是单一航天器，也可以是多航天器组成的编队[19,20,21]。采用航天器编队的方式优于单一的航天器，当编队飞行到接近小行星的位置，需要保证所有的航天器发出的高强度激光脉冲能够照到小行星表面相同位置，以产生令轨道偏转所需的偏转推力。激光消融/烧蚀方法的优势在于它不受航天器自身质量的限制，仅与激光脉冲强度相关。通常，激光消融法比引力牵引法能提供更大的作用力，使小行星偏转的效率更高，对同一偏转任务，在特定的偏转时间间隔内，激光偏转系统的质量比引力牵引方法小[22]。此外，为了使空间飞行器总质量最小化和使小行星的偏转最大化，编队的优化设计也显得尤其重要。
在发射激光脉冲消融小行星表面物质的过程中，部分喷射物会附着在航天仪器表面，随着偏转任务的持续进行，喷射物在航天器表面的持续积累将最终影响航天器正常工作，并将显着影响激光光束的强度和激光器的工作寿命。为了减少这种现象所造成的不利影响，还需深入研究解决该问题的途径和方法。
1.5、 离子束引导
离子束引导（Ion Beam Shepherd，缩写为IBS）是通过航天器搭载离子推进器并发射高指向性、高精度、高速度的离子束来对目标小行星进行持续照射，产生的推力能改变小行星的轨道，使其偏离与地球相近的轨道[23]。相比于引力牵引法，离子束引导的偏转效果不依赖于航天器和小行星的质量，而是取决于所发射的离子束的动力。该方法的另一个特点是离子推进系统同时可以用于低推力轨道的保持，也可以用于航天器自身的姿态调整操纵。换言之，离子推进器既可以用来实施小行星轨道偏转任务，同时它也是航天器推进系统的一部分，从而不需要额外增加航天器携带的有效载荷质量。
研究发现，在偏转目标直径小于200m时，该方法的效率比引力牵引法要高10倍；在偏转目标直径小于400m时，偏转效率也高于引力牵引法[24]。DeCiccoa等[25]提出中性离子束小行星偏转方法，采用4个航天器携带中性离子束控制装置组成编队，研究对2017PDC小行星的偏转效果以及对小行星消旋作用的影响，并通过建模与仿真得出了对不同类型、质量以及自旋速度的小行星的偏转效果。Bombardelli等[26]假想2017PDC小行星撞击日本东京和中国北京两种情况，分别设计了动能撞击法和离子束导引法两种小行星偏转任务实施方案，对比分析了离子束引导方案对行星的偏转效果更优。相比引力牵引法，离子束引导法中航天器可以节省一个数量级以上的质量，且能够对小行星施加稳定的作用力，与小行星相距的距离可以达百米，因此航天器受小行星干扰力的影响更小。考虑到这些优势，将离子束导引方法应用于小行星偏转任务指日可待[27]。
1.6、 质量驱动
质量驱动法的基本构想是通过向目标小行星发射航天器着陆到小行星表面，在小行星表面钻取物质并高速喷出，由此产生的反作用力可以改变小行星的动量，进而实现小行星轨道偏转。该方法是由OLDS,J.等人首次提出，作为NASA提出的“模块化小行星偏转弹射”项目中提出的一个快速、可扩展的解决方案，图3所示为该方法的构想图[28]。通过发射数以百计甚至数以千计的模块化小型航天器（Modular Asteroid Deflection Mission Ejector Node，缩写为MADMEN）到小行星表面，着陆后进行小行星表面岩石的钻取收集，然后将岩石利用电磁炮技术高速喷射向太空。同时将MADMEN集群部署在低地球轨道以外（可能是地-月或地-日-天平动点），接收到执行命令后迅速进入拦截目标小行星的轨道。
图3 质量驱动器集群概念示意图
采用模块化的小航天器集群的方式实现小行星偏转任务具有较好的整体可靠性，能够充分发挥当前航天器生产模式的优势，提高生产效率。质量驱动方法的另一个优势在于它并不需要从地面携带物质而是直接从小行星上获取质量，能够有效减少有效载荷的质量，也节省燃料，不需要携带大量推进剂。该方法适用于具有充裕预警时间的潜在威胁小行星防御，航天器执行任务的时间有可能是数月或数年。技术需求方面涉及自主会合、着陆技术、微重力自主采矿技术（钻取技术）、大功率轨道枪技术、核能发电技术、锚定系统技术等[29]。Daniel等[30]针对质量驱动方法，研究了对目标小行星自转速度和轨道状态影响最小条件下的优化偏转方法，对比分析了单一航天器和多航天器着陆到小行星表面对小行星运行速度带来的变化，研究结果表明该方法有效，实施小行星偏转可能需要几年时间，但不会给小行星带来灾难性的破坏。
1.7、 太阳能辐射方法
该方法通过搜集太阳能直接作用在小行星表面而使其产生微小加速度偏离原始轨迹，如图4所示。“太空镜群”小行星偏转策略[31,32]采用航天器编队（集群），每个航天器携带太阳能聚集板，在距离小行星一定距离的位置（大于1km），通过反射太阳光形成巨大的太阳光束照射到小行星表面，利用集聚的热量使集中照射处的温度不断升高，直至表面物质爆破或蒸发，产生的物质对小行星产生一个相对作用力，通过此作用力使小行星轨道偏移。研究结果表明，十面镜子在6个月内就能够移动一个直径150m大小的小行星。
图4“太空镜群”模拟示意图
太阳能辐射方法虽然原理比较简单，但实施起来存在的主要困难包括：这种防御方式需要持续进行数年之久才能实现小行星轨道偏转，对预警和监测技术提出很高要求；任务实施过程中需控制太阳能聚集板反射太阳光汇聚到小行星表面同一点或小部分区域，需要航天器具备精确的导航控制技术以确保太阳能收集和反射都满足目标需求，编队中航天器相对导航位置误差估计精度应达到米量级，相对导航速度误差估计精度应达到10-5 m/s量级。Kikuchi等[33]设计了一种应用于小行星防御策略的太阳帆反射率控制装置，用于提高太阳光收集效率，研究了利用太阳光抑制小行星自转的方法，避免因自转引起的小行星偏转效率降低，为太阳辐射方法的实施提供理论支撑。
1.8、 新型防御方法
除了上述几种典型的小行星防御方法以外，新型防御方法正不断被提出。例如，用小行星撞击具有潜在威胁的小行星，从而改变具有潜在威胁小行星的原始轨道。具体实施方案是将航天器从地球发射到绕中间小行星运行，再对航天器施加一个脉冲使得航天器与中间小行星发生碰撞，碰撞后的小行星进入目标小行星拦截轨道并最终与之相撞[34]。Brown[35]提出一种新的“引力拖车”方法，不同于航天器与小行星之间的万有引力，该方法是采用电磁力改变小行星的轨道。优势在于这种方法能够提供比万有引力更大的作用力作用于小行星，因此适用于预警时间缩短的情况。分析发现，完成同样的小行星偏转任务，引力拖车的方法需要用20年，而采用“磁力拖车”的方法仅需73天，但其系统的复杂程度增大，并需要使航天器与小行星保持相对很近的距离，比如距离仅20m，这对航天器的控制系统要求很高，相关技术需要进一步验证与完善。
除了上述单一的小行星防御方法，组合式防御方法可以发挥不同方法之间的优势。例如，选取一种脉冲方法与一种慢推力法组合，Yohei[36]提出“核攻击-引力牵引”和“动能撞击-引力牵引”组合方法，将脉冲法视为主要的防御方法，能够解决预警时间短的偏转目标，并且可以高效消除小行星的潜在威胁；将引力牵引作为次要、辅助的防御方法，该方法原理简单，可靠性高，适用于预警时间足够充裕的情况。“太阳能辐射-引力牵引”组合方法是指分别在小行星的两侧同时进行引力牵引和太阳光聚集器照射，增加施加在小行星上的外力。组合方法的有效载荷可以同时发射入轨，也可以分别发射，旨在降低发射成本，缩短执行周期，增强系统可靠性，提高消除小行星威胁效率。Sugimoto等[37]针对物理特性不确定且不同类型的小行星防御问题，分析了“核攻击-引力牵引”方法、“动能撞击-引力牵引”方法以及“太阳能辐射-引力牵引”方法的作用效果，在执行小行星防御任务时，不同航天器分别发射并相互独立。研究结果表明，这种组合方法适用于预警时间为10～20年的防御任务。
2 、小行星偏转关键技术需求分析
通过调研各种潜在危险性小行星偏转方法的研究现状，将未来小行星偏转关键技术需求概括为以下几个方面：
2.1 、小行星物理特征探测及其轨道确定技术
预先掌握小行星的物质结构组成，了解其形状、自转、反照率等物理量特性是实施偏转任务的前提。近地小行星轨道确定为偏转任务设计提供现实依据，是开展小行星防御活动的前提条件。
2.2、 小行星监视及预警技术
预警时间决定了采用什么方法进行小行星偏转，无论采用哪一种偏转方式，充裕的预警时间（如：10～20年）将有助于提高小行星偏转效率，能更好的消除小行星对地球造成的威胁。因此，建立完善的小行星监视和预警体系，增强对小行星的观测识别能力，有助于发现具有潜在危险性的小行星并为偏转任务的实施争取更多的预警时间。对于预警时间为6～12个月的近地小行星偏转任务，主要依赖国际间的合作才能有效完成。
2.3、 组合偏转技术
针对一次偏转任务，采取两种或多种偏转方法的组合方法，充分发挥每种偏转方法的优势，弥补单一方法的不足之处，降低发射成本，提高航天器系统的可靠性，同时提高偏转的成功率。
2.4 、低推力推进技术
深空探测任务飞行距离遥远、任务周期长，传统的化学推进方式虽能提供大推力，也需要携带大量化学推进剂。相比之下，一些低推力推进系统能够更高效地完成多样的探测任务。基于核能、太阳能和离子推力器等一系列低推力技术成为未来重点发展的关键技术。
2.5、 航天器导航与控制技术
诸多小行星偏转方法都要求航天器在小行星近距离处进行大量操作，航天器需要长时间在轨运行。引力牵引、激光消融、离子束引导和太阳能辐射方法中，航天器相对小行星需长时间保持恒定的悬停位置；核爆、动能撞击和质量驱动等方法中，航天器需要运行至预定位置，精度高、可靠性好的导航、定位和控制系统是成功实现偏转的关键技术。
2.6 、小行星抵近、附着与采样技术
只有通过航天器近距离探测小行星才能全面准确地了解小行星的特征，及时预测未来小行星碰撞地球的时机。如何实现航天器以较小的相对速度降落到目标小行星表面及落点的选取，均需要相应的技术不断跟进。重点研究小行星抵近、附着与采样技术，为偏转方法研究提供支持，同时推动先进的行星保护技术的发展。
3 、结论
本文总结了几种典型小行星偏转方法的原理及优缺点，介绍了最新提出的几种小行星偏转方法，提炼了小行星偏转方法的相关关键技术。发达国家对于近地小行星的探测方面已经进行了很多工作，未来更深层次的小行星采样、行星保护以及载人深空探测等任务已经提上日程。我国在相关领域的研究还处于起步阶段，需不断增强深空探测能力，增强国际交流合作，共同开展行星保护相关关键技术研究，提升评估潜在威胁的能力，确定减少威胁的方案，降低小行星撞击地球的风险，保护地球生命安全。
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