空间中心科研人员提出应对小尺寸小行星突袭的“天基碎石”防御方案

等效直径40米以下的近地小行星数量多、撞击地球可能性更高、灾难不容忽视，但其反光能力弱、监测难度大，只有在距离地球较近时才可能被地面上的望远镜所发现。2013年一颗直径大约18米的小行星在俄罗斯车里雅宾斯克地区空爆，导致了接近1500人受伤。人类目前所发展的小行星防御技术往往需要年、甚至十年量级的预警时间才能发挥有效作用，缺乏有效手段应对小尺寸小行星的突袭灾难。

中国科学院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室李明涛研究员团队提出在地月系统L3、L4、L5点轨道部署可“兼顾”小行星防御的航天器，构成相对地球相位相差120°的天基拦截星座系统，从而具备拦截不同方向来袭小行星的潜力。航天器日常执行空间科学、导航通信和小行星监测预警等常规任务，在面临小尺寸小行星突袭时，航天器变轨拦截来袭小行星，在地球引力影响球之外将小行星撞成碎块，从而减缓甚至消除小行星突袭导致的危害。

图1  “天基碎石”行星防御任务方案示意

为了验证地月平动点天基拦截星座的轨道拦截能力，科研人员参考2030至2035年间近距离飞掠地球的10颗等效直径在20至50米之间的小行星，通过对小行星轨道施加微量扰动，将其“人为”变成撞击地球的虚拟小行星，并模拟对其实施拦截防御。数值模拟结果表明，在预警时间为2周、有效处置时间为1周的条件下，地月平动点天基拦截星座能在地球100万公里外拦截目标小行星，所需的拦截速度增量均小于2km/s，并且拦截速度在8km/s以上，具有较高的拦截能量密度。

表1 天基拦截星座对虚拟小行星的拦截轨道优化结果

为了进一步分析对小行星的拦截效果，分别通过撞击破碎的理论判据和自适应光滑粒子流体动力学数值仿真，对小行星是否破碎进行了分析。分析表明，对于直径40米以下的岩石质小行星，航天器能够有效破坏小行星的结构、甚至将其解体为碎块，从而在大气层中烧蚀，减缓其对地球可能产生的撞击危害。

图 2直径40米单体岩石结构小行星撞击效应仿真

（a：损伤剖面；b：速度剖面；c 速度矢量）

该处置方法被称为“天基碎石”，为极短预警时间条件下（两周）防御等效直径40米以下的小行星撞击事件的提供了潜在解决方案。“天基碎石”与此前该团队提出的“以石击石”、“末级击石”，共同构成新概念动能撞击“三部曲”，为应对直径300米、140米和40米级近地小行星撞击威胁提供了创新解决方案。

该研究得到空间碎片与近地小行星防御科研专项（KJSP2023020303）和国际宇航联第8届行星防御大会资助，发表在航天工程领域国际期刊Acta Astronautica上，第一作者是中国科学院国家空间科学中心博士研究生王楷铎，通讯作者是李明涛研究员，合作者还包括中国科学院国家空间科学中心工程师周琪和博士研究生刘晏东。

引用：[1]Wang K, Zhou Q, Liu Y, et al. Research on space-based kinetic impactor disrupting small-sized asteroids under short warning time conditions[J]. Acta Astronautica, 2024. [2]

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2024.03.007

（供稿：系统室）