吳偉仁，唐玉華，李明濤

（1.深空探測實驗室 北京 100195；2.探月與航天工程中心 北京 100195；3.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 101499；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

引 言

近地小行星撞擊是人類社會面臨的重大災(zāi)難性威脅。歷史上近地小行星撞擊地球的事件多次發(fā)生，造成地球氣候環(huán)境的變化，甚至引發(fā)物種滅絕。科學(xué)界普遍認(rèn)為，6 500萬年前一顆直徑約10 km的近地小行星撞擊地球，導(dǎo)致了包括恐龍在內(nèi)全球75%物種的滅絕[1]。人類發(fā)展史上，多次發(fā)生的區(qū)域性小行星撞擊事件，給人類生產(chǎn)生活帶來了極大的危害，1.2萬年前新仙女木事件可能導(dǎo)致了北美克勞維斯人的滅絕[2]；明代甘肅慶陽隕石雨事件可能導(dǎo)致了大規(guī)模的人員傷亡[3]；1908年通古斯大爆炸焚毀了超過2 000 m2的原始森林[4-6]；2013年車?yán)镅刨e斯克事件導(dǎo)致接近1 500人受傷、3 000棟房屋受損[7-9]。

從統(tǒng)計學(xué)角度看，近地小行星撞擊地球事件在未來發(fā)生的可能性極大。開展行星防御是構(gòu)建人類命運共同體、賡續(xù)人類文明的必然要求[10-11]。在遠(yuǎn)古時期，亮星隕落被認(rèn)為是不祥之兆，但人類只能通過祈禱尋求上天的佑護。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步，人們對小行星隕落事件有了更科學(xué)的認(rèn)知，特別是航天技術(shù)的發(fā)展為防范化解小行星撞擊風(fēng)險提供了可能[12]。以美國為代表的西方國家早在20世紀(jì)90年代就開展了小行星防御研究，對動能撞擊[13]、核爆[14]等技術(shù)手段進行了探索。2000年以來，又先后提出了引力牽引[15-16]、離子束偏移[17]、拖船[18]、激光燒蝕[19-20]等多種技術(shù)手段。2013年車?yán)镅刨e斯克事件給人類社會帶來極大的震撼，引起了航天和天文界的高度關(guān)注，小行星在軌處置技術(shù)進入快速發(fā)展時期，提出了以“以石擊石[21]”“穿透棒[22]”為代表的新概念在軌處置技術(shù)，與傳統(tǒng)處置手段共同形成了10余種在軌處置技術(shù)體系。2022年，美國實施了全球首次小行星防御在軌試驗——雙小行星重定向測試（Double Asteroid Redirection Test，DART）[23]，是人類在小行星防御領(lǐng)域取得的又一重大突破。隨著小行星防御技術(shù)的不斷發(fā)展，人類必將掌握小行星撞擊風(fēng)險應(yīng)對主動權(quán)，為人類在地球上長遠(yuǎn)生存發(fā)展保駕護航。

本文首先根據(jù)航天器與小行星作用的方式，對小行星防御在軌處置技術(shù)進行梳理分類；分別對瞬時和持續(xù)作用在軌處置技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀方面進行全面綜述；從多角度對已有小行星防御在軌處置及關(guān)鍵技術(shù)進行分析；最后提出近地小行星防御在軌處置技術(shù)的發(fā)展建議。

1 在軌處置技術(shù)分類

小行星在軌處置的目標(biāo)是將小行星摧毀或者偏轉(zhuǎn)其軌道，以消除或減輕對地球的撞擊威脅。摧毀是通過爆炸或撞擊等方式將小行星破壞為小尺寸碎塊，在大氣層中燒蝕，從而消除或減輕小行星撞擊災(zāi)害；偏轉(zhuǎn)是通過對小行星施加作用力，使得小行星遠(yuǎn)離地球[24-27]。小行星在軌處置技術(shù)存在多種分類方式，如圖1所示。

圖1 近地小行星主要在軌處置技術(shù)分類Fig.1 Classification of near-Earth asteroid on orbit disposal technology

1）按照航天器與小行星作用的方式，可分為瞬時和持續(xù)作用處置技術(shù)。瞬時作用處置技術(shù)指航天器與小行星的作用時間極為短暫，甚至為一瞬間，比如核爆或動能撞擊；持續(xù)作用處置技術(shù)指航天器在較長的時間尺度對小行星持續(xù)施加微弱的作用力，從而緩慢改變小行星的軌道，比如引力牽引、離子束偏移、拖船、質(zhì)量驅(qū)動等。

2）按照航天器與小行星的接觸方式，可以分為接觸式和非接觸式處置技術(shù)。一般來說，接觸式處置技術(shù)對小行星的目標(biāo)特性更為敏感，比如動能撞擊等；非接觸式在軌處置技術(shù)受目標(biāo)特性影響更小，比如引力牽引、激光燒蝕等。

2 瞬時作用在軌處置技術(shù)

2.1 核爆處置技術(shù)

核爆是利用核裝置的巨大能量摧毀小行星結(jié)構(gòu)或者使小行星軌道發(fā)生偏轉(zhuǎn)[28-29]。其處置小行星主要有3種方式：對峙、表面和內(nèi)部核爆。

對峙核爆是在距離小行星表面一定距離處引爆核裝置，通過核爆產(chǎn)生的高能量射線將小行星表面物質(zhì)升華，產(chǎn)生一定的推力，使得小行星軌道產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)避免撞擊地球。表面核爆是在小行星表面引爆核裝置，從而將小行星摧毀。內(nèi)部核爆是在小行星內(nèi)部引爆核裝置，將小行星摧毀。

普遍認(rèn)為對峙核爆是相對較為安全的處置手段[30]；內(nèi)部核爆對小行星的摧毀效率更高，但實施難度大，主要在于如何將核裝置安置于小行星內(nèi)部。美國科學(xué)家提出了利用動能撞擊器首先在小行星表面形成撞擊坑，然后將核裝置部署在撞擊坑內(nèi)再引爆超高速小行星攔截飛行器（Hypervelocity Asteroid Interception Vehicle，HAIV）的方案[31]，如圖2所示。

核爆產(chǎn)生的能量Y0可描述為

其中：YWT為當(dāng)量質(zhì)量比率；mwh為核彈的當(dāng)量。

核爆的優(yōu)勢：①能量極高，可在較短的預(yù)警時間內(nèi)處置近地小行星撞擊風(fēng)險；②處置方式簡單、直接，適用場景較廣。核爆的弊端：①在研制、試驗、發(fā)射等環(huán)節(jié)存在安全風(fēng)險；②處置效果不確定度大，受小行星表面材質(zhì)和結(jié)構(gòu)影響很大；③核爆產(chǎn)生的碎塊仍然可能對地球構(gòu)成一定的威脅，從而造成次生災(zāi)害；④受到國際法的約束，開展核爆處置小行星試驗阻力較大[32-34]。

出于安全性等考慮，核爆一般作為其它處置手段無效時才被迫采取的措施。目前尚未有關(guān)于核爆處置小行星的在軌驗證計劃。美國提出了實施不攜帶核彈頭的模擬核爆處置小行星在軌驗證構(gòu)想，希望在未來開展其它處置技術(shù)在軌驗證時，開展核爆處置小行星的附帶技術(shù)驗證，對核爆處置小行星進行真實爆炸之外的全流程模擬，以提升核爆處置小行星技術(shù)的成熟度[35]。

聯(lián)合國空間任務(wù)咨詢組（Space Mission Planning Advisory Group，SMPAG）將核爆處置小行星技術(shù)成熟度評價為5～7級[36]，仍需突破關(guān)鍵技術(shù)，包括攜核航天器的安全技術(shù)、高速交會條件下實時引爆技術(shù)、核爆處置小行星的能量與動量傳遞機理、核爆對小行星的毀傷效應(yīng)建模、核爆產(chǎn)生碎塊次生災(zāi)害評估、核爆處置小行星的地面等效試驗技術(shù)。

2.2 動能撞擊處置技術(shù)

動能撞擊是通過航天器以一定的角度高速撞擊小行星，使小行星軌道產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而遠(yuǎn)離地球。從技術(shù)成熟度和可操作性等方面，被認(rèn)為是目前最簡單、可行的處置技術(shù)手段[13,37]。

動能撞擊處置效果受小行星材質(zhì)和結(jié)構(gòu)等因素影響較大[38]。一般用動量傳遞因子β[39-40]來表征撞擊效率，動量傳遞因子定義為小行星的動量改變量與撞擊器動量的比值。動量傳遞因子與小行星特性參數(shù)、撞擊器參數(shù)、撞擊場景參數(shù)等密切相關(guān)，難以在地面準(zhǔn)確建立數(shù)學(xué)模型和進行等效試驗，需通過空間試驗對動量傳遞因子模型進行標(biāo)定[41]，其撞擊原理如圖3所示。

圖3 動能撞擊基本原理圖Fig.3 Basic principle diagram of kinetic impact

動能撞擊對小行星速度改變量δv可描述為

其中：msc為撞擊器質(zhì)量；mast為小行星質(zhì)量；δvsc為撞擊速度。

2005年，美國“深度撞擊”（Deep Space）任務(wù)利用一顆372 kg的撞擊器以10.3 km/s相對速度撞擊“坦普爾一號”（9P/Tempel 1）彗星，初步驗證了動能撞擊小天體技術(shù)的可行性[42-43]。2022年，美國實施的DART任務(wù)如圖4所示。利用一顆重量約570 kg的撞擊器，以約6.3 km/s的相對速度撞擊了“狄迪莫斯”（Didymos）雙小行星系統(tǒng)中直徑160 m的子星“狄莫弗斯”（Dimorphos），并通過地基望遠(yuǎn)鏡對撞擊后雙小行星系統(tǒng)的繞轉(zhuǎn)周期改變量進行監(jiān)測。數(shù)據(jù)分析表明，撞擊試驗非常成功，將雙小行星系統(tǒng)的繞轉(zhuǎn)周期縮短了32 min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了此前預(yù)期的10 min；撞擊對小行星的速度改變量約為2.7 mm/s，動量傳遞因子約為2.2～4.9，相關(guān)成果發(fā)表在Nature上。這次試驗也獲得了Science等評選的2022年世界10大科學(xué)突破[23,38-40,44-45]。

圖4 “雙小行星重定向測試”任務(wù)Fig.4 Double steroid redirection test mission

盡管DART任務(wù)試驗非常成功，但并未完全驗證成功處置真實小行星撞擊場景所能達(dá)到的效果：DART撞擊的“狄迪莫斯”雙小行星系統(tǒng)有豐富的光學(xué)、光譜和雷達(dá)觀測資料，軌道、類型、自轉(zhuǎn)、大小等目標(biāo)特性信息較為明確，而在真實行星防御場景下，可能只有極為有限的目標(biāo)特性信息，對成功撞擊小行星提出了更大的技術(shù)挑戰(zhàn)；DART任務(wù)試驗對象的主星尺寸780 m、子星尺寸160 m，相對尺寸較大更容易實施撞擊，而實際上幾十米級的小尺寸小行星撞擊地球的概率更高、更暗弱處置難度也更大；DART任務(wù)為便于評估實施效果，選擇雙小行星系統(tǒng)作為試驗對象，評估其相對繞轉(zhuǎn)周期的變化，而真實行星防御場景需要評估小行星軌道相對地球距離的變化。

研究人員指出，在完成DART撞擊任務(wù)后，未來動能撞擊在軌驗證任務(wù)的發(fā)展方向為撞擊單體小行星而非雙星系統(tǒng)中的子星、撞擊更小的目標(biāo)（50～100 m）、更高速的撞擊（10～15 km/s）、直接測量日心軌道的變化[35]。鑒于小行星特性對處置效果具有較大的影響，美國行星科學(xué)建議美國下一次行星防御在軌驗證任務(wù)為獲取對小行星實施快速響應(yīng)抵近的特性[46]。

動能撞擊處置技術(shù)的優(yōu)勢：簡單、相對成熟、技術(shù)可行性好、適用場景較廣，對中小尺寸近地小行星處置效果較好。動能撞擊處置技術(shù)的劣勢為處置效果的不確定性大，效果受小行星表面材質(zhì)等因素影響較大，由于其為瞬時作用，實施后處置效果無法改變，短期預(yù)警時間場景下，難以處置中大尺寸小行星。

當(dāng)撞擊能量密度超過一定閾值時，動能撞擊也可能將小行星撞碎。美國學(xué)者提出利用多撞擊器對直徑150 m以下的小行星進行摧毀任務(wù)的概念[31]，并指出應(yīng)該區(qū)分動量撞擊（Kinetic Impact）和動能撞擊（Kinetic-energy Impact），前者目標(biāo)是為了偏轉(zhuǎn)小行星的軌道，后者目標(biāo)是為了將小行星撞碎。但由于動能撞擊效果預(yù)測極其困難，該提法并未被廣泛接受。

此外，為提高短時預(yù)警條件下動能撞擊防御小行星的快速響應(yīng)能力，歐洲航天局（European Space Agency，ESA）提出了FASTKD的任務(wù)概念，希望能夠?qū)⒌孛嫔腺A存或者研制中的同步軌道通信衛(wèi)星改造為動能撞擊器，對預(yù)警時間較短的小行星實施快速攔截[47]。通過部署天基攔截器也是提高動能撞擊響應(yīng)速度的途徑[48-49]。

SMPAG將動能撞擊處置小行星的技術(shù)成熟度度評價為5～7級[36]，但距離工程上成功應(yīng)用仍存在一定技術(shù)差距，需要開展相關(guān)技術(shù)攻關(guān)和試驗驗證，主要包括暗弱目標(biāo)的高精度導(dǎo)航技術(shù)、超高速撞擊高精度制導(dǎo)控制技術(shù)、超高速撞擊的地面等效驗證技術(shù)、動能撞擊處置小行星效果預(yù)測建模技術(shù)、動能撞擊處置小行星效果的觀測評估技術(shù)。

3 持續(xù)作用在軌處置技術(shù)

3.1 引力牽引處置技術(shù)

引力牽引是利用航天器運行在小行星附近，通過萬有引力牽引改變小行星的軌道，從而使得小行星遠(yuǎn)離地球。最早由美國華裔宇航員盧杰在2005年提出[15]，發(fā)表在Nature上，后續(xù)多國學(xué)者對其開展了理論分析與數(shù)值仿真研究[50-51]。

引力牽引處置技術(shù)包括2種形式：懸停在小行星前方或者后方固定的位置；運行在小行星前方或者后方的懸浮軌道上。一般而言，航天器與小行星的距離為1～2個小行星半徑。在小行星不規(guī)則引力場作用下，引力牽引航天器的軌道是不穩(wěn)定的，需要利用電推進系統(tǒng)實施實時軌道控制。

懸停引力牽引航天器的作用原理如圖5所示，懸停引力牽引航天器對小行星的作用力大小為

圖5 引力牽引Fig.5 Gravitational traction

其中：T為發(fā)動機推力；α為發(fā)動機安裝斜角。

引力牽引處置技術(shù)的優(yōu)勢：航天器不與小行星表面接觸，受小行星特性影響?。豢稍谲壵{(diào)控處置效果，處置精度高。引力牽引處置技術(shù)的劣勢：由于牽引航天器重量有限，作用力十分微弱，一般需要10年甚至20年以上的處置時間才能有效偏轉(zhuǎn)中等以上尺寸小行星軌道，實施周期長；航天器需要精準(zhǔn)控制相對小行星的軌道，對導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)要求極高；對傾角較高的目標(biāo)小行星，航天器軌道轉(zhuǎn)移能力要求高。

SMPAG將引力牽引處置小行星的技術(shù)成熟度度評價為3～6級[36]，工程實施還需要突破以下關(guān)鍵技術(shù)：①不規(guī)則小行星附近長期伴飛的高精度相對導(dǎo)航；②不規(guī)則小行星附近長期伴飛的高精度制導(dǎo)控制；③高比沖大推力電推進；④持續(xù)微弱牽引力作用下處置效能評估。

3.2 離子束偏移處置技術(shù)

離子束處置技術(shù)是指通過航天器離子推進系統(tǒng)噴射高速離子流到小行星表面，推動小行星改變軌道，使得小行星遠(yuǎn)離地球[17]。

離子束處置航天器需要懸停在小行星運行軌道前方或者后方一定距離處，懸停距離與電推進的離子束聚焦能力相關(guān)，離子束聚焦能力越強，懸停距離就越遠(yuǎn)，因此推進系統(tǒng)聚束能力是離子束偏移的核心關(guān)鍵技術(shù)。離子束偏移屬于非接觸式防御技術(shù)，對小行星特性信息不敏感。在噴射離子束的同時，航天器也會獲得加速度，為將航天器保持在小行星附近，還需在航天器另外一端施加反方向的軌道機動[52-54]，離子束偏移原理如圖6所示。

圖6 離子束偏移Fig.6 Ion beam

離子束航天器產(chǎn)生的推力大小為

其中：CHET為推力功率比；而Pin為推進系統(tǒng)的輸入功率。

離子束處置技術(shù)的優(yōu)勢：航天器不與小行星表面接觸，受小行星特性影響??；可在軌調(diào)控處置效果，處置精度高。離子束處置技術(shù)的劣勢：對導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)要求高，將航天器精確維持在小行星附近難度較大；在現(xiàn)有電推進系統(tǒng)的推力和聚束能力條件下，處置中等以上尺寸航天器仍然需要較長的實施周期；對傾角較高的目標(biāo)小行星，航天器軌道轉(zhuǎn)移能力要求高。

SMPAG將離子束偏移處置小行星的技術(shù)成熟度評價為3～6級[36]，工程實施還需要突破以下關(guān)鍵技術(shù)：離子束定向聚束、小行星附近長期伴飛的高精度相對導(dǎo)航、小行星附近長期伴飛的高精度位置保持控制技術(shù)、離子束處置小行星效能評估。

3.3 激光燒蝕處置技術(shù)

激光燒蝕是指通過航天器攜帶的高能量激光器，燒蝕小行星表面物質(zhì)產(chǎn)生推力，從而推動小行星改變軌道，使得小行星遠(yuǎn)離地球[19-20]。

激光強大的聚焦性，使得航天器無須過于接近小行星表面，降低了撞擊小行星表面的風(fēng)險。激光獨特的能量傳遞過程，不會改變航天器的自身軌道，降低了對軌道保持控制要求。其難點是研制高脈沖能量的空間激光器，目前技術(shù)成熟度還有待提升[55-60]。

激光燒蝕對小行星產(chǎn)生的作用力大小為

其中：ηLA為光電轉(zhuǎn)化效率；Cm為推力耦合系數(shù)，與小行星表面材料有關(guān)；Pin為激光器輸入功率。

激光燒蝕處置技術(shù)的優(yōu)勢：不與小行星表面接觸，受小行星特性影響?。辉谲壵{(diào)控處置效果，處置精度高；對軌道保持控制要求低。激光燒蝕處置技術(shù)的劣勢：高能量空間激光器技術(shù)尚不成熟，還有待進一步發(fā)展；其處置能力取決于激光器水平，處置中等以上尺寸近地小行星的難度大；對傾角較高的目標(biāo)小行星，航天器軌道轉(zhuǎn)移能力要求高。

SMPAG將激光燒蝕處置小行星的技術(shù)成熟度評價為3～6級[36]，工程實施還需要突破以下關(guān)鍵技術(shù)：高性能空間脈沖激光器、激光燒蝕小行星的沖量傳遞規(guī)律、小行星附近長期伴飛的相對導(dǎo)航控制、激光燒蝕小行星的處置效能評估。

3.4 拖船處置技術(shù)

拖船是指通過航天器捕獲或者附著在小行星表面，直接對小行星施加作用力，推動改變小行星的軌道，使得小行星遠(yuǎn)離地球[18,61]。

拖船技術(shù)的難點：小行星處于自轉(zhuǎn)中，需要對小行星實施消旋才能實現(xiàn)有效方向的作用力傳遞，否則就只能根據(jù)小行星自轉(zhuǎn)間歇性施加推力，影響作用效率；長期附著在微重力的小行星表面并且施加推動力面臨機構(gòu)機構(gòu)、能源、熱控等技術(shù)難題；很多小行星為碎石堆結(jié)構(gòu)，難以找到長期附著的穩(wěn)定表面，目前尚未有航天器在小行星表面長期附著。

拖船技術(shù)的優(yōu)勢：處置精度高，可在軌調(diào)控處置效果；手段直接，發(fā)動機推力直接作用于小行星，作用效率高；可應(yīng)用于小行星資源開采。拖船處置技術(shù)的劣勢：技術(shù)成熟度相對較低、受小行星表面材質(zhì)和地形地貌影響較大、對傾角較高的目標(biāo)小行星，航天器軌道轉(zhuǎn)移能力要求高。

盡管當(dāng)前小行星探測采樣技術(shù)、電推進技術(shù)等已經(jīng)具有較好基礎(chǔ)，但在小行星表面長期附著操作仍然面臨許多挑戰(zhàn)，SMPAG將拖船處置小行星的技術(shù)成熟度評價為1～2級[36]。拖船技術(shù)的工程實施還需突破以下關(guān)鍵技術(shù)：小行星的消旋定向、長期穩(wěn)定附著小行星的結(jié)構(gòu)機構(gòu)、長期穩(wěn)定附著小行星的導(dǎo)航制導(dǎo)控制、拖曳小行星的作用力傳遞機理與規(guī)律。

3.5 質(zhì)量驅(qū)動處置技術(shù)

質(zhì)量驅(qū)動是指通過航天器附著在小行星表面上，利用挖掘機構(gòu)獲取小行星表面物質(zhì)（石塊等），并高速拋射出去，推動改變小行星的軌道，使得小行星遠(yuǎn)離地球[61-62]。

在質(zhì)量驅(qū)動處置技術(shù)作用下，小行星獲得的動量Imd可表述為

其中：ve為拋射速度；mlaunch為拋射質(zhì)量。

質(zhì)量驅(qū)動處置技術(shù)需要在小行星表面施工難度極大，微重力環(huán)境下挖掘、高速拋射等技術(shù)尚不成熟，并且受小行星表面材質(zhì)和地形地貌影響較大。SMPAG將質(zhì)量驅(qū)動處置小行星的技術(shù)成熟度評價為1～2級[36]?？傮w而言，該技術(shù)成熟度較低、工程實施難度大，在小行星防御領(lǐng)域價值有限，應(yīng)用前景一般。

3.6 表面噴涂處置技術(shù)

表面噴涂是指通過航天器在小行星表面噴涂具有不同反照率的材料或者利用激光等改造小行星表面的物質(zhì)，從而改變小行星對陽光的吸收和反射，通過調(diào)控小行星熱輻射壓力的方式改變小行星軌道，使得小行星遠(yuǎn)離地球[57,63-64]。

表面噴涂技術(shù)本質(zhì)是對雅科夫斯基效應(yīng)的利用，由于雅科夫斯基效應(yīng)十分微弱，一般需要的作用時間較長。以貝奴（Bennu）小行星為例，雅科夫基斯效應(yīng)（圖7）在12年時間尺度對其軌道的影響僅185 km[65]。SMPAG將表面噴涂處置小行星的技術(shù)成熟度評價為1～2級[36]?？傮w而言，該技術(shù)成熟度較低，在小行星防御領(lǐng)域價值有限，應(yīng)用前景一般。

圖7 雅克夫斯基效應(yīng)Fig.7 Yarkovsky effect

4 新概念在軌處置技術(shù)

4.1 加強型引力牽引處置技術(shù)（Enhanced Gravity Tractor）

針對引力牽引作用力微弱、工程實施周期長等弊端，美國曾提出利用航天器捕獲巖石構(gòu)成加強型引力牽引器，快速改變小行星軌道的技術(shù)方案[66-67]，擬在2013年NASA提出的“小行星重定向任務(wù)（Asteroid Redirection Mission）”（該任務(wù)計劃從一顆碎石堆小行星上捕獲一塊重量約500～1 000 t的巖石，并將其拖曳到地月空間，但于2017年被取消）實施[68-70]。

加強型引力牽引處置技術(shù)是通過增加牽引器的重量，進而增強引力牽引效應(yīng)，來實現(xiàn)更快的軌道偏轉(zhuǎn)效果。根據(jù)仿真結(jié)果，加強型引力牽引方案可將工程實施時間縮短為傳統(tǒng)型引力牽引方案的1/10。其弊端在于只適用于碎石堆結(jié)構(gòu)小行星的防御。

加強型引力牽引處置技術(shù)尚處于概念設(shè)計階段，工程實施還需要突破小行星表面巖石的抓取技術(shù)、操控百噸級巖石長期伴飛小行星的導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)、小行星表面材質(zhì)與結(jié)構(gòu)的預(yù)測等關(guān)鍵技術(shù)。

4.2 “以石擊石”加強型動能撞擊處置技術(shù)

2020年，Li團隊論證提出了“以石擊石”加強型動能撞擊處置技術(shù)[21]，如圖8所示。通過航天器捕獲百噸級重量的巖石，構(gòu)成加強型動能撞擊器，顯著提升撞擊體的重量，從而提高對小行星的撞擊效應(yīng)。巖石可來自獨立的小尺寸小行星，也可以是其它碎石堆小行星上的巖石。仿真結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)動能撞擊，“以石擊石”可將小行星的軌道偏轉(zhuǎn)效果提升一個數(shù)量級。

圖8 以石擊石Fig.8 Enhanced asteroid deflector

“以石擊石”難點在于如何尋找到合適的巖石作為捕獲對象，以及如何捕獲巖石。盡管小尺寸小行星的理論群體數(shù)量巨大（直徑米級的近地小行星數(shù)量高達(dá)上億顆），碎石堆小行星也可以作為巖石的候選母體（已經(jīng)抵近探測的小行星大部分為碎石堆小行星），太陽系小天體之間近距離交會機會眾多，為選取合適的巖石提供了機會。但截止目前，人類編目的米級尺寸近地小行星仍然極為有限，對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的小行星是否為碎石堆結(jié)構(gòu)也了解有限，限制了“以石擊石”技術(shù)在現(xiàn)階段的應(yīng)用。

“以石擊石”處置技術(shù)目前尚處于概念設(shè)計階段，工程實施還需要突破目標(biāo)巖石的遴選技術(shù)、巖石捕獲技術(shù)、百噸級巖石操控技術(shù)、操控百噸級巖石撞擊小行星的高精度導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)。

4.3 “末級擊石”加強型動能撞擊處置技術(shù)

2021年，國內(nèi)團隊論證了“末級擊石”加強型動能撞擊技術(shù)[71]，如圖9所示。提出通過航天器與火箭末級的一體化設(shè)計，構(gòu)成加強型動能撞擊器，從而顯著提升撞擊體的重量，最終提升防御效果。仿真結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)動能撞擊，“末級擊石”可將小行星的軌道偏轉(zhuǎn)效果提升至3倍，可顯著提升防御直徑140 m級近地小行星的能力。

圖9 末級擊石Fig.9 Assembled kinetic deflector

美國于2008年試驗過利用一顆小衛(wèi)星攜帶火箭末級撞擊月球南極的任務(wù)[72]，星箭一體化設(shè)計在中國也有過探索實踐，因此“末級擊石”總體技術(shù)成熟度較高，是當(dāng)前面對中等及以上尺寸小行星撞擊威脅時的較優(yōu)選項。其難點在于撞擊器質(zhì)量增加后導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)難度也隨之上升。

“末級擊石”處置技術(shù)目前尚處于概念設(shè)計階段，工程實施還需要突破航天器與火箭末級一體化設(shè)計、航天器操控火箭末級的姿軌控系統(tǒng)設(shè)計、操控火箭末級撞擊小行星的高精度導(dǎo)航制導(dǎo)控制等關(guān)鍵技術(shù)。

4.4 “穿透棒”摧毀處置技術(shù)

2022年，美國學(xué)者提出了“穿透棒”摧毀處置技術(shù)，如圖10所示。針對預(yù)警時間較短的小行星，在小行星抵達(dá)地球前，通過釋放若干攜帶含能材料的穿透棒，對小行星實施摧毀，將小行星化為碎塊，在大氣層中燒蝕，從而減輕小行星撞擊危害。目前“穿透棒”技術(shù)已經(jīng)獲得NASA先進概念研究項目支持，正在開展深化研究[22]。

圖10 穿透棒Fig.10 Penetrating rod

“穿透棒”處置技術(shù)工程應(yīng)用還需要突破含能穿透棒設(shè)計、穿透棒在軌部署、穿透棒自尋的制導(dǎo)、穿透棒毀傷小行星效能評估、次生災(zāi)害評估等關(guān)鍵技術(shù)。

4.5 其它新概念在軌處置技術(shù)

2019年，美國學(xué)者提出了電磁牽引處置技術(shù)[73]，航天器攜帶超導(dǎo)線圈產(chǎn)生磁體，與部署在小行星上的磁鐵相互作用，從而利用電磁力牽引改變小行星的軌道。仿真顯示電磁牽引具有很高的效率，但對超導(dǎo)技術(shù)提出了很高要求，此外需要將磁鐵部署在小行星上對小行星表面操作提出了更高的要求。2021年，意大利學(xué)者提出了電磁牽引和引力牽引聯(lián)合處置技術(shù)概念[74]。此外，美國、巴西和加拿大組成的聯(lián)合研究團隊在2020年提出了通過千米長度的系繩將一個小尺寸小行星與一個大尺寸小行星連接，從而改變系統(tǒng)質(zhì)心最終偏轉(zhuǎn)小行星軌道的方法[75]。

5 綜合分析與發(fā)展建議

5.1 在軌處置技術(shù)手段綜合分析

從技術(shù)成熟度、場景適應(yīng)性、處置能力、處置精度、次生災(zāi)害、對目標(biāo)特性敏感程度等多角度對上述小行星在軌處置技術(shù)進行初步量化分析，為評判各處置技術(shù)手段的應(yīng)用前景提供初步參考。首先將各項指標(biāo)權(quán)重均設(shè)置為1，各指標(biāo)滿分為5，最低分為–5，對各處置技術(shù)進行評分，如表1所示?？梢缘贸龀醪浇Y(jié)論：動能撞擊、末級擊石、核爆、引力牽引和離子束偏移處置技術(shù)的應(yīng)用前景較好；拖船、激光燒蝕、加強型引力牽引、以石擊石和穿透棒等處置技術(shù)的應(yīng)用前景次之；質(zhì)量驅(qū)動和表面噴涂等處置技術(shù)，由于技術(shù)成熟度、對目標(biāo)特性敏感等，應(yīng)用前景較為一般。

表1 在軌處置技術(shù)綜合比較Table 1 Comparison of different on orbit disposal technologies

本文給出的指標(biāo)體系和評分具有主觀性，僅代表作者團隊的認(rèn)識，尤其是關(guān)于技術(shù)成熟度，以及部分新概念在軌處置技術(shù)的評價。實際上對在軌處置技術(shù)的評估是綜合的、復(fù)雜的，需要體系化的研究、分析和計算。后續(xù)根據(jù)技術(shù)發(fā)展情況，通過深入研究指標(biāo)體系構(gòu)成、各指標(biāo)的權(quán)重關(guān)系，構(gòu)建更為合理的指標(biāo)評價體系。通過系統(tǒng)調(diào)研和深入分析，對指標(biāo)權(quán)值進行更為客觀的量化。在此基礎(chǔ)上，對各種處置技術(shù)的應(yīng)用前景進行更精準(zhǔn)、可信的量化分析評估。表1給出的處置技術(shù)評估指標(biāo)、評分、排序和部分結(jié)論會有所變化。

5.2 在軌處置技術(shù)發(fā)展建議

小行星在軌處置技術(shù)發(fā)展程度不一、適應(yīng)場景不同、處置能力和精度各有特點，為建立有效保障處置能力，建議采取“夯實基礎(chǔ)、重點突破；由點到面、完善體系”的技術(shù)發(fā)展思路和“科學(xué)規(guī)劃、分階段驗證、逐步健全工程體系”的工程實施路線，全面推進在軌處置技術(shù)體系化發(fā)展。

1）加強近地小行星在軌處置技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，增強技術(shù)儲備

小行星在軌處置技術(shù)體系復(fù)雜，處置手段眾多，但總體上仍然處于早期發(fā)展階段，大部分在軌處置技術(shù)手段還處于理論研究階段，僅針對動能撞擊處置技術(shù)開展了初步的在軌驗證，距離防御真實小行星撞擊威脅存在較大的技術(shù)差距。小行星在軌處置技術(shù)涉及的學(xué)科交叉廣，包括航天工程、天文學(xué)、行星科學(xué)、力學(xué)、控制科學(xué)、系統(tǒng)工程等學(xué)科，需要開展多學(xué)科交叉研究。因此，需要加強近地小行星在軌處置技術(shù)的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，探索新概念行星防御機理與方案，夯實在軌處置技術(shù)基礎(chǔ)，為實施在軌驗證工程、形成在軌處置體系能力建立深厚的技術(shù)儲備。

2）開展應(yīng)用前景較好的處置技術(shù)在軌驗證方案論證，加快推進以動能撞擊處置技術(shù)為代表的在軌驗證任務(wù)的實施，初步建立處置能力

由于小行星防御的獨特性，無法在地面上對小行星在軌處置技術(shù)開展完整的真實尺度試驗，要形成面對真實近地小行星撞擊威脅的實戰(zhàn)能力，必須開展在軌演示驗證試驗，通過真實尺度的小行星防御技術(shù)試驗任務(wù)，驗證在軌處置的技術(shù)能力，掌握處置小行星的規(guī)律。因此需要優(yōu)選具有較好應(yīng)用前景的在軌處置技術(shù)，論證在軌處置技術(shù)方案，加快實施以動能撞擊為代表的較成熟處置技術(shù)的在軌演示驗證技術(shù)試驗，牽引深空暗弱目標(biāo)的高精度導(dǎo)航技術(shù)、超高速撞擊高精度制導(dǎo)控制技術(shù)、瞬時作用處置效果建模評估技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，建立初步的近地小行星在軌處置技術(shù)的工程實施體系，形成針對小尺寸近地小行星初步的瞬時作用、有效偏轉(zhuǎn)在軌處置能力。

3）持續(xù)完善小行星在軌處置技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施，形成較為完善的在軌處置能力體系

立足人類未來在地球上的長遠(yuǎn)生存發(fā)展，持續(xù)深化小行星在軌處置技術(shù)研究，完善其工程實施體系，分階段推動多種在軌處置技術(shù)方案的在軌演示驗證。

在完成瞬時作用在軌處置技術(shù)在軌驗證的基礎(chǔ)上，開展持續(xù)推離在軌處置技術(shù)的在軌驗證，牽引不規(guī)則小行星附近長期伴飛/附著的高精度相對導(dǎo)航技術(shù)、不規(guī)則小行星附近長期伴飛/附著的高精度制導(dǎo)控制技術(shù)、高比沖大推力電推進技術(shù)、持續(xù)微弱作用力長期作用技術(shù)、持續(xù)微弱力作用下處置效能建模評估技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，完善近地小行星在軌處置技術(shù)的工程實施體系，形成對近地小行星的持續(xù)作用、精準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)處置能力。

進一步結(jié)合在軌處置技術(shù)發(fā)展水平，適時完成多手段協(xié)同處置近地小行星的在軌驗證，拓展快速響應(yīng)在軌特性獲取能力，完善工程實施體系，豐富在軌處置手段，提升在軌處置能力，逐步建成“手段豐富、高效精準(zhǔn)、快速響應(yīng)”的在軌處置能力體系和工程實施體系，形成能夠在真實場景下處置不同預(yù)警時間（長期、中期、短期）、不同尺寸（小、中、大）、不同材質(zhì)（碳質(zhì)、巖石質(zhì)、金屬質(zhì)）、不同結(jié)構(gòu)（碎石堆、獨石）小行星撞擊事件的能力，并牽引行星科學(xué)、太空資源開發(fā)利用等科學(xué)研究與應(yīng)用協(xié)同發(fā)展。

6 結(jié)束語

自20世紀(jì)90年代以來，伴隨著彗木相撞和車?yán)镅刨e斯克事件的發(fā)生，小行星撞擊威脅日益引起全世界的關(guān)注。以歐美為代表的西方國家在近地小行星防御領(lǐng)域開展多種處置技術(shù)概念和方案的理論研究和探索，并實施了動能撞擊處置技術(shù)的在軌驗證。但距離真實應(yīng)對近地小行星撞擊還存在較大的技術(shù)差距，需要持續(xù)推進關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和在軌驗證任務(wù)實施。面向未來，建議全面推進在軌處置技術(shù)體系發(fā)展，通過實施在軌驗證任務(wù)掌握處置小行星的科學(xué)技術(shù)并逐步完善基礎(chǔ)設(shè)施，全面提升人類面對真實小行星撞擊威脅的處置應(yīng)對能力。