李飛 孟林智 王彤 鄒樂洋

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

國外近地小行星撞擊地球防御技術(shù)研究

李飛 孟林智 王彤 鄒樂洋

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

調(diào)研了國外8種小行星撞擊地球防御的技術(shù)途徑，從基本原理、優(yōu)缺點、適用性、成熟度和應(yīng)用情況等方面進(jìn)行了分析。國際上提出的小行星撞擊地球防御技術(shù)大多處于概念階段，除了撞擊技術(shù)已在“深度撞擊”（Deep Impact）任務(wù)中得到驗證，其余均沒有通過在軌驗證；除核爆和撞擊屬于短期防御技術(shù)外，其余均為長期防御技術(shù)（幾年甚至十幾年）；采用現(xiàn)有的單一概念和技術(shù)完成防御任務(wù)的成功率是比較低的，所以通常采用多種技術(shù)組合的方式。通過技術(shù)途徑的分析，對我國開展近地小行星撞擊地球防御任務(wù)提出了初步建議，主要包括盡早開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)行防御技術(shù)的在軌演示驗證，開展國際合作，建立國際預(yù)警與防御體系等。

近地小行星；防御；預(yù)警；撞擊；離子束引導(dǎo)；引力牽引

1 引言

目前已被確認(rèn)的近地天體超過1.1萬顆，其中1483顆被認(rèn)為具有“潛在危險性”。直徑大于1 km的小行星，撞擊地球的能量相當(dāng)于幾百倍全球核武器庫的核彈爆炸能量，撞擊地球后會誘發(fā)氣候、生態(tài)與環(huán)境的劇烈災(zāi)變，可導(dǎo)致地球上物種的滅絕。如2013年2月15日，一顆小行星以30 km/s的速度進(jìn)入大氣層，并在俄羅斯車?yán)镅刨e斯克地區(qū)上空約30 km高度發(fā)生猛烈的爆炸。據(jù)評估該小行星直徑約為15～17 m，質(zhì)量7000～10 000 t，爆炸當(dāng)量約3 500 000 t，相當(dāng)于1945年廣島原子彈爆炸當(dāng)量的30倍；而就在這次爆炸18 h后，另一顆小行星2012DA14從地球相距34 000 km的地方高速掠過。在這一背景下，如何減緩、避免近地小行星撞擊地球成為國際社會共同面臨的一個問題。在2012年國際空間探索協(xié)調(diào)組（International Space Exploration Coordination Group，ISECG）會上，經(jīng)12個成員國協(xié)調(diào)，將“試驗減緩近地小行星撞擊地球風(fēng)險的方法”定為小行星探測的三項基本目的之一。

相比地震、洪水等自然災(zāi)害，近地小行星撞擊地球災(zāi)害具有3個特點:一是瞬間發(fā)生的全球毀滅性災(zāi)害；二是對近地小行星撞擊的時間、影響程度及撞擊地點可以有較準(zhǔn)確的提前預(yù)報；三是近地小行星撞擊是可以避免的。針對近地小行星撞擊災(zāi)害的特點，減緩、避免近地小行星撞擊地球的過程如下:①近地小行星的發(fā)現(xiàn)、跟蹤和特征參數(shù)分析；②確定撞擊風(fēng)險；③風(fēng)險較高且有必要時做出決策；④實施空間行動完成小行星撞擊災(zāi)害防御，可以歸納為監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)險評估與決策、空間防御等技術(shù)。對近地小行星實施的空間防御技術(shù)開展研究，后文簡稱“近地小行星防御”。

以美國、歐洲為代表的航天大國都提出了近地小行星防御任務(wù)計劃，例如美國的“阿波菲斯探索與減緩平臺”（Apophis Exploration and Mitigation Platform，AEMP）、“超高速小行星攔截器”（Hypervelocity Asteroid Intercept Vehicle，HAIV）、“表面和內(nèi)部科學(xué)撞擊器”（Impactor for Surface and Interior Science，ISIS）；歐洲的“唐吉訶德”（DON QUIJOTE）、“近地小行星防護(hù)盾”（Near-Earth Objects Shield，NEOShield）等［1］。各任務(wù)中所采用的多數(shù)小行星防御技術(shù)尚處于概念和設(shè)想階段，甚至有很多技術(shù)是開創(chuàng)性的，未進(jìn)入工程實際應(yīng)用。本文主要通過對國外近地小行星防御技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，分析對比了8種不同防御技術(shù)途徑的基本原理、優(yōu)缺點、適用性、成熟度和應(yīng)用情況。根據(jù)國外小行星防御技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展思路，結(jié)合我國現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，探討發(fā)展有效的、適用于我國國情的小行星防御發(fā)展建議。

2 近地小行星防御技術(shù)

2.1 近地小行星定義

近地小行星指的是其軌道與地球軌道相交的小行星。這類小行星可能會帶來撞擊地球的危險；同時，它們也相對容易使用探測器進(jìn)行探測，探測一些近地小行星所需的推進(jìn)劑比探測月球還少。根據(jù)軌道半長軸和近日距不同，近地小行星還可進(jìn)一步分為［］:

（1）阿登型（Aten）:半長軸小于1.0 AU，近日距大于0.983 AU的小行星；

（2）阿波羅型（Apollo）:半長軸大于1.0 AU，近日距小于1.017 AU的小行星；

（3）阿莫爾型（Amor）:近日距在1.017 AU和1.3 AU之間的小行星。

其中，阿登型與阿波羅型小行星的軌道會穿越地球軌道，這使得它們可能產(chǎn)生撞擊的威脅，而阿莫爾型小行星不穿越地球軌道但卻可能距離地球非常近，軌道示意如圖1所示。［2］

圖1 阿登、阿波羅和阿莫爾小行星群Fig.1 Asteroids of Aten，Apollo and Amor

2.2 技術(shù)途徑概述

小行星防御有兩個最基本的方式:一是改變小行星軌道使之避開地球；二是使小行星分裂成碎片，然后碎片避開地球或者碎片的破壞性減少到足夠小。由于小行星分裂成碎片的過程具有較大的不可預(yù)見性，所以在預(yù)警時間足夠的條件下，改變小行星軌道的方法更為適合。目前，使小行星分裂成碎片的方式只有通過核爆技術(shù)實現(xiàn)；而改變小行星軌道的方式從作用時間上區(qū)分，可以分為快速防御技術(shù)和緩慢防御技術(shù)。防御技術(shù)分類如圖2所示。

（1）快速防御技術(shù)。通過航天器與小行星撞擊或者在小行星內(nèi)部、表面、上面爆炸等短期作用方式，改變小行星的速度，從而改變小行星的軌道?？焖俜烙夹g(shù)主要包括核爆和撞擊。撞擊適用于尺寸相對較小且預(yù)警時間短的小行星，或者尺寸相對較大且預(yù)警時間長的小行星；只有核爆適用于尺寸相對較大且預(yù)警時間短的小行星。

（2）緩慢防御技術(shù)。航天器與小行星交會，對小行星產(chǎn)生一個長期的作用力，通過長期綜合效果改變小行星速度，進(jìn)而改變軌道。小行星微小的速度變化隨著時間的推移將演變?yōu)闃O大的軌道變化。緩慢防御技術(shù)還可以分為接觸式和非接觸式。接觸式技術(shù)需要航天器可靠的附著在小行星表面，并且由于小行星的轉(zhuǎn)動，需要通過調(diào)整推力方向和定時控制來確保推力沿著小行星速度方向；非接觸式技術(shù)則可以避免這些問題。緩慢防御技術(shù)只適用于尺寸小、預(yù)警時間長的近地小行星，這類近地小行星的預(yù)警時間通常為幾年或十幾年。

圖2 小行星防御技術(shù)分類圖Fig.2 Classification of asteroid defense technology

2.3 技術(shù)途徑分析

2.3.1 核爆

核爆（Nuclear Explosion）是小行星防御最主要的技術(shù)之一，即利用核裝置直接炸毀，或利用小行星表面單點或多點核爆所產(chǎn)生的推力改變小行星軌道，避免其與地球相撞。美國小行星偏離研究中心和愛荷華州立大學(xué)的研究報告［3］中指出，在較短的預(yù)警時間（遠(yuǎn)小于10年），攜帶核爆裝置的攔截任務(wù)是阻止近地小行星撞擊地球的唯一可行方案。

核爆分為上面爆炸、表面爆炸和淺地下爆炸3種方式。具體方式的選擇主要由小行星的尺寸和組成決定。

1）上面爆炸

體積大的小行星可以采用上面爆炸的方式。上面爆炸是指核裝置不與小行星接觸，爆炸釋放的能量在爆炸所對應(yīng)的星體表面產(chǎn)生高溫。表面物質(zhì)被高溫蒸發(fā)掉，并從小行星表面噴射出來。這個過程同化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)工作原理類似，小行星將會被推向噴射物運動的反方向，偏離原有的軌道。

預(yù)計到本世紀(jì)20年代，NASA的上面核爆技術(shù)可以使預(yù)警時間2年、直徑100～500 m的小行星偏離軌道，對于更大的小行星則需要5年預(yù)警時間。上面爆炸的效果估計為非核爆方法的10～100倍。

2）表面爆炸或淺地下爆炸

體積小的小行星可以采用表面爆炸或淺地下爆炸的方式，使小行星分裂成數(shù)塊碎片。這兩種方式的優(yōu)點是作用能量大，但是存在兩個問題:第一，爆炸產(chǎn)生的小行星碎片依然有威脅地球的可能，一塊較大的碎片沖向地球?qū)τ诘厍蛏锒砸彩菧珥斨疄?zāi)［4］；第二，對于淺地下爆炸方式而言，由于高速撞擊會過早的破壞爆炸引信裝置，現(xiàn)有的淺地下核爆技術(shù)將攔截時的相對速度限制在300 m/s以下，而在短期預(yù)警直接攔截的情況下，航天器到達(dá)小行星的速度約為10～30 km/s，這使該技術(shù)的實現(xiàn)存在一定的難度。

針對小行星碎片的問題，現(xiàn)在的研究表明［5］，對于預(yù)警時間短的任務(wù)，如果攔截發(fā)生在與近地小行星速度近似垂直的方向上，那么爆炸后實際沖擊地球的碎片質(zhì)量可以減小到近地小行星原有質(zhì)量的0.2%。如果更早的進(jìn)行攔截或提高核爆裝置的爆炸能量，實際沖擊地球的碎片質(zhì)量可以被進(jìn)一步減小。

針對淺地下爆炸方式的高速撞擊問題，美國小行星偏離研究中心和愛荷華州立大學(xué)提出了超高速小行星攔截器（HAIV）的概念［3］。HAIV由一個撞擊引導(dǎo)器和一個攜帶核爆裝置的跟隨器組成。撞擊引導(dǎo)器與跟隨器從發(fā)射狀態(tài)到撞擊前一直連接在一起。在撞擊前24 h探測器開始進(jìn)入最終導(dǎo)航階段，安裝在撞擊引導(dǎo)器上的相機(jī)和激光雷達(dá)進(jìn)行探測，確認(rèn)攔截位置［6］；安裝有觸發(fā)引信和傳感器的10 m桅桿，從引導(dǎo)器上展開。兩器進(jìn)行分離，同時建立通信。撞擊引導(dǎo)器首先撞擊目標(biāo)小行星，并在小行星表面制造一個淺坑；然后跟隨器進(jìn)入淺坑并引爆核爆裝置［7］。兩器具體連接和分離狀態(tài)如圖3所示。相對于表面核爆或者上面核爆，這項技術(shù)的主要優(yōu)勢之一就是凹形的表面可以吸收更多的核爆能量，即使穿透深度很?。ǎ? m），這種方式仍然可以爆發(fā)出足夠大的能量來改變小行星的運行軌道，甚至將其摧毀。由穿透核爆所引發(fā)的地面震蕩波更加擴(kuò)大了這種威力。地球表面穿透核爆裝置試驗表明，在穿透到地下3 m時，由于核爆能量與地面震蕩波的共同作用，摧毀特定物體所需的爆炸能量將減少15%到25%。

圖3 超高速小行星攔截器Fig.3 Hypervelocity asteroid intercept vehicle

盡管核爆方式能量大，可行性高，但空間核爆裝置的使用是一個國際問題，需要提交聯(lián)合國和平利用外層空間委員會審議。1996年，《全面禁止核擴(kuò)散條約》禁止使用空間核武器。雖然以阻止小行星撞擊地球作為唯一目的核爆裝置不是非和平利用空間，也不屬于武器的范疇，但它的使用仍然存在很大的爭議。

2.3.2 動能撞擊

動能撞擊（Kinetic Impact）是一項實際可行且相對簡單的改變近地小行星軌道的技術(shù)。動能撞擊技術(shù)的原理是通過使用相對速度很大的航天器直接撞擊近地小行星以改變小行星的動量。理想狀態(tài)下，撞擊方向應(yīng)同近地小行星的速度方向一致（同向）或者相反（逆向）。雖然同向撞擊和逆向撞擊可以提供相同的動量傳遞，但是由于近地小行星繞太陽的運行方向與地球一致，所以同向撞擊方案所需的運載發(fā)射能量更?。?］。

作為可以快速啟動并有較高成功概率的方案之一，撞擊技術(shù)具有以下優(yōu)點［9］:

（1）技術(shù)簡單，不像一些行星或彗星探測器那樣復(fù)雜，只需要能將撞擊器送入撞擊軌道的運載火箭以及必要的姿軌控能力；

（2）成熟性高，在NASA的“深度撞擊”（Deep Impact）任務(wù)中，該技術(shù)得到了在軌驗證；

（3）靈活性好，在緊急條件下，可以對已有的探測器進(jìn)行改造來執(zhí)行撞擊任務(wù)；

（4）效果明顯，即使預(yù)警時間僅有6～12個月，從地球、地球軌道、月球或日地拉格朗日點發(fā)射的多個擁有足夠質(zhì)量的撞擊器依次撞擊近地小行星仍然可以對小行星的速度產(chǎn)生足夠大的影響，并最終使小行星避開地球。對于大尺寸近地小行星或者更短的預(yù)警時間，小行星也許無法完全避開地球，但可以將撞擊點轉(zhuǎn)移至一片撞擊損失較低的地區(qū)。

然而，該技術(shù)也存在以下幾個問題:

（1）除了開發(fā)、部署以及維護(hù)這些撞擊器所需的巨大財力，還需要一個隨時準(zhǔn)備就緒并有人留守的快速響應(yīng)指揮控制中心。指揮控制中心本身的建設(shè)需要多年的時間以及大量的經(jīng)費，而且極有可能只能由國際合作實現(xiàn)。而國際合作框架、協(xié)議、預(yù)算配比、人員以及參與規(guī)則的制定可能需要超過10年的時間［5］。

（2）有效性隨著小行星尺寸的增大而減小，可能對中型或大型近地小行星完全沒有效果。

（3）由于運載火箭技術(shù)的限制，撞擊器從地球出發(fā)到達(dá)目標(biāo)小行星并起作用至少需要6個月、甚至1年以上的時間。

綜上所述，該技術(shù)雖然在理論上可以在預(yù)警時間小于1年的情況下造成小型近地小行星的偏離，但是除非有超過10年的預(yù)警時間，否則無法成為解決中型或大型近地小行星的可行方案。

撞擊技術(shù)已在NASA的“深度撞擊”（Deep Impact）任務(wù)中進(jìn)行了驗證。2005年1月12日發(fā)射的“深度撞擊”是人類首次用撞擊器撞擊小天體的深空探測任務(wù)，探測器由飛越艙（Flyby）和撞擊器（Impactor）組成，總質(zhì)量為650 kg，尺寸為3.2 m×1.7 m× 2.3 m。探測器于2005年7月4日接近坦普爾1號（Tempel-1）彗星的彗核，約370 kg的銅制撞擊器與飛越艙分離，沖向坦普爾1號彗星，以約10 km/s的撞擊速度擊中直徑6 km的彗核，撞擊點精度達(dá)1 m，整個撞擊過程持續(xù)3.7 s，釋放出約19 GJ的動能。飛越艙在500 km外的安全距離對撞擊過程進(jìn)行觀測，對彗星的各部位細(xì)節(jié)進(jìn)行了拍照；同時，NASA的哈勃望遠(yuǎn)鏡和錢德拉望遠(yuǎn)鏡也對該彗星進(jìn)行了持續(xù)觀測。撞擊產(chǎn)生的威力相當(dāng)于4.5 t TNT爆炸。彗星的位置在3年中變化了約10 km。這次彗星撞擊，首次獲取了大量彗核碎片數(shù)據(jù)，為人類探究太陽系起源提供了新的線索，也為地球遭遇小天體撞擊危險規(guī)避研究提供了重要數(shù)據(jù)。

此外，撞擊技術(shù)也計劃在未來多個任務(wù)中使用，如ESA的DON QUIJOTE、美國噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）的ISIS等。JPL計劃在2017年至2018年發(fā)射ISIS撞擊器。ISIS撞擊器質(zhì)量約為600 kg，預(yù)計在2021年3月撞擊Bennu小行星（編號1999 RQ36），撞擊速度為14 km/s，并釋放出大約78 GJ的能量。ISIS的撞擊將在Bennu上形成一個數(shù)十米直徑的撞擊坑；另一個航天器“源光譜釋義資源安全風(fēng)化層辨認(rèn)探測器”（Origins，Spectral Interpretation，Resource Identification，Security，and Regolith Explorer，OSIRIS-REx）將負(fù)責(zé)對整個過程進(jìn)行監(jiān)視拍照，對撞擊激起的小行星表面物質(zhì)進(jìn)行光譜分析，并且測量撞擊對小行星速度造成的變化［10］。

2.3.3 引力牽引

引力牽引（Gravitational Traction）是將航天器駐留在距離目標(biāo)小行星一定的距離上，航天器在不接觸小行星表面的情況下就可以通過萬有引力對小行星施加一個穩(wěn)定的力，從而使小行星產(chǎn)生一個持續(xù)的速度變化量，并改變小行星的運行軌道［11］。引力牽引方法主要優(yōu)點在于:

（1）不需要考慮小行星的組成、轉(zhuǎn)動、形貌等特征，只需要質(zhì)量特性即可。為了使影響效果最大化，航天器的駐留點可以選在小行星的速度方向上，而航天器的高度可以調(diào)整，使由于不規(guī)則形狀的小行星自轉(zhuǎn)所引起的引力變化最??；

（2）可以避免航天器在小行星表面著陸，因此也避免了航天器著陸對小行星產(chǎn)生破壞以及激起小行星表面碎石的潛在危險。

引力牽引的缺點在于航天器對小行星的引力很大程度上取決于航天器的質(zhì)量，航天器的質(zhì)量越大，產(chǎn)生的引力越大；然而航天器的質(zhì)量越大，發(fā)射成本越高，需要在二者之間權(quán)衡。

由于引力牽引需要長期的位置和姿態(tài)控制，所以建議采用電推進(jìn)系統(tǒng)。此外，由于任務(wù)執(zhí)行時間較長，航天器需要較高的可靠性，這也是大多數(shù)緩慢防御技術(shù)面臨的共性問題。在NEOShield計劃中，已開展了采用多航天器編隊進(jìn)行引力牽引的方式提高任務(wù)可靠性的研究；美國提出的AEMP任務(wù)中，也已經(jīng)采用該方法。

2.3.4 激光剝蝕

激光剝蝕（Laser Ablation）技術(shù)是采用一個功率足夠大的激光投射系統(tǒng)照射小行星表面，利用表面燒蝕產(chǎn)生的等離子體噴射所帶來的反作用力造成小行星的速度變化，進(jìn)而改變小行星軌道［12］。載有

激光投射系統(tǒng)的航天器可以部署在月球、地球低軌、地球同步軌道或者日地拉格朗日點上，因為部署地點都距離近地小行星較遠(yuǎn)，實際到達(dá)近地小行星的激光能量密度很低，所以不存在小行星表面碎片飛出的風(fēng)險。

類似的激光器曾在天基導(dǎo)彈防御系統(tǒng)［7］中廣泛的研究過，但是從未部署或測試，所以技術(shù)成熟度仍然非常低。但是一旦技術(shù)足夠成熟，能量來源近乎無限的激光器可以在數(shù)月甚至數(shù)年的時間里照射近地小行星。一些研究表明［7］，激光器產(chǎn)生的高能量束足以對大尺寸近地小行星產(chǎn)生可觀的影響。由于激光投射系統(tǒng)會非常巨大并且沉重，所以最大問題是發(fā)射和部署激光投射系統(tǒng)所需的經(jīng)費。

更小的激光系統(tǒng)可以利用常規(guī)的運載火箭和航天器運送至近地小行星周圍，對近地小行星施加比引力牽引方式更大的作用力，同時擁有引力牽引方式的優(yōu)勢。激光系統(tǒng)甚至能在更遠(yuǎn)的地方對小行星施加作用力，從而避免在不規(guī)則的自轉(zhuǎn)小行星近處停留所帶來的風(fēng)險。

2.3.5 拖船

拖船（Tug Boat）技術(shù)是將一個裝有推進(jìn)系統(tǒng)的航天器著陸并錨定在近地小行星表面，利用航天器發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推力對小行星施加作用力，從而緩慢地改變小行星的運行軌道［13］。由于這種方案需要很長的時間才能達(dá)到需要的效果，所以必須有較長的預(yù)警時間；另外，為了對小行星施加長期穩(wěn)定的作用力，還需要研發(fā)高強(qiáng)度錨定技術(shù)。若使用化學(xué)燃料推力器，則需要考慮推力器在數(shù)月甚至數(shù)年中持續(xù)工作的穩(wěn)定性；若使用電推進(jìn)，則需要兆瓦級的供電能量。

與撞擊方案相比，拖船方案所需的運載發(fā)射能量更大、飛行時間更長，因為航天器需要將自身的速度與小行星的軌道速度匹配才能在小行星表面著陸和錨定。另外，由于小行星普遍處在自轉(zhuǎn)和滾動中，著陸的航天器必須使用多向推力器或控制推力器的工作時序，才能保證航天器對小行星施加的作用力是在小行星的速度方向上。

由于小行星表面的形狀、結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成存在很大的不確定性，所以航天器在小行星表面著陸并錨定的難度較大。如果目標(biāo)小行星的組成物質(zhì)松軟多孔或是一些松散的巖石碎片，那么在小行星上固定航天器會更加困難。

在拖船方案基礎(chǔ)上，提出了一種類似的帶有母船的拖船方案［7］。在該方案中母船會釋放一個獨立的推進(jìn)系統(tǒng)并令其固定在小行星表面。由于母船不直接著陸，而是在小行星周圍伴飛，所以母船可以獨立的測算推力器對小行星速度產(chǎn)生的實際影響，并且可以實時精確地控制推力器工作。另外，如果推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)生故障，母船可以及時檢測到，而不需要等待數(shù)月的地面測定。母船會爭取足夠時間進(jìn)行修正或更換獨立推進(jìn)系統(tǒng)故障設(shè)備。

2.3.6 太陽光壓

利用太陽光壓（Solar Photon Pressure）來改變小行星的運行速度和軌道的方式很多，主要包括反照率改變、放置太陽帆、太陽光反射等［14］。

1）反照率改變法

反照率改變法是將涂層噴涂在小行星表面，根據(jù)雅爾科夫斯基效應(yīng)（Yarkovsky Effect），通過改變小行星表面反照率來改變輻射光子對小行星的作用力，以達(dá)到改變小行星軌道的目的。雅爾科夫斯基效應(yīng)主要指:當(dāng)天體轉(zhuǎn)動時，太陽照射面（陽面）溫度高，而非太陽照射面（陰面）則處于散熱狀態(tài)。天體旋轉(zhuǎn)的黃昏面（Dusk）比拂曉面（Dawn）溫度更高，并釋放更多的光子。光子的輻射將產(chǎn)生一個作用于天體的小的反作用力，方向指向拂曉面，這個力的方向?qū)⒂商祗w的形狀、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)軸以及成分等決定，通常施加在天體上的加速度方向垂直于天體的自轉(zhuǎn)軸并垂直于天體和與太陽的連線，如圖4所示。因為太陽光壓很小，所以即使是在一顆大尺寸小行星表面進(jìn)行噴涂，產(chǎn)生的作用力也只有幾牛，因此要使小行星的速度產(chǎn)生足夠的變化需要極長的時間。另外，由于幾乎所有的近地小行星都在自轉(zhuǎn)或滾動，所以雅爾科夫斯基效應(yīng)所產(chǎn)生的推力就更小。NASA計劃的AEMP任務(wù)中已經(jīng)提出采用該方法［14］。

圖4 小行星雅爾科夫斯基效應(yīng)示意圖Fig.4 Demonstration of the Yarkovsky effect of the asteroid

2）放置太陽帆法

在近地小行星表面放置可轉(zhuǎn)動的太陽帆也可以增強(qiáng)太陽光壓的效果，但是建造、部署以及轉(zhuǎn)動大型太陽帆的復(fù)雜系統(tǒng)將會使得整個設(shè)備非常的復(fù)雜和昂貴，尤其是處在自轉(zhuǎn)或滾動狀態(tài)的近地小行星上建立這樣的系統(tǒng)就更加復(fù)雜。雖然這種方法的原理非常簡單，但是由于能夠產(chǎn)生的有效推力非常小，所以需要極長的時間才能達(dá)到所需的小行星偏離效果。再考慮該系統(tǒng)推力合力方向的不確定性，那就更是將這種方法排除在可信度較高的技術(shù)之外。

3）太陽光反射法

太陽光反射法是在空間部署一個反射器將太陽光反射到近地小行星上，利用太陽光壓對小行星施加作用力，如圖5所示。預(yù)計在10～20年后，在太空中部署1 km直徑的反射器在技術(shù)上將成為可能［7］。這樣的大型反射器將對小行星產(chǎn)生很大的作用力，并且不會受到雅爾科夫斯基效應(yīng)的影響。利用太陽光壓來進(jìn)行小行星防御的方法雖然在理論上可行，并且長期看來在緩慢防御手段中有一定的競爭力，但是在短期內(nèi)不會成為主要的技術(shù)手段。

圖5 太陽光反射器Fig.5 Sunlight reflector

2.3.7 質(zhì)量驅(qū)動

質(zhì)量驅(qū)動（Mass Drive）方法的原理是采用一個或多個著陸器在小行星表面進(jìn)行鉆取，并將小行星自身的物質(zhì)噴射出去來產(chǎn)生反作用力，進(jìn)而改變小行星軌道［7］。著陸器可以使用太陽能或核能來驅(qū)動鉆取和噴射裝置，而且用于產(chǎn)生反作用力的物質(zhì)來自小行星本身，可以認(rèn)為是無限的，所以對小行星速度變化的影響主要取決于任務(wù)執(zhí)行的時間，如圖6所示。

圖6 質(zhì)量驅(qū)動示意圖Fig.6 Demonstration of the mass drive

質(zhì)量驅(qū)動的最新方案是將一些攜帶核反應(yīng)堆作為能源的著陸器送到近地小行星的表面并錨定，著陸器進(jìn)行鉆取并將網(wǎng)球大小的鉆取物質(zhì)以超過100 m/s的速度噴射出去。各個著陸器可以在小行星轉(zhuǎn)動到特定方向時進(jìn)行噴射，而且著陸器間互為冗余。著陸器的工作時間可能會長達(dá)數(shù)月或數(shù)年。

質(zhì)量驅(qū)動的方法可以對小行星運行速度產(chǎn)生很大影響，同時免去從地球攜帶大量推進(jìn)劑的不利條件。然而，質(zhì)量驅(qū)動方案仍有許多技術(shù)難點需要攻關(guān)，例如:小行星著陸錨定技術(shù)、弱重力鉆取技術(shù)、安全可靠核反應(yīng)堆技術(shù)以及可自我清潔與修理的可靠噴射裝置。

雖然質(zhì)量驅(qū)動方案的優(yōu)點很突出，但是項目預(yù)算肯定要比撞擊等簡單方案高。然而，如果預(yù)警時間足夠長，質(zhì)量驅(qū)動方案能產(chǎn)生的可觀的小行星動量變化使該方案成為防御大型近地小行星的重要方案之一。

2.3.8 離子束引導(dǎo)

離子束引導(dǎo)（Ion Beam Shepherd）方法的原理是利用航天器上一個離子推力器產(chǎn)生的高指向精度、高速度的離子束對目標(biāo)小行星進(jìn)行持續(xù)的照射，對小行星產(chǎn)生作用力，從而改變小行星的運行軌道［15］，如圖7所示。

圖7 離子束引導(dǎo)技術(shù)示意圖Fig.7 Demonstration of ion beam shepherd

與引力牽引方案相比，離子束引導(dǎo)方案有兩項明顯的優(yōu)點:第一，離子束引導(dǎo)方案不受航天器質(zhì)量的限制。以一個直徑200 m的小行星為例，一個質(zhì)量20 t的引力牽引航天器對小行星軌道的影響幾乎與一個質(zhì)量不足1 t的裝有高效率、高比沖的離子推力器的離子束航天器相同［15］；第二，離子束引導(dǎo)方案中航天器可以處在離小行星相對較遠(yuǎn)的位置，在避開相撞風(fēng)險的同時對小行星施加穩(wěn)定的作用力，而且小行星的引力對航天器的擾動也更小。

由于該方案具有上述優(yōu)點，并且離子束引導(dǎo)所需的電推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)已在航天器上正式應(yīng)用，所以可能很快就會有利用離子束技術(shù)的小行星防御演示驗證任務(wù)。未來研究的重點是評估離子束引導(dǎo)方案對于不同的小行星軌道的影響以及與其它小行星防御方案之間的對比［15］。

2.4 技術(shù)途徑總結(jié)

通過對國外8種近地小行星防御技術(shù)途徑的調(diào)研，技術(shù)途徑總結(jié)如下:

（1）時間性:除核爆和撞擊屬于短期防御技術(shù)外，其余均為長期防御技術(shù)（幾年甚至十幾年）；長期防御技術(shù)要求航天器具有高的可靠度，一旦在任務(wù)期間發(fā)生不可修復(fù)的故障，會直接影響防御的效果，可能導(dǎo)致防御任務(wù)的失敗，所以針對長期防御技術(shù)應(yīng)該考慮備份手段；

（2）有效性:核爆是唯一可以應(yīng)對預(yù)警時間短、小行星尺寸大的技術(shù)途徑，具有最大的能量，但由于與空間核武器技術(shù)類似，所以受到政治等因素限制；撞擊進(jìn)行預(yù)警時間短的小行星防御，但整個系統(tǒng)部署、運行和維護(hù)需要耗費大量的財力，并需要國際合作建立快速反應(yīng)指揮控制中心，對小行星進(jìn)行不間斷的監(jiān)控，整個系統(tǒng)的建立可能需要10年甚至更長的時間；

（3）成熟性:各項技術(shù)多處于概念和設(shè)想階段，除了撞擊技術(shù)已在NASA的“深度撞擊”任務(wù)中測試，并且計劃在后續(xù)ISIS等任務(wù)中進(jìn)行進(jìn)一步驗證，其余均沒有通過在軌驗證；長期防御技術(shù)中，引力牽引和離子束引導(dǎo)相對成熟，可能在短期內(nèi)進(jìn)行在軌驗證；激光剝蝕技術(shù)曾經(jīng)被廣泛開展研究，但是未進(jìn)行過測試或在軌驗證，該技術(shù)達(dá)到成熟也需要較長的時間，但是一旦技術(shù)成熟，激光剝蝕技術(shù)將十分有效，甚至可以在大中型小行星防御中發(fā)揮作用。綜合考慮，所有技術(shù)中撞擊技術(shù)的成熟度和可靠性最高；

（4）方式性:采用單一的技術(shù)途徑完成防御任務(wù)的成功率較低，建議采用多種技術(shù)組合的方式。對于幾年甚至幾十年預(yù)警時間的近地小行星，改變其軌道所需的速度增量在厘米每秒量級，但即使是小尺寸的小行星質(zhì)量也是極大的，所以其所需能量也非常大；對于周期性穿過地球軌道的近地小行星，改變其軌道避免周期性與地球近距離交會所需的速度增量在毫米每秒量級。

小行星防御技術(shù)的優(yōu)缺點比較見表1。

表1 防御技術(shù)優(yōu)缺點比較Table 1 Advantages and disadvantages of the asteroid defense technologies

3 建議

通過上述分析，可以對我國小行星防御任務(wù)規(guī)劃得到如下啟示與建議:

（1）小行星預(yù)警時間的長短對小行星防御的成敗和方式的選擇有決定性作用，所以對小行星預(yù)警的研究也非常重要。建議我國應(yīng)盡快建立小行星跟蹤、監(jiān)視和預(yù)警體系，以地基為主，并納入國際聯(lián)測體系；同時發(fā)展自主的天基觀測能力，并能夠與地基系統(tǒng)配合工作；盡早對有威脅的小行星進(jìn)行預(yù)警，為航天器的研制和防御任務(wù)的實施爭取時間。

（2）小行星防御涉及到很多比較新的技術(shù)，比較共性的關(guān)鍵技術(shù)（可應(yīng)用于其他深空任務(wù)）包括小行星伴飛軌道和控制率設(shè)計、自主導(dǎo)航與管理、高精度指向控制、更長壽命電推進(jìn)（3～5萬小時）、高效能源等技術(shù)（含核能）；特有的關(guān)鍵技術(shù)包括高精度監(jiān)測及載荷、非合作目標(biāo)自主探測識別與跟蹤、小行星表面操作等技術(shù)。我國在小行星探測領(lǐng)域技術(shù)儲備不足，而且多項技術(shù)都具有很強(qiáng)的技術(shù)牽引作用，應(yīng)盡早開展相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

（3）可以通過其它深空任務(wù)對小行星防御技術(shù)進(jìn)行技術(shù)演示驗證，并將小行星防御納入到我國后續(xù)深空任務(wù)發(fā)展規(guī)劃中，在合適的時機(jī)選擇比較成熟的技術(shù)（例如動能撞擊、離子束引導(dǎo)等）開展對目標(biāo)小行星的防御任務(wù)。

（4）國際合作是深空探測未來的發(fā)展趨勢，特別是小行星防御任務(wù)，周期長、規(guī)模大、經(jīng)費多，影響面廣，更加需要各個航天大國開展通力合作，不僅可以分擔(dān)部分經(jīng)費，還可以促進(jìn)全球聯(lián)合小行星防御體系的建立。我國應(yīng)盡早參與到國際小行星防御政策的制定和專業(yè)組織體系中，爭取主導(dǎo)地位。

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（編輯：李多）

Summary of Near Earth Asteroid Defense Technology

LI Fei MENG Linzhi WANG Tong ZOU Leyang
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Eight kinds of near earth asteroid（NEA）defense technological approach are investigated in this paper，and are analyzed in the aspects including the basic concepts，advantages and disadvantages，adaptability，grade of maturity，and application.Most of the NEA defense technologies that have been presented internationally are in the concept phase.Except that the kinetic impact technology has been verified in the Deep Impact mission，none of the other technologies has been applied.The nuclear explosion and kinetic impact belong to the short-time defense technology，while the others are in the long-time（a few years to decades）defense technology category.The combination of multiple technologies is preferred in the defense mission as the success probability of applying any single existing concept or technology to complete the defense mission is low.Through the analysis of technological approaches，preliminary advices on carrying out the NEA defense mission by our country are propounded.Carrying out the technical tackle in time，conducting on-orbit demonstration and verification of the defense technology，advocating international cooperation and constructing the international NEA early warning and defense system are the main content of the advices.

near earth asteroid；defense；early warning；kinetic impact；ion beam shepherd； gravitational traction

V476.4

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.02.015

2015-01-07；

2015-03-03

國家重大航天工程

李飛，男，博士，從事深空探測器總體設(shè)計工作。Email：kuokuolee@163.com。