近年來，隨著天文觀測技術的進步，人類對近地小行星的認識不斷加深。這些小行星由於軌域接近地球軌域，對地球可能構成潛在威脅。為此，中國計劃在2030年前後實施首個近地小行星防禦任務，初步明確以小行星2015 XF261為目標。這項任務不僅展示了中國在空間科學領域的技術實力，也標誌著中國在應對全球性自然災害方面邁出了重要一步。
近地小行星
近地小行星是指那些軌域與地球軌域接近的小行星，如果近地小行星與地球發生撞擊，可能造成巨大災害。我們不需要過度驚慌，這些小行星與地球碰撞的概率極低，例如，一顆直徑為1km的小行星大概每五十萬年才和地球相撞一次。
但這並不意味著我們要對此視而不見，高枕無憂。
回顧歷史，小行星曾多次撞擊地球，甚至造成生態環境災變和物種滅絕。小行星撞擊被認為是6600萬年前恐龍滅絕的主要原因。另外，1908年發生的通古斯大爆炸事件，就是由於一顆小行星或彗星在西伯利亞上空爆炸，摧毀了2000多平方公裏的森林。當時的科技對這樣的災害無能為力，只能任其發生。
為提高人們對小行星撞擊危害的認識，2016年聯合國大會第A/RES/71/90號決議正式將每年6月30日定為國際小行星日。
近年來，隨著科學技術的發展，人類已經具備了對小行星撞擊地球事件進行幹預的能力。2022年，NASA成功實施了雙小行星重新導向測試（DART）任務，透過動能撞擊改變了小行星Dimorphos的軌域，證明了此類技術的可行性。
2022年9月26日，DART撞擊了小行星Dimorphos，這是一個直徑僅為530英尺（約160米）的小天體。它繞著一顆更大的2560英尺（約780米）小行星Didymos執行。（圖片來源：NASA官網）
隨著航空航天技術的發展，中國近年來也開始開展有關近地小行星防禦的研究。這類研究不僅是保護地球生命和財產安全的必要，也是提升國家科技水平糊國際影響力的重要舉措。
中國計劃在2030年前後實施首個近地小行星防禦任務。此次任務的目標是實施動能撞擊演示驗證實驗，初步選定小行星2015 XF261為撞擊目標。長期規劃是在2025—2035年設計並實施3—5次近地小行星防禦任務。自2023年4月公布任務以來，中國向全球征集任務名稱、規劃和方案，吸引了廣泛關註和參與。
我們選定的小行星2015 XF261是一顆直徑約為170米的小行星，其半長軸約為1.1天文單位（天文單位是指地球到太陽的平均距離，約為1.5億公裏），執行軌域與地球軌域有較高的交會概率（即小行星軌域和地球軌域相交的機會較大，如下圖所示）。
這是小行星 2015 XF261在2016年11月24日的位置，Earth=地球。從圖中可以看出兩者的軌域有較大的交匯率，便於進行撞擊實驗。
（圖片來源：The planetary society）
這個小行星的公轉周期約為1.3年，軌域偏心率為0.23（軌域的橢圓程度，數值越大表示越偏離圓形，圓形的偏心率是0），軌域傾角為7.8度（小行星軌域平面與地球軌域平面的夾角）。這些特性使其成為動能撞擊實驗的理想目標。此外，該小行星的軌域較為穩定，且距離地球相對較近，便於觀測和測量撞擊效果。
動能撞擊防禦技術
動能撞擊防禦技術是目前防禦小行星撞擊地球的相對簡單的方法，其基本原理是透過高速撞擊體直接撞擊小行星，以改變其軌域，從而避免其與地球相撞。該技術具有技術成熟度高、啟動迅速、靈活性強等優點。
然而，動能撞擊防禦技術也存在一些缺點。
首先，小行星的幾何形狀和自轉會影響撞擊效果，如果撞擊體未能準確命中預定部位，可能導致軌域偏移效果不如預期效果。
其次，小行星的材質結構多樣，可能含有多種金屬和松散的巖石，這些不同的材質可能會吸收或分散撞擊能量，使軌域變化達不到預期效果。
此外，動能撞擊可能產生大量碎片，這些碎片可能繼續沿原軌域執行或形成新的威脅。
為此，中國科學家提出了「以石擊石」和「末級擊石」兩種加強型動能撞擊防禦技術，以應對這些挑戰和局限。
「以石擊石」方案是借力打力，是用小行星去撞擊小行星。具體來說就是在具有高威脅性的小行星附近捕獲一個更小尺寸的小行星（幾噸到幾百噸都有可能），然後控制這個被捕獲的小行星去撞擊對人類有威脅的小行星（質素通常遠遠大於幾百噸）來改變它的軌域。
「末級擊石」是指用航天器火箭末級組合的動能撞擊隕石或者小行星。這種方案中，火箭末級帶著航天器進入太空後，不進行傳統的星箭分離動作。火箭上的航天器可以負責軌域和姿態控制，火箭末級則負責提供撞擊所需要的大質素，兩者一起撞擊小行星。火箭末級本身的大質素能提升撞擊小行星的效率，以便更好達到偏轉小行星現行軌域的目的。
動能撞擊防禦技術原理圖。透過發射火箭撞擊小行星來改變小行星的軌域，從而使地球避免遭到撞擊。（圖片來源：作者自制）
當然，這兩種方案的可行性還需要實驗檢測，在任務實施過程中可能面臨的技術挑戰包括精確控制撞擊體和評估撞擊效果等。精確控制撞擊體需要高精度的導航和控制技術，而評估撞擊效果則需要對小行星表面的物理和力學性質有深入了解。這些挑戰將推動中國在相關技術領域的研究和發展。
結語
防禦小行星是一個具有挑戰性的問題，對於短期預警小行星，目前沒有特別有效的防禦方法。所以，提前預警在防禦小行星撞擊地球方面十分重要，預警提前的時間越多，留給我們準備的時間也就越充足。隨著中國航空航天技術的發展，中國將在小行星探測和預警方面做出更多的貢獻。透過持續的技術創新和國際合作，中國也有望在小行星防禦領域取得更多突破，為全球應對小行星威脅做出我們的努力。
出品：科普中國
作者：星之隊（青年學者）
監制：中國科普博覽
