小行星撞击：一场关乎未来的“地球保卫战”

最近，在第三届深空探测（天都）国际会议上，中国工程院院士吴伟仁透露，我国正规划对一颗距离地球约1000万公里的小行星实施动能撞击，验证小行星防御方案的可行性。那么，航天器想要精准撞击小行星，改变其轨道，需要攻克哪些关键技术？从国外类似试验中，科研人员有望得到哪些启示？

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“太空台球”怎么打？

在数万颗近地小行星中，始终存在可能与地球“亲密接触”的不速之客，进而对航天器运行、人类生产生活乃至地球生命存续构成巨大威胁。

因此，解决小行星防御难题堪称守护地球安全的“必答题”。动能撞击小行星试验不仅将体现我国深空探测事业的新突破，更将直面打造“地球护盾”的核心挑战。

航天器撞击小行星效果图

从本质来看，航天器动能撞击小行星试验就是借助动量传递，尝试改变小行星运行轨迹。

根据物理学动量守恒定律，当航天器高速撞上小行星时，会将一部分动量传递给小行星，使后者获得额外的推力。这个推力看似微小，但在空气阻力微乎其微的太空中会经历为期数年甚至数十年的累积，促使小行星轨道明显发生偏移。

通过理论计算可知，发现1颗直径100米的小行星朝地球飞来后，如果科研人员及时发射1吨重的航天器，确保在小行星“原本应该”撞击地球10年前，令航天器以5公里/秒的速度撞击小行星，就有望使小行星轨道偏离约1000公里，最终避免与地球迎面相撞。

但这种“人为碰撞”的要求极为苛刻：一旦航天器速度不足，撞击迫使小行星偏离原轨道的幅度不大，或者小行星结构特殊，导致大部分撞击能量被小行星结构消耗，无法有效转化为推动轨道偏移的动量，那么小行星仍会按原轨迹飞向地球，即“护盾”失效。

而且，目前实施过的动能撞击小行星任务普遍是单一撞击器方案，主要发射一个撞击器，在地面测控和自主导航支持下撞向目标小行星。这类方案的优点是任务设计简单、成本低，有利于快速验证技术可行性。

但这一方案缺点也很突出——由于没充分掌握小行星的结构、自转关键参数等，撞击效果主要凭借事后推算，还依赖地面望远镜长期追踪，无法及时评估。

据公开资料显示，我国计划实施的动能撞击小行星任务将选择“伴飞+撞击+伴飞”方案：

第一步，观测器提前数月抵达目标小行星附近，通过抵近成像、光谱分析，摸清目标小行星的直径、形状、结构、自转速度等信息。

第二步，撞击器根据相关数据，调整速度、角度和落点，确保以最佳状态高速撞击目标小行星。

第三步，观测器留在目标小行星附近，持续监测其轨道、表面形貌变化和溅射物状况，实时评估撞击效果。

毫无疑问，该方案尽量做到“知己知彼”，有望大幅提升任务成功率，更全面地掌握试验信息，“代价”则是科研人员需努力攻克更多技术难关。

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“护盾”最怕“开盲盒”

动能撞击小行星技术想要真正成为“地球护盾”，必须完美地实施从精准抵达到动量传递再到效果验证的全流程试验，每一步均暗藏不容忽视的技术挑战。

航天器撞击小行星前需要精细地调整规避

在精准抵达方面，航天器面临的挑战堪称“亿里穿针”。目标小行星普遍距离地球数千万公里，还在以每秒数十公里的速度绕太阳公转，而航天器飞行速度也要维持在每秒数公里的级别。

在这种“双动态”场景下，导航误差随着飞行时间延长而不断累积：如果航天器飞行半年，初始0.1度的轨道误差就有可能造成航天器轨迹偏差数千公里，远远超过小行星的直径。

而且，观测器先期抵近探测目标小行星时，需要在极端温差和微重力环境中稳定运行并传回高精度数据。一旦成像设备出故障，或是光谱解析出错，就有可能造成科研人员和撞击器误判小行星结构，后续设定撞击角度、速度等参数时出现一连串失误。

在动量传递方面，其效率在很大程度上取决于小行星的物理特性：

如果是致密岩石天体，大部分撞击动能会变成内部冲击波，要么让岩石轻微形变，要么仅能震碎表面，小行星轨道改变效果会比较微弱。

如果是以砾石尘埃为主的碎石堆结构，撞击会迫使大量小行星表面物质飞溅，其反冲力反而会放大小行星轨道改变效果。

然而，人类对遥远的小行星结构认知就像“开盲盒”，即便观测器先期探测，也无法深入小行星内部。假如误判小行星结构，撞击效果有可能不及预期，甚至会造成小行星产生更多威胁地球的碎片。

此外，撞击器还需要“主动避障”，也就是发现小行星表面有较大的尖峰或坑洞后，及时调整轨迹，避免撞击“无效区域”。这对航天器自主决策能力提出了很高的要求。

在效果验证方面，天地观测设备需要紧密配合，准确评估小行星轨道改变效果。由于撞击小行星瞬间可能产生大量高速溅射物，观测器需要在安全距离上记录碰撞试验细节。同时，地面/空间望远镜努力穿透大气干扰，捕捉小行星轨道的细微变化。

更麻烦的是，科研人员解析数据将面临严重的复杂性。一方面，计算小行星轨道变化时，需要考虑太阳、行星等天体引力，权衡溅射物等造成的动量影响，微小误差就可能使评估出错。另一方面，针对撞击试验产生的大量碎片，需要额外调集力量，监测碎片轨迹，避免为地球带来新威胁。

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“先行者”教训要留心

2022年9月，美国双小行星重定向测试任务航天器以超过6公里/秒的速度精准撞击小行星迪莫弗斯，造成后者轨道周期缩短33分钟。

航天器协同观测小行星效果图

这是人类首次有意实施动能撞击、尝试改变小行星轨道的可行性试验，成就显著，但暴露了两大问题。

一是目标小行星的结构比预期更复杂。迪莫弗斯是碎石堆结构小行星，导致撞击溅射物质携带的动量竟是航天器的3倍多。而且，约70%的碎石形成了两个集群，科研人员推测可能是航天器的太阳能板先撞上了小行星表面巨石。

这表明小行星表层结构对撞击试验效果影响极大，如果事前不能充分掌握情况，评估难免失准，有可能削弱小行星轨道改变效果，甚至酿成意外风险。

二是溅射物的潜在威胁。这次撞击导致超过两万吨物质溅射，形成了数万公里长的尾迹，其中一些直径数米的碎石沿不同轨道飘散。虽然这些碎石在未来两万年内几乎不会危及地球，但对计划于2026年抵近观测的欧空局赫拉探测器威胁不小。

由于仅靠地面望远镜和极少数立方星无法全面评估撞击试验溅射物的影响，欧空局的赫拉探测器在2024年10月出征，准备利用先进成像、光谱设备，精准测量小行星轨道和旋转变化的效果。

随着时间推移，碎石轨迹势必会更复杂，赫拉探测器可能会被迫频繁变轨、精准导航避障，既妨碍深入研究撞击效果，又难免造成任务风险和成本大幅上升。

通过分析类似任务的经验教训，我国开展小行星防御任务需要关注3点：

一是强化前期探测，依靠观测器摸清小行星的结构、表面特征，为撞击参数优化提供依据。

二是建立天地协同的效果评估体系，伴飞探测器、地面望远镜等组网协作，准确评估小行星轨道改变和溅射物影响。

三是提升航天器自主导航性能，研发先进避障算法，应对未知的太空挑战。

总之，航天器动能撞击小行星，打造“地球护盾”，不仅是高难度技术探索，更是关乎人类文明存续的战略行动。从跨越千万公里级征程的精准导航，到探索未知小行星等天体结构，再到撞击后效果评估验证，每道难关均考验着航天技术与科学认知水平。

更重要的是，小行星撞击威胁是不分国界的，任何国家都不可能“单打独斗”。因此，各国和国际组织需要密切磋商，协调行动，借助技术进步，迎接“地球保卫战”，守护人类共同的未来。

来源/中国航天报、《飞天科普周刊》

文/田轩麾

编辑/杨斯爽

审核/穆檀、宿愿

监制/姜军