李海濤，辛?xí)陨?/p>

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

引 言

近年來，多顆近地天體以小于地–月距離，甚至小于地球同步軌道高度的距離飛掠地球。2013年2月俄羅斯車?yán)镅刨e斯克地區(qū)發(fā)生小行星墜入地球大氣層導(dǎo)致空爆事件，造成了大量人員傷害和財產(chǎn)損失[1]。類似的火流星事件在中國云南、吉林等地也多次發(fā)生。近地小行星防御已受到世界各國的廣泛高度關(guān)注[2-3]。

美國空軍早在2008年舉辦了“未來演習(xí)2009”桌面演習(xí)項目[4]，首次針對近地天體撞擊防御開展針對性模擬推演，旨在提升美國軍方及政府部門、研究機(jī)構(gòu)對近地天體撞擊事件的重視，明確各方職責(zé)范圍，識別應(yīng)對能力短板。之后，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）與美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局（Federal Emergency Management Agency，F(xiàn)EMA）聯(lián)合于2013—2016年先后組織了3次模擬推演，推演側(cè)重于演練近地天體撞擊災(zāi)害公共信息傳播、突發(fā)事件應(yīng)對和災(zāi)后救援等方面[5]。自2015年起，依托兩年一次的國際行星防御大會（Planetary Defense Conference，PDC），在NASA下屬行星防御協(xié)調(diào)辦公室（Planetary Defense Coordination Office，PDCO）指導(dǎo)下，由噴氣推進(jìn)實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）近地天體研究中心（Center for Near Earth Object Studies，CNEOS）和聯(lián)合國外層空間事務(wù)廳（United Nations Office for Outer Space Affairs，UNOOSA）國際小行星預(yù)警網(wǎng)（International Asteroid Warning Network，IAWN）聯(lián)合牽頭，常態(tài)化組織開展國際近地天體防御模擬推演，迄今舉辦了5期。該系列推演旨在全面演練和評估近地天體防御決策指揮流程和應(yīng)對措施，并通過推演暴露國際近地天體防御工作存在的問題。

本文概述了歷次國際近地天體防御模擬推演的基本情況，重點介紹了2019年和2021年2次模擬推演的具體情況并進(jìn)行對比分析。通過梳理與近地天體防御相關(guān)的監(jiān)測預(yù)警、撞擊風(fēng)險評估和在軌處置等各相關(guān)力量的組織流程和關(guān)鍵能力，提出對中國加強(qiáng)近地天體防御工作、組織開展近地天體防御模擬推演的啟示及思路建議。

1 國際近地天體防御模擬推演基本情況

國際近地天體防御模擬推演自2015年起，每兩年一次的國際行星防御大會常態(tài)化組織開展，負(fù)責(zé)推演目標(biāo)近地天體軌道設(shè)計、物理性質(zhì)設(shè)定和觀測數(shù)據(jù)仿真等相關(guān)推演想定場景設(shè)計。推演主要參加單位包括UNOOSA空間任務(wù)規(guī)劃咨詢小組（Space Missions Planning Advisory Group，SMPAG）、NASA戈達(dá)德航天飛行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）、艾姆斯研究中心（Ames Research Center，ARC）、桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratory，SNL）、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）和洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory，LANL）等3個美國國家實驗室，以及私營航天公司代表——美國宇航公司（Aerospace Corp.）。根據(jù)推演想定場景，各方結(jié)合專業(yè)領(lǐng)域優(yōu)勢參與模擬推演工作，各方主要分工負(fù)責(zé)詳見表1。

表1 國際近地天體防御模擬推演參演方分工Table 1 Participants and responsibilities of PDEs

CNEOS對歷次模擬推演的基本情況進(jìn)行了匯總并公布在官方網(wǎng)站（https://cneos.jpl.nasa.gov/pd/cs）。從假想目標(biāo)天體情況、監(jiān)測預(yù)警過程、在軌處置和撞擊災(zāi)害評估等方面對歷次推演進(jìn)行了概略總結(jié)（2023年模擬推演情況目前尚未完整公布）如表2所示。對比可得，歷次推演雖然科目和流程基本類似，但通過假想的目標(biāo)天體物理特性和軌道的多樣化設(shè)計，盡可能涵蓋各類防御場景，撞擊效應(yīng)建模和評估精細(xì)度也在不斷提升。

表2 歷次國際近地天體防御模擬推演基本情況Table 2 Basic facts about recent PDEs

2 近兩次國際近地天體防御模擬推演

2019年和2021年開展的2次國際近地天體防御模擬推演，分別針對撞擊區(qū)域為美國紐約和歐洲中部、撞擊預(yù)警時間分別為8年和6個月的小行星撞擊，在推演流程和應(yīng)急處置設(shè)計等方面具有一定的代表性。

2.1 2019年國際近地天體防御模擬推演

2019年4月底，第6屆國際行星防御大會期間在美國馬里蘭州的學(xué)院公園市舉行了2019年國際近地天體防御模擬推演[6]。

2.1.1 假定場景

2019年3月26日，位于美國夏威夷州毛伊島哈來亞卡拉峰（Haleakala Summit），近地天體巡天觀測項目“全景巡天望遠(yuǎn)鏡和快速響應(yīng)系統(tǒng)”（Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System，Pan-STARRS）的1.8 m口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡新發(fā)現(xiàn)了1顆近地小行星。該小行星發(fā)現(xiàn)時距地球0.38 AU，其有關(guān)信息在發(fā)現(xiàn)后第一時間迅速上報至國際小行星中心（Minor Planet Center，MPC），被命名為“2019 PDC”。在后續(xù)2 d的時間內(nèi)，世界各地參與近地天體觀測的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相繼組織對該小行星進(jìn)行跟蹤觀測，確認(rèn)了其軌道參數(shù)，其繞日公轉(zhuǎn)軌道周期約為2.7年，未來10年內(nèi)將會多次近距離飛越地球。CNEOS初步判定該小行星最可能將于8年后，即2027年4月29日與地球相撞?？紤]到該小行星軌道的不確定性，撞擊概率初步評估為1/50 000。同時根據(jù)測光觀測結(jié)果，初步確認(rèn)該小行星絕對星等為（21.7 ± 0.4）；但該小行星物理特性尚不清楚，由絕對星等反算得到的小行星直徑不確定度較大，初步判定其直徑范圍100～300 m，由此可能會造成區(qū)域性（幾百千米范圍）乃至洲際性（幾千千米范圍）的撞擊災(zāi)難。

2.1.2 推演過程

推演共持續(xù)5天時間。設(shè)定推演場景時間分別為2019年4月29日、2019年7月29日、2021年12月30日、2024年9月3日和2027年4月19日。推演流程如圖1所示。

1）推演第1天（2019年4月29日，預(yù)警后1個月）

經(jīng)過世界各地參與近地天體觀測的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一個月時間集中觀測，進(jìn)一步提高了2019 PDC的軌道確定精度，該小行星撞擊地球概率已升至1%。美國“近地天體寬視場紅外巡天探測器”（NEO Wide-field Infrared Survey Explorer，NEOWISE）天基紅外望遠(yuǎn)鏡已啟動跟蹤觀測，SMPAG也啟動了在軌處置任務(wù)初步方案設(shè)計。

2）推演第2天（2019年7月29日，預(yù)警后4個月）

通過多臺套地基米級口徑近地天體監(jiān)測專用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡持續(xù)觀測，2019 PDC的軌道確定精度得到進(jìn)一步提高，該小行星撞擊地球概率已升至10%，可能的撞擊區(qū)域沿東南到西北方向橫跨非洲、大西洋、北美和太平洋。5月初NEOWISE天基紅外望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果確定2019 PDC直徑為（185 ± 45）m，自轉(zhuǎn)周期約為12 h，但光譜類型和成分尚無法確定。ARC初步判斷撞擊事件釋放能量當(dāng)量可達(dá)（100～800）Mt，最多可造成1 900萬人受災(zāi)。

SMPAG推薦采用動能撞擊或者核爆偏轉(zhuǎn)2種在軌處置方式，動能撞擊偏轉(zhuǎn)指發(fā)射撞擊器直接與近地天體相撞，改變近地天體的飛行速度從而偏轉(zhuǎn)其運(yùn)行軌道；核爆偏轉(zhuǎn)指發(fā)射核爆裝置與近地天體交會，在近地天體表面一定高度處引爆核裝置，核爆產(chǎn)生的X射線燒蝕近地天體表面物質(zhì)形成的高速氣流沖擊近地天體，從而改變近地天體飛行速度進(jìn)而偏轉(zhuǎn)其運(yùn)行軌道。SMPAG建議于實施在軌處置任務(wù)之前，開展近地天體抵近探測任務(wù)，對近地天體質(zhì)量、成分等物理性質(zhì)及軌道、自轉(zhuǎn)狀態(tài)等進(jìn)行更精確的測量，以確保在軌處置任務(wù)的有效性，SMPAG組織相關(guān)單位完成了初步的任務(wù)方案設(shè)計。

3）推演第3天（2021年12月30日，預(yù)警后2年）

2021年6月發(fā)射的飛越探測器對2019 PDC的成像和光譜觀測結(jié)果表明該小行星為石質(zhì)細(xì)長橢球體形密接雙小行星，尺寸包絡(luò)260 m × 140 m × 140 m，根據(jù)密度和體積可更準(zhǔn)確地估計其質(zhì)量約為5 × 106t。此外，2019 PDC的軌道通過對飛越探測器定軌和對器載相機(jī)成像數(shù)據(jù)處理得到進(jìn)一步精化，撞擊地球概率確定為100%，撞擊區(qū)域縮小至美國中部科羅拉多州丹佛市。ARC分析2019 PDC進(jìn)入大氣層速度為19.1 km/s，空爆高度為6～9 km，爆炸當(dāng)量約為510 Mt（相當(dāng)于3.4萬顆廣島原子彈），預(yù)計受災(zāi)人口達(dá)330萬人，經(jīng)濟(jì)損失約200億美元。

自2019年起，共安排6套動能撞擊任務(wù)系統(tǒng)（3套主份、3套備份）研制，預(yù)計16個月后發(fā)射。交會探測飛行器計劃幾個月后發(fā)射，同時搭載核爆裝置。同時，臨時改換其它已在軌飛行的行星際探測器的預(yù)定探測目標(biāo)，計劃實施與2019 PDC的交會探測。

4）推演第4天（2024年9月3日，撞擊前3年）

由于各種有關(guān)核爆裝置使用爭議問題沒有得到及時解決，核爆處置任務(wù)未能實施。最終，共有3套動能撞擊器成功撞擊2019 PDC。同時臨時改換任務(wù)目標(biāo)的行星際探測器實現(xiàn)與2019 PDC交會，并對動能撞擊效應(yīng)進(jìn)行了抵近觀測。觀測表明第1套動能撞擊器撞擊2019 PDC時，一塊直徑為（65 ± 15）m的碎塊與小行星主體分裂，依然保留在原軌道附近；其余兩套動能撞擊器撞擊了2019 PDC主體，成功使得2019 PDC主體偏離原軌道。碎塊的準(zhǔn)確速度難以判定，交會探測器成像結(jié)果雖然無法準(zhǔn)確判定碎塊速度，但初步估計撞擊區(qū)域依然位于美國東部或大西洋。ARC初步判斷碎塊撞擊地球的能量當(dāng)量最大可達(dá)80 Mt，受災(zāi)人口可達(dá)1 100萬人。由于軌道幾何約束，動能撞擊實際發(fā)生位置與太陽角距離小于45°，此時地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡無法對其實施觀測。

SMPAG組織進(jìn)行了應(yīng)急核爆處置任務(wù)設(shè)計，考慮利用一發(fā)獵鷹重型運(yùn)載火箭發(fā)射170 kg 300 kt當(dāng)量核爆裝置對碎塊進(jìn)行核爆摧毀并完成了任務(wù)初步方案設(shè)計。仿真研究表明，在撞擊前60～120 d利用該核爆裝置對直徑50～80 m小行星實施在軌處置極大概率可避免其對地球造成嚴(yán)重威脅。

5）推演第5天（2027年4月19日，撞擊前10 d）

應(yīng)急核爆處置任務(wù)因敏感性和相關(guān)爭議問題懸而未決（主要集中于為防御近地小行星撞擊而實施外層空間核爆是否符合國際法[7]）最終未能如期發(fā)射。在過去3個月，多臺套地基近地天體監(jiān)測專用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡設(shè)備對2019 PDC撞擊后殘留的碎塊進(jìn)行持續(xù)觀測，精確軌道測定結(jié)果表明該碎塊仍會在4月29日撞擊地球，撞擊區(qū)域確定位于美國紐約市。

4月18日，美國305 m口徑阿雷西博行星雷達(dá)首次近距離對2019 PDC碎塊實現(xiàn)了成像和測量，進(jìn)一步確認(rèn)了其尺寸為（60 ± 10）m。ARC仿真預(yù)測結(jié)果表明撞擊時間為2027年4月29日12:01:38（美國東部時間），碎塊進(jìn)入大氣層速度約為19 km/s，進(jìn)入角77°。碎塊進(jìn)入大氣層后預(yù)計形成超級火流星，空爆高度13～15 km，爆炸當(dāng)量約15 Mt（相當(dāng)于1 000枚廣島原子彈），受災(zāi)人口可達(dá)約1 000萬人，經(jīng)濟(jì)損失740億美元。

2.2 2021年國際近地天體防御模擬推演

2021年4月底，第7屆國際行星防御大會期間（線上視頻會議）在奧地利維也納舉行了2021年國際近地天體防御模擬推演[8]。

2.2.1 假定場景

2021年4月19日，隸屬于Pan-STARRS近地天體巡天觀測項目的1.8 m口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡新發(fā)現(xiàn)了1顆近地小行星。該小行星在發(fā)現(xiàn)時距地球0.38 AU，其有關(guān)信息在發(fā)現(xiàn)后第一時間迅速上報至MPC，并被命名為“2021 PDC”。在后續(xù)2 d時間內(nèi)，世界各地參與近地天體觀測的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相繼組織對該小行星進(jìn)行跟蹤觀測，確認(rèn)了其軌道參數(shù)，并初步判定該小行星將于6個月后，即2021年10月20日，與地球相撞?？紤]到該小行星軌道的不確定性，撞擊概率初步評估為1/2 500。同時，根據(jù)測光觀測結(jié)果，初步確認(rèn)該小行星絕對星等為（22.4 ± 0.3）等，但該小行星物理特性尚不清楚，由絕對星等反算得到的小行星直徑不確定度較大，初步判定其直徑范圍35～700 m，由此可能會造成局部性（幾千米范圍）乃至洲際性（幾千千米范圍）的撞擊災(zāi)難。

2.2.2 推演過程

推演共持續(xù)4 d時間。設(shè)定推演場景時間分別為2021年4月26日、5月2日、6月30日和10月14日。推演流程如圖2所示。

圖2 2021年國際近地天體防御模擬推演主要流程Fig.2 Major scenarios and progress of 2021 PDE

1）推演第1天（4月26日，預(yù)警后1周）

經(jīng)過世界各地近地天體觀測光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一周時間的集中觀測，進(jìn)一步提高了2021 PDC的軌道確定精度，該小行星撞擊地球概率已升至5%，可能的撞擊范圍覆蓋全球2/3的區(qū)域。ARC綜合撞擊概率和撞擊能量分析，初步判斷撞擊事件最多可造成8 600萬人受災(zāi)。

2）推演第2天（5月2日，預(yù)警后2周）

Pan-STARRS近地天體巡天觀測項目通過回溯其歷史觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2014年曾成功獲取2021 PDC觀測數(shù)據(jù)，但在當(dāng)時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)并未及時做出響應(yīng)。進(jìn)一步綜合利用時間跨度達(dá)到7年的累積觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌預(yù)報，可以判定該小行星6個月后撞擊地球概率達(dá)到100%，撞擊區(qū)域為歐洲和北非。

同時，SMPAG組織GSFC等相關(guān)機(jī)構(gòu)開展了小行星在軌處置任務(wù)分析。分析結(jié)果表明，利用引力偏轉(zhuǎn)方式無法滿足在軌處置時效性要求，而利用動能撞擊偏轉(zhuǎn)方式則因為時間因素制約且速度增量要求過大也不可行。唯一可行的在軌處置方式為核爆偏轉(zhuǎn)。任務(wù)設(shè)計結(jié)果表明，可送達(dá)小行星附近的核爆裝置當(dāng)量可達(dá)4.5 Mt，足夠摧毀直徑在100～210 m范圍內(nèi)的小行星目標(biāo)。基于64%的核爆摧毀概率計算，采取核爆處置方式可將小行星撞擊受災(zāi)人口數(shù)目降低20%。為提高核爆處置的有效性，先期發(fā)射小行星抵近探測飛行器對小行星尺寸、構(gòu)成等相關(guān)的物理性質(zhì)進(jìn)行精確測量是十分必要的。但受到現(xiàn)有航天器研制和火箭快速發(fā)射能力限制，無法在6個月時間內(nèi)實現(xiàn)核爆處置任務(wù)發(fā)射，因此最終所有在軌處置方案均判定為不可行。

3）推演第3天（6月30日，撞擊前4個月）

通過地基米級口徑近地天體監(jiān)測專用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡以及包括4 m口徑的加拿大–法國–夏威夷在內(nèi)的大口徑天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡持續(xù)開展地面觀測，2021 PDC的軌道進(jìn)一步精化，撞擊地球的可能區(qū)域縮小至德國、捷克和奧地利。同時，美國NEOWISE天基紅外望遠(yuǎn)鏡通過大量曝光成像結(jié)果疊加，實現(xiàn)了對2021 PDC的探測，獲得了2021 PDC更準(zhǔn)確的尺寸估計值，直徑（160 ±80）m。ARC評估判定2021 PDC的大氣進(jìn)入速度約15.2 km/s，進(jìn)入角50°～55°，撞擊釋放能量當(dāng)量平均約為136 Mt，受災(zāi)人口數(shù)目最大可達(dá)660萬人。

4）推演第4天（10月14日，撞擊前1周）

在2021 PDC撞擊地球前1周，美國戈爾德斯頓太陽系雷達(dá)（Goldstone Solar System Radar，GSSR）實現(xiàn)了對2021 PDC的探測（探測距離6.3 × 106km），雷達(dá)成像結(jié)果精確測定2021 PDC直徑為（105 ± 10）m。同時精確的軌道測量進(jìn)一步提高了撞擊地球時間和區(qū)域的預(yù)報精度：撞擊時間確定為10月20日17:02:25（格林尼治協(xié)調(diào)世界時），誤差為1 s；撞擊區(qū)域范圍縮小至23 km，受影響區(qū)域范圍約300 km。

2.3 2次模擬推演情況對比

2019年和2021年2次國際近地天體防御模擬推演在想定場景和推演流程上存在一定不同，但也具有規(guī)律性和共同之處，2次推演主要對比情況如表3所示。負(fù)責(zé)災(zāi)害應(yīng)急救援工作的相關(guān)機(jī)構(gòu)或組織（如美國相關(guān)政府機(jī)構(gòu)FEMA）并未參加2次推演，所以2次推演流程均中止于小行星撞擊前1周左右，后續(xù)的災(zāi)害應(yīng)對、人員疏散及應(yīng)急救援等方面的演練工作并未開展，這也是公開的近幾次國際近地天體防御模擬推演的主要缺項。

表3 2019年和2021年兩次國際近地天體防御模擬推演對比Table 3 Comparison between 2019 PDE and 2021 PDE

3 近2次國際近地天體防御模擬推演分析

2019年和2021年舉行的2次國際近地天體防御模擬推演對除撞擊災(zāi)害應(yīng)急救援外的近地天體防御主要實施流程和應(yīng)對措施進(jìn)行了演練。以下對推演過程中反映的問題以及推演結(jié)果進(jìn)行概要分析。

3.1 近地天體防御實施流程

從近幾次模擬推演來看，近地天體防御實施流程主要可以分為監(jiān)測預(yù)警、撞擊風(fēng)險評估、在軌處置和應(yīng)急救援等4個方面，如圖3所示。

3.1.1 監(jiān)測預(yù)警

監(jiān)測預(yù)警的主要任務(wù)是對全天區(qū)進(jìn)行持續(xù)搜索探測，編目管理現(xiàn)有近地天體數(shù)據(jù)庫，同時識別新發(fā)現(xiàn)的近地天體，并基于持續(xù)的加密后，隨觀測對其可能撞擊地球的概率進(jìn)行預(yù)報預(yù)警。該任務(wù)主要由世界各地分屬多個國家的多臺米級口徑望遠(yuǎn)鏡承擔(dān)，設(shè)備共同納入IAWN，并依托MPC進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)匯總和發(fā)布。目前國際上主要的近地天體監(jiān)測項目都來自美國，包括卡特琳娜巡天項目（Catalina Sky Survey，CSS）、Pan-STARRS巡天項目、小行星地球撞擊最后預(yù)警系統(tǒng)（Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System，ATLAS）等，每年近97%新發(fā)現(xiàn)的近地天體均來自于這3個巡天觀測項目[9]。

在巡天項目每日例行的巡天觀測過程中，后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也在實時對觀測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)初步確認(rèn)目標(biāo)可能為一顆新發(fā)現(xiàn)的近地天體時，目標(biāo)觀測結(jié)果和初始軌道將第一時間發(fā)布MPC網(wǎng)站，同時IAWN所屬的世界各地光學(xué)望遠(yuǎn)鏡迅速組織對新發(fā)現(xiàn)的近地天體開展后隨觀測，并將觀測結(jié)果同步發(fā)布MPC網(wǎng)站。與此同時，CNEOS利用MPC匯總的數(shù)據(jù)實時對新發(fā)現(xiàn)的近地天體進(jìn)行精密軌道確定和撞擊地球概率計算，當(dāng)撞擊概率大于1%后，及時發(fā)出告警，以便進(jìn)一步組織后續(xù)天地基加密觀測和包括撞擊風(fēng)險評估和在軌處置任務(wù)分析在內(nèi)的應(yīng)急響應(yīng)行動[10-11]。隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新，撞擊概率也會進(jìn)行持續(xù)更新。隨著軌道確定精度的提高，撞擊概率可能會進(jìn)一步提高，也會因為排除了部分撞擊軌道的可能性轉(zhuǎn)而減小[12]。

3.1.2 撞擊風(fēng)險評估

專業(yè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對近地天體開展撞擊風(fēng)險告警和災(zāi)害評估。根據(jù)撞擊概率、近地天體軌道和物理性質(zhì)等信息，開展高超聲速空氣動力學(xué)和撞擊效應(yīng)建模計算，研判可能的撞擊區(qū)域及造成的災(zāi)害效應(yīng)，并對人員財產(chǎn)損失進(jìn)行評估[13]。

3.1.3 在軌處置

在監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警告的同時，SMPAG為主協(xié)調(diào)組織主要航天國家開展抵近探測和在軌處置任務(wù)方案設(shè)計。根據(jù)已有近地天體的軌道和物理性質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)有運(yùn)載火箭和航天器研制能力，尋求最佳的在軌處置任務(wù)方案。目前，主要可供選擇的在軌處置方案包括引力偏轉(zhuǎn)、動能撞擊和核爆摧毀。

特別說明的是隨著近地天體監(jiān)測數(shù)據(jù)的補(bǔ)充更新，獲取的近地天體軌道和物理性質(zhì)信息會得到精化，結(jié)果的不確定性會進(jìn)一步降低，撞擊預(yù)警、撞擊風(fēng)險評估及在軌處置設(shè)計也需要持續(xù)動態(tài)更新。

3.2 監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵能力

根據(jù)2021年模擬推演情況，可以看出全球布局聯(lián)動的米級口徑大視場光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測網(wǎng)是近地天體監(jiān)測預(yù)警的基礎(chǔ)。借助于大視場巡天觀測能力，美國年發(fā)現(xiàn)的近地天體數(shù)目占世界年總發(fā)現(xiàn)數(shù)目的96%以上。但是受限于米級口徑望遠(yuǎn)鏡觀測能力，對于較為暗弱的目標(biāo)的后隨精測需要依賴4 m以上大口徑望遠(yuǎn)鏡。2021年模擬推演中，由于6—10月小行星距離和觀測幾何限制，需利用地基4 m口徑CFHT望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行跟蹤觀測。同時由于地基觀測波段的限制，紅外波段的近地天體觀測只能依賴天基紅外望遠(yuǎn)鏡。利用近地天體紅外波段觀測數(shù)據(jù)可進(jìn)一步降低近地天體物理性質(zhì)特別是其尺寸的不確定度，2次模擬推演中，均利用美國NEOWISE天基紅外望遠(yuǎn)鏡觀測數(shù)據(jù)將小行星的直徑由幾百米縮小至幾十米的誤差范圍。此外雖然地基雷達(dá)探測能力具有一定的局限性，但其對準(zhǔn)確測量近地天體尺寸及自轉(zhuǎn)、形狀、表面物質(zhì)成分等物理性質(zhì)具有極其重要的價值，對近地天體準(zhǔn)確編目和撞擊短臨預(yù)報具有不可替代的作用。2次模擬推演中地基雷達(dá)在小行星撞擊前10 d左右、距地球6 × 106～1.3 × 107km處實現(xiàn)了對其成像測量，精確測定了小行星軌道，進(jìn)一步縮小了撞擊地球區(qū)域范圍；同時精確測定了小行星尺寸，提高了撞擊效應(yīng)建模和受災(zāi)人口數(shù)據(jù)估計精度。

3.3 撞擊風(fēng)險評估關(guān)鍵能力

撞擊風(fēng)險評估的2個主要關(guān)鍵能力為撞擊效應(yīng)建模和撞擊災(zāi)害評估。撞擊效應(yīng)建模主要指根據(jù)撞擊概率、近地天體軌道和物理性質(zhì)等信息，利用高超聲速空氣動力學(xué)模型和撞擊模型，對近地天體進(jìn)入大氣層后空爆導(dǎo)致的沖擊波超壓、熱輻射以及撞擊地表導(dǎo)致的地震、海嘯等各種效應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析計算。撞擊災(zāi)害評估則指根據(jù)撞擊各種效應(yīng)造成的毀傷能力，結(jié)合撞擊區(qū)域預(yù)報和人口分布情況，對受災(zāi)人口數(shù)目和可能造成的人員財產(chǎn)損失進(jìn)行評估[14]。2種能力的基礎(chǔ)是對近地天體軌道以及包括尺寸、構(gòu)成等的物理性質(zhì)的準(zhǔn)確測定和建模。撞擊風(fēng)險和災(zāi)害評估結(jié)果可直接用于指導(dǎo)在軌處置任務(wù)方案設(shè)計和應(yīng)急災(zāi)害救援行動。

3.4 在軌處置關(guān)鍵能力

在軌處置主要手段包括引力偏轉(zhuǎn)、動能撞擊以及核爆偏轉(zhuǎn)或摧毀，所需關(guān)鍵技術(shù)主要包括超高速航天器精確導(dǎo)航制導(dǎo)、抵近探測器遠(yuǎn)距離操控和自主控制、動能撞擊及核爆效能建模仿真和評估、動能撞擊器/核爆裝置的快速發(fā)射和在軌預(yù)置等[15-16]。其中，核爆裝置的快速發(fā)射技術(shù)是2021年模擬推演中在軌處置任務(wù)無法實施的關(guān)鍵制約因素；而動能撞擊效能評估的失誤則導(dǎo)致2019年模擬推演中在軌處置后遺留形成了直徑約60 m的小行星碎塊，同時撞擊區(qū)域由人口較少的科羅拉多州轉(zhuǎn)移至人口密集的紐約市，反而加劇了撞擊可能造成的損失。

4 思考與啟示

通過對近2次國際近地天體防御模擬推演在監(jiān)測預(yù)警、撞擊風(fēng)險評估和在軌處置等近地天體防御主要流程的想定推演過程進(jìn)行分析研究，可提供以下思考啟示。

1）常態(tài)化組織實施近地天體防御演習(xí)

國家層面應(yīng)常態(tài)化組織實施近地天體防御演習(xí)、理順指揮隸屬關(guān)系、完善組織指揮流程、摸清防御處置底數(shù)、識別系統(tǒng)差距短板。充分發(fā)揮不同單位在指揮控制、監(jiān)測預(yù)警、態(tài)勢感知、發(fā)射測控、在軌操控等領(lǐng)域優(yōu)勢，閉環(huán)近地天體防御演習(xí)全流程。通過相關(guān)演習(xí)演訓(xùn)，推動國家相關(guān)能力和裝備的建設(shè)、集成和應(yīng)用，促進(jìn)近地天體防御力量全面發(fā)展。

2）建立獨立自主監(jiān)測預(yù)警體系

應(yīng)依托現(xiàn)有光學(xué)射電天文觀測網(wǎng)、態(tài)勢感知系統(tǒng)和深空測控網(wǎng)，建立獨立自主的地基光學(xué)、雷達(dá)聯(lián)合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)方面，對標(biāo)國際光學(xué)望遠(yuǎn)鏡性能指標(biāo)，建造10 m以上的大口徑望遠(yuǎn)鏡，提高對近地天體的跟蹤精測能力。同時可以配套建設(shè)多臺米級口徑大視場光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，建立大視場望遠(yuǎn)鏡巡天預(yù)警機(jī)制。雷達(dá)系統(tǒng)方面，可考慮依托中國現(xiàn)有深空測控網(wǎng)喀什35 m深空測控設(shè)備，配置大功率X頻段和Ka頻段發(fā)射機(jī)，構(gòu)建發(fā)射天線陣列，與其它深空測控設(shè)備和中國科學(xué)院射電天文觀測網(wǎng)大口徑射電望遠(yuǎn)鏡配合，共同組成雷達(dá)探測系統(tǒng)，開展地基雷達(dá)對同步軌道帶目標(biāo)的跟蹤測量演示驗證；后續(xù)通過建設(shè)多臺35 m天線設(shè)備，擴(kuò)大喀什深空發(fā)射陣的規(guī)模，分階段實現(xiàn)對距地球1.5 × 107～7.5 × 107km范圍內(nèi)近地天體跟蹤測量，達(dá)到或優(yōu)于美國近地天體雷達(dá)探測系統(tǒng)的探測能力[17]。此外，2022年北京理工大學(xué)雷達(dá)研究所利用分布式相參雷達(dá)深空探測技術(shù)[18]，聯(lián)合相關(guān)單位提出并開展建設(shè)“超大分布式孔徑雷達(dá)高分辨率深空域主動觀測設(shè)施”，該設(shè)施第1期系統(tǒng)由4臺16 m分布式孔徑雷達(dá)組成，已成功獲得了對月球觀測的雷達(dá)圖像，設(shè)施遠(yuǎn)景計劃由多部25～30 m孔徑的分布式雷達(dá)組成，預(yù)計可有效提升中國近地小行星防御、行星形成機(jī)理探索能力[19]。

為彌補(bǔ)地基觀測盲區(qū)，需要進(jìn)一步建立天基紅外巡天探測系統(tǒng)[20]，研制發(fā)射紅外巡天探測望遠(yuǎn)鏡，提高近地天體發(fā)現(xiàn)探測能力和精度，同時可兼顧地月空間目標(biāo)監(jiān)視，與地基雷達(dá)探測系統(tǒng)配合，對地月空間目標(biāo)進(jìn)行精密監(jiān)測跟蹤。

3）發(fā)展應(yīng)急處置裝備快速研制和應(yīng)急發(fā)射能力

為有效應(yīng)對近地天體撞擊地球風(fēng)險，快速及時地對可能撞擊地球的近地天體實施在軌處置，需要發(fā)展相應(yīng)裝備的快速研制采購和應(yīng)急發(fā)射能力。充分發(fā)揮各航天工業(yè)部門的航天器研制能力，并進(jìn)一步提升現(xiàn)有發(fā)射場系統(tǒng)和測控系統(tǒng)支持在軌處置系統(tǒng)進(jìn)入太空能力，為及時實施撞擊近地天體在軌處置任務(wù)、有效應(yīng)對近地天體撞擊威脅提供可靠支持。

4）發(fā)展近地天體抵近操作和在軌處置能力

基于現(xiàn)有空間操控及高速高精度制導(dǎo)導(dǎo)航能力，積極開展近地天體抵近操控和在軌處置關(guān)鍵技術(shù)研究，并盡快啟動相關(guān)主動防御技術(shù)在軌演示驗證試驗任務(wù)[21]，為有效防御近地天體撞擊威脅奠定工程技術(shù)基礎(chǔ)。同時，應(yīng)加強(qiáng)以近地天體核爆處置為代表的在軌處置方式方面的國際法研究，積極參與國際組織相關(guān)規(guī)則制定，充分做好國際法理研究準(zhǔn)備，有效維護(hù)國家利益和人類安全。

5 結(jié) 論

本文主要對近年來近地天體防御模擬推演的概況進(jìn)行了介紹，重點針對代表性較強(qiáng)的2019年和2021年模擬推演，從參演單位、場景假定、推演流程和結(jié)果方面進(jìn)行了對比討論，并結(jié)合模擬推演過程對監(jiān)測預(yù)警、撞擊風(fēng)險評估和在軌處置等近地天體防御全流程進(jìn)行了梳理和關(guān)鍵能力分析，最后從常態(tài)化組織國家層面的近地天體防御演習(xí)、建立獨立自主的監(jiān)測預(yù)警體系、提升應(yīng)急處置裝備快速研制和應(yīng)急發(fā)射能力以及推動近地天體抵近操作和在軌處置能力發(fā)展等方面提出了思考啟示，以期對中國近地天體防御工作提供借鑒參考。