深空探测 | 国际小行星防御任务进展

深空探测 | 国际小行星防御任务进展

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概述

太阳系小天体包括小行星和彗星。小行星是指轨道环绕太阳运行、体积和质量比行星和矮行星小，并且不易释放出气体和尘埃的小天体。小行星主要由岩石和金属构成。彗星是指由于太阳辐射加热导致自身挥发性物质升华从而产生尘埃尾的小天体。彗星主要由水冰、岩石和尘埃构成。

如果小天体的近日点距离小于1.3AU（AU为天文单位，等效日地平均距离，约149597870.7km），则被称为近地小天体。近地小天体会进入地球轨道约4500万千米的范围内，是人类从安全角度重点关注的小天体群体。截至2024年11月14日，人类发现了36639颗近地天体，其中近地小行星36516颗（占比99.66%），近地彗星123颗（占比0.34%）。

近地小行星和近地彗星都存在撞击地球的可能性。科学界普遍认为6600万年前，一颗直径大约10km的小行星撞击地球导致了包括恐龙在内全球大约75%的物种灭绝。1908年发生在俄罗斯的通古斯大爆炸事件，则被认为是一颗彗星撞击地球导致的，也有观点是金属小行星飞掠大气层导致的。2013年发生在俄罗斯车里雅宾斯克地区的小行星撞击事件的肇事者被认为是一颗直径大约18m的近地小行星。这次事件在地广人稀的俄罗斯导致了大约1500人受伤、3000房屋受损，整体损失超过2亿元人民币。

由于近地天体中，近地小行星占据绝大多数，因此防御近地小天体撞击地球的任务往往被称为小行星防御。1994年的彗木相撞事件和2013年的俄罗斯车里雅宾斯克事件后，对近地小天体的防御工作逐渐提上日程。人类实施和规划了系列近地小天体的防御空间任务，包括具有小天体防御特色的科学探索任务[“深度撞击”（Deep Impact）、“奥西里斯-APEX”（OSIRIS - APEX）、“彗星拦截者”（Comet Interceptor）]和专用的小天体防御任务[“双小行星重定向测试”（DART）、“赫拉”（Hera）、“拉美西斯”（RAMSES）]。这些任务增进了人类对小天体及其防御的认知，为未来我们从容应对近地小天体的防御奠定了基础。下面按任务实施及计划时间顺序对这六项典型任务进行介绍。

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“深度撞击”任务

“深度撞击”是具有小天体防御特色的科学探索任务（图1），这类任务由科学探索部门立项支持，主要目标是探测小天体的物理化学及动力学特性，但其客观上增进了人类对小天体的认知、验证了小天体防御相关的关键技术、提高了小天体防御任务的技术成熟度。

图1 “深度撞击”任务

1994年3月24日，美国天文学家尤金·苏梅克和卡罗琳·苏梅克以及天文爱好者戴维·列维联手发现了“舒梅克-列维9号”彗星。轨道计算表明，这颗彗星碎块群将于1994年7月撞击木星，释放的能量将超过40万亿吨TNT烈性炸药爆炸时的能量。最大的一个碎块在1994年7月18日撞向木星，威力达到了6万亿吨TNT炸药（当量相当于当时全球核武器储备总和的750倍）。人类利用“哈勃空间望远镜”（Hubble Space Telescope）和正在飞向木星途中的“伽利略”（Galileo）探测器，对撞击现象进行了监视。这是人类第一次亲眼见证太阳系的大型撞击事件，给人类造成了极大的震撼。

1996年，三位美国科学家德拉米尔、贝尔顿和赫恩提出了撞击彗星的建议。这就是“深度撞击”任务的前身。他们希望能够通过撞击彗星，揭示彗星内部的物质成分。直到2000年5月，项目才最终通过了美国国家航空航天局（NASA）的批准获得立项。“深度撞击”是科学探索任务，目标是通过撞击在彗星表面形成撞击坑，从而研究彗星内部结构与物质成分，包括水冰和有机物的证据，为研究太阳系形成及地球上生命起源提供线索。

2005年1月12日，“深度撞击”任务在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射成功。任务由两个部分组成：飞越器和撞击器。飞越器质量约601kg，负责观测撞击效果；而撞击器质量约372kg，负责撞击彗星。经过174天的长途飞行，在2005年7月4日，美国庆祝“独立日”之际，“深度撞击”任务的撞击器以大约10.2km/s的速度撞击了直径约6km的“坦普尔一号”彗星的核心。这次撞击产生的能量相当于4.7吨TNT炸药的爆炸力。

飞越器利用携带的相机拍摄了撞击形成的闪光效应、溅射尘埃云和彗核。撞击器也拍摄了冲向彗星途中的照片，直到撞击前3s，图像通过观测器传回地球。科学家确认该彗星来自奥尔特云，并且表面孔隙率高达75%，内部孔隙率高达50%，比预想的更为“蓬松”。这些信息对防御彗星具有重要的参考价值。美国同步利用了地基望远镜和天基望远镜对撞击过程进行了监测。监测数据表明，估计至少2.5万吨水被撞击释放出来，远比预想要多。观测还显示大约12天后，彗星才恢复正常状态。

2011年，美国利用“星尘”（Stardust）探测器抵近该彗星时拍摄图像显示撞击坑直径约为200m。计算分析表明，撞击对彗星的轨道改变量过于微弱，无法通过地面或者飞行器评估此次撞击对彗星的轨道改变量。

尽管“深度撞击”任务不算一次行星防御任务，但该任务首次验证了人类有能力对小天体实施撞击，带动了深空导航制导与控制技术的发展。

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DART任务

DART是人类第一个专用的小天体防御任务（图2）。专用的小天体防御任务由行星防御部门立项支持，具有明确的行星防御验证目标。

图2 DART任务

DART任务由美国行星防御协调办公室立项支持，约翰霍普金斯大学负责设计、研制和运行并组织开展科学研究。DART任务是NASA与ESA联合实施“小行星撞击偏转与偏转评估”（AIDA）计划的美国负责部分。

DART主要任务目标是通过实施人类首次动能撞击小行星的在轨试验，验证动能撞击防御小行星涉及的深空高精度导航制导控制等关键技术，揭示动能撞击偏转近地小行星轨道的规律，为未来小行星防御任务提供指导和依据。

2021年12月24日，DART撞击器搭乘猎鹰-9（Falcon - 9）运载火箭发射升空，并于2022年9月27日对“迪蒂莫斯”（Didymos）双小行星系统的子星“迪莫弗斯”（Dimorphos）实施了撞击。

主星“迪蒂莫斯”直径约780m。子星“迪莫弗斯”直径约160m（图3），运行在相距主星约1.2km的轨道上，每11.9小时环绕主星运行一圈。DART任务正是通过迎头撞击改变子星“迪莫弗斯”相对主星的轨道，预期使其绕转周期缩短约10分钟。通过光学和雷达望远镜测量，可以评估出撞击导致的双小行星系统绕转周期变化，进而推算出撞击对“迪莫弗斯”小行星的轨道改变量。

图3 “迪莫弗斯”小行星（左）和撞击前图片（右）

DART撞击器发射质量约为610kg，撞击时质量约为579kg。DART撞击器携带两副大尺寸太阳能帆板，展开后单副帆板尺寸约为8.5m。DART撞击器利用化学推进剂开展轨道与姿态控制，携带60kg氙用于开展离子电推进的演示验证。DART撞击器还搭载了一颗约6U的立方星，用于对撞击后产生的溅射物进行拍摄。该立方星携带了“莱娅”（LEIA）黑白相机和“卢克”（LUKE）彩色相机。

2024年9月27日，DART撞击器在距离地球大约1100万千米之外，以大约6.1km/s的速度精准撞击了“迪莫弗斯”小行星。包括“哈勃空间望远镜”“詹姆斯-韦伯空间望远镜”（JWST）在内的大量天基和地基的光学/红外/雷达望远镜对这次撞击事件进行了观测。

后续对监测数据分析的表明，该撞击对双小行星系统的绕转周期改变量约为32分钟，是此前预期的3倍以上。DART任务也获得了《Science》期刊评选的2022年度世界十大科技进展之一。但由于负责观测的“意大利轻型立方星”（LICIACube）观测能力有限，目前还不清楚这次撞击对小行星地形地貌的改变。

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“赫拉”任务

“赫拉”任务是AIDA计划的欧洲航天局（ESA）负责部分，质量约870 kg（图4）。“赫拉”探测器于2024年10月7日在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角搭乘猎鹰-9发射升空，计划于2026年12月进入小行星轨道，对“迪蒂莫斯”双小行星系统进行绕飞探测，利用“赫拉”探测器和两颗立方星对DART任务形成的撞击坑进行详查，并精确测量小行星的质量。

图4 “赫拉”任务

“赫拉”携带的载荷包括小行星取景相机、微型激光雷达、热红外相机、超光谱相机、无线电设备，用于开展小行星表面物质成分探测、三维形貌测绘、引力场建模等。此外还搭载了“米拉尼”（Milani）和“朱文塔斯”（Juventas）两颗立方星。

“米拉尼”立方星（图5）主要用来观测小行星的表面光谱特征，携带两台载荷：挥发分原位热重分析仪和微型多光谱相机。挥发分原位热重分析仪专门用于检测小于5～10μm的尘埃颗粒的存在；检测挥发物（例如：水）和轻有机物（例如：具有低碳链的羧酸），并监测分子污染以支持立方星或卫星上的其他仪器。微型多光谱相机从可见光延伸到短波红外（SWIR）波长，用于获取小行星的物质成分。

图5 “米拉尼”立方星

“朱文塔斯”立方星（图6）将首次利用雷达回波研究小行星的内部结构。携带设备包括重力仪、合成孔径雷达，用于测量小行星表面和内部结构。

图6 “朱文塔斯”立方星

“赫拉”任务的行星防御科学目标是：① 详细地刻画小尺寸近地小行星的表面和内部物理化学特征；② 测量“迪莫弗斯”的质量以确定DART撞击的动量传递效率；③ 详细研究DART产生的陨石坑，以提高我们对陨石坑过程的理解以及陨石坑形成驱动动量传递效率的机制；④ 观察撞击导致的小行星微小动态变化（例如：由撞击、轨道和自旋激发施加的姿态章动）；⑤ 表征小行星表面和内部特征，以允许将动量传递效率扩展到不同的小行星。

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“奥西里斯-APEX”任务

“奥西里斯-APEX”任务（图7）由NASA发起，旨在研究将于2029年近距离飞掠地球的小行星阿波菲斯。“奥西里斯-APEX”任务是“奥西里斯-REx”（OSIRIS - REx）任务的延续，此任务是美国第一个小行星取样返回任务，于2016年9月8日发射升空。2023年9月24日，“奥西里斯-REx”探测器在将小行星“贝努”（Bennu）的样本送回地球后，拓展任务更名为“奥西里斯-APEX”。

图7 “奥西里斯-APEX”任务

阿波菲斯是一颗直径大约340m的近地小行星，于2004年由美国基特峰国家天文台发现。该小行星撞击地球的概率一度高达2.7%，一旦撞击地球，可能导致澳洲大小区域遭受严重灾难。尽管目前已经排除了该小行星撞击地球的可能性，但该小行星在2029年4月13日接近地球时，最近大约为31600km，比地球静止轨道卫星还近。阿波菲斯小行星的近距离飞越在天文史上是一件罕见的事件，为对其开展观测创造了千载难逢的机会。

按照规划，“奥西里斯-APEX”任务将经过多次地球引力辅助和深空机动，在阿波菲斯飞越地球大约一周后，2029年4月22日抵达该小行星轨道，对这颗S型小行星开展近距离观测。

任务计划研究这颗小行星因近距离飞越地球而引起的变化，并利用航天器的气体推进器试图驱散和研究阿波菲斯表面及下面的灰尘和小岩石。该任务对揭示潜在威胁小行星的物理化学特性具有重要意义。

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“拉美西斯”任务

“拉美西斯”任务（图8）是ESA提出的行星防御任务，旨在小行星阿波菲斯接近地球前抵达这颗小行星，对这颗小行星飞掠地球的过程进行全程跟踪监视。

图8 “拉美西斯”任务

“拉美西斯”任务的航天器平台继承自“赫拉”任务，载荷配置与“赫拉”任务相似。“拉美西斯”任务的主要目标是研究阿波菲斯小行星在地球强大潮汐力作用下的变化，这可能会引发小行星表面的山体滑坡和其他扰动，并从地表下露出新的物质。通过分析这些变化，科学家可以了解到小行星的组成、内部结构、内聚力、质量、密度和孔隙度，这些信息对于评估如何更好地将危险的小行星偏转出地球轨道至关重要。

该任务计划在2028年4月发射，以便在2029年2月抵达阿波菲斯。为了满足这一期限，ESA请求允许尽快利用现有资源开始任务的准备工作。ESA已经与承包方签订了价值6300万欧元的合同，开始进行任务的第一阶段开发工作。这包括采购某些时间敏感或长周期的设备，并完成探测器的总体设计。“拉美西斯”任务计划在2025年开展最关键的一次评估，如果评估通过，该任务将正式进入工程研制状态。

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“彗星拦截者”任务

“彗星拦截者”任务（图9）是由ESA发起的一项创新任务，它旨在访问一颗从未进入过内太阳系的原始彗星或星际物体。这项任务由3个航天器组成，包括1颗主航天器和2颗伴随航天器。“彗星拦截者”任务的核心科学目标是探测一颗原始彗星，这颗彗星可能来自遥远的柯伊伯带或奥尔特云，这些区域被认为是太阳系形成时遗留下来的原始物质的存储库。通过对这样的彗星进行研究，科学家们希望能够更好地理解太阳系的形成和演化过程。

图9 “彗星拦截者”任务

任务计划在2029年发射，届时“彗星拦截者”任务将被发射到日地拉格朗日L2点，在那里停泊等待一个合适的目标天体出现。一旦目标天体被确定，彗星拦截者将使用自己的推进系统变轨前往对该目标实施抵近探测。“彗星拦截者”任务的3个航天器将在接近目标彗星时分离，从不同的角度对彗星进行观测，以创建彗星的三维图像。这种多点测量将极大地提高我们对原始彗星动态特性的理解。

“彗星拦截者”任务不仅将为我们提供关于彗星的新见解，而且还将为太阳系早期条件的研究提供宝贵的数据，这对于理解太阳系的历史和未来具有重要意义。从行星防御的角度，“彗星拦截者”也具有高度价值。该任务不仅可以模拟在轨道上预置拦截器对突袭地球的地外天体实施拦截的行星防御模式，也可以模拟通过在轨道预置飞越器对具有潜在威胁的小行星实施快速响应抵近探测以获取其物理化学性质的任务模式。

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结束语

随着科技的不断进步，人类对宇宙的探索已经从单纯的观测转变为积极的应对。小行星和彗星作为太阳系中潜在的威胁，其对地球的撞击可能带来灾难性的后果。然而，正是这样的挑战激发了人类的智慧和勇气，推动了小行星防御技术的发展。从深度撞击任务的震撼一击，到DART任务的成功撞击，再到“赫拉”“奥西里斯-APEX”“拉美西斯”和“彗星拦截者”等任务的规划与实施，我们见证了国际社会在小行星防御领域的共同努力和雄心壮志。

毫无疑问，这些任务不仅会增强我们对小行星物理特性的认识，也为应对未来可能的撞击事件提供了宝贵的数据和经验。通过这些任务，我们学会了如何更精确地预测和改变小行星的轨道，如何更有效地监测和评估撞击效果，以及如何在撞击后对小行星进行详细的科学分析。

然而，目前已经发射和规划的行星防御任务并不能满足人类行星防御需求，主要原因如下：① 大部分任务为科学探索任务，重点在于获取近地小行星或者彗星的物理化学特性，并非针对行星防御需求设计，后者重点在于改变近地小天体的轨道或者破坏其结构；② 仅DART任务对动能撞击防御岩石质小行星进行了技术验证，考虑到小行星防御的手段复杂性以及小行星材质多样性，未来我们还需要开展更多类型小行星防御手段、针对更多材质与轨道类型的小行星防御验证任务；③ DART任务的目标小行星，在撞击前已经通过光学、雷达等观测手段获得了较多的观测数据，对其物理化学特征具有相对较为深入的认知，而将来我们应对真实小行星撞击场景时，可能面临近地小行星突袭的场景，可能缺乏对小行星物理化学特性开展观测的机会，因此还需要考虑小行星物理化学甚至轨道存在较大不确定性时的小行星防御问题；④ DART任务以双小行星系统为目标小行星开展防御试验，对测量与评估撞击效果非常有利，并未真正改变小行星相对太阳和地球的轨道，而真实小行星防御场景中，需要改变小行星相对太阳和地球的轨道。

未来，人类还需要针对单小行星开展更接近真实防御场景的小行星防御试验。只有充分地未雨绸缪，在有一天地球面对小行星撞击时，我们才能从容应对。