近地天體預(yù)警防御綜述*

楊志濤，劉 靜

(1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100101；2. 國(guó)家航天局空間碎片監(jiān)測(cè)與應(yīng)用中心，北京 100101；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

2013年2月發(fā)生的車?yán)镅刨e斯克事件引起了國(guó)際社會(huì)對(duì)近地天體撞擊威脅的高度關(guān)注，并促成兩個(gè)專門負(fù)責(zé)近地天體撞擊威脅的國(guó)際組織的成立：國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)(International Asteroid Warning Net, IAWN)和空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組(Space Mission Planning Advisory Group, SMPAG)。2017年10月，在我國(guó)香格里拉上空發(fā)生的火流星事件使得近地天體撞擊地球事件迅速成為我國(guó)公眾關(guān)注的熱門話題。2018年1月，中國(guó)加入國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)和空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組，成為兩個(gè)組織的正式成員，近地天體預(yù)警防御已成為急需加強(qiáng)的研究領(lǐng)域。

近地天體[1](Near Earth Objects, NEO)是軌道近日點(diǎn)在1.3 AU以內(nèi)的太陽(yáng)系小天體，包含小行星和彗星兩類，其中近地小行星(Near-Earth Asteroid, NEA)占絕大多數(shù)。與地球軌道的最近距離在0.05 AU以內(nèi)且絕對(duì)星等小于22等(相當(dāng)于直徑大于140 m)的近地小行星被定義為潛在威脅小行星，是對(duì)地球威脅性較高的一類近地天體。截止2019年3月13日，據(jù)小天體中心(Minor Planet Center, MPC)公布，已發(fā)現(xiàn)近地天體的數(shù)目[2]已達(dá)19 775顆，其中直徑在1 km以上有895顆，潛在威脅小行星有1 974顆，此外已發(fā)現(xiàn)的近地彗星有107顆。

近地天體物質(zhì)組成等特征參量的獲取對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析和防御效果評(píng)估的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。根據(jù)光譜測(cè)量及反照率分布可以研究近地天體的物質(zhì)組成。目前的分類研究把小行星分為S, C, X 3大類以及一些次要的異常類型[3]，如S型小行星的表面主要成分為硅酸鹽和金屬鐵，C型富含碳質(zhì)和有機(jī)質(zhì)成分，類似于碳質(zhì)球粒隕石。

1 威脅及應(yīng)對(duì)方式

1.1 威 脅

近地天體對(duì)地球構(gòu)成撞擊威脅的原因在于：(1)近地天體的運(yùn)行軌道與地球軌道接近，存在與地球發(fā)生碰撞的可能；(2)近地天體與地球的相對(duì)速度高達(dá)幾十千米每秒，一旦碰撞會(huì)產(chǎn)生巨大的撞擊能量，易造成較大的災(zāi)難；(3)近地天體數(shù)量很多且目前絕大部分尚未發(fā)現(xiàn)，潛在撞擊風(fēng)險(xiǎn)較高。

撞擊風(fēng)險(xiǎn)真實(shí)存在。1994年彗木相撞以及月球和火星上觀測(cè)到的新隕石坑均說明太陽(yáng)系內(nèi)小天體撞擊事件的發(fā)生并非個(gè)例。6 500萬(wàn)年前的生物大滅絕很可能是由近地天體撞擊造成，而2013年2月15日發(fā)生的車?yán)镅刨e斯克事件確是小行星撞擊[4]，造成1 500多人受傷，數(shù)千棟建筑受損。此外，據(jù)國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)發(fā)布的信息，自2016年6月至今，近地天體與地球的近距離交會(huì)(地月距離之內(nèi))事件已超過100次。

撞擊事件危害大。據(jù)估計(jì)[5]，一顆直徑1 km的小行星撞擊地球可產(chǎn)生80 000 MT(1 MT=106噸TNT炸藥的爆炸能量)的撞擊能量并引發(fā)全球性災(zāi)難，可能導(dǎo)致地球文明的毀滅；一顆直徑100 m量級(jí)的小行星撞擊地球可產(chǎn)生80 MT的撞擊能量，爆炸威力強(qiáng)于最強(qiáng)氫彈，可造成區(qū)域性的毀滅；即便直徑30 m的小行星撞擊能量亦可達(dá)2 MT，而1945年廣島核彈的爆炸能量?jī)H約0.02 MT。同時(shí)，近地天體尺寸越小，數(shù)量越多，撞擊概率越高。

未知目標(biāo)的潛在撞擊風(fēng)險(xiǎn)高。根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)公布的報(bào)告[6]估計(jì)，百米量級(jí)的近地天體目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)量仍不足理論預(yù)測(cè)數(shù)目的20%，但足以造成很大的危害，因此構(gòu)成很高的潛在撞擊風(fēng)險(xiǎn)。圖1[7]為不同尺寸近地天體的已發(fā)現(xiàn)數(shù)目(綠色，左軸)、理論預(yù)測(cè)數(shù)目(紅色，左軸)及相應(yīng)的搜尋完成比例(藍(lán)色，右軸)。

圖1 近地天體搜尋觀測(cè)現(xiàn)狀
Fig.1 NEOs′ search and observation status

1.2 應(yīng)對(duì)方式

為了有效應(yīng)對(duì)近地天體的撞擊威脅，盡量避免或減緩此類撞擊事件造成的危害， 首先需對(duì)近地天體進(jìn)行搜索和跟蹤監(jiān)測(cè)，獲得其軌道測(cè)量和特征測(cè)量數(shù)據(jù)； 其次基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)近地天體的編目管理，然后利用編目軌道數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)對(duì)近地天體的撞擊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)危險(xiǎn)事件發(fā)出預(yù)警；最后在出現(xiàn)危險(xiǎn)事件時(shí)需具備主動(dòng)防御或被動(dòng)應(yīng)對(duì)的能力。應(yīng)對(duì)流程如圖2。

1.2.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)例

目前的近地天體監(jiān)測(cè)預(yù)警工作主要由小天體中心和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)聯(lián)合負(fù)責(zé)， 小天體中心接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)潛在的危險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行精密定軌和風(fēng)險(xiǎn)分析，并對(duì)外發(fā)布危險(xiǎn)結(jié)果，期間觀測(cè)系統(tǒng)持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)并上傳數(shù)據(jù)。2008年10月曾成功發(fā)現(xiàn)并預(yù)警一次危險(xiǎn)近地天體(臨時(shí)編號(hào)為2008TC3)，該天體于10月6日由卡特琳娜巡天望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，經(jīng)計(jì)算將在24小時(shí)內(nèi)撞向地球，并且研究人員于10月7日凌晨成功在預(yù)測(cè)地區(qū)拍到該小行星進(jìn)入地球大氣層的畫面。幸運(yùn)的是這顆小行星尺寸較小，在大氣層中燒蝕解體后只產(chǎn)生一些很小的隕石，未造成危害。

圖2 應(yīng)對(duì)流程示意圖Fig.2 Flow chart of response process

1.2.2 預(yù)警防御難點(diǎn)

現(xiàn)有探測(cè)能力不足，編目比例低。百米級(jí)的近地天體便可對(duì)地球造成重大危害，但目前已發(fā)現(xiàn)和編目的比例仍然很低，主要原因是探測(cè)能力不足。近地天體探測(cè)的主力是地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，面臨的探測(cè)難點(diǎn)在于：(1)近地天體大多時(shí)間距離地球遙遠(yuǎn)，且尺寸越小所占比例越高，多數(shù)近地天體亮度很低難以探測(cè)；(2)地基望遠(yuǎn)鏡受天光背景的影響，只能在晚上觀測(cè)，故無法觀測(cè)從晝半球方向靠近的天體，尤其對(duì)于地球軌道內(nèi)的天體，因始終在晝半球而難以探測(cè)；(3)近地天體運(yùn)動(dòng)的特殊性也給地面觀測(cè)帶來更多的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如近距離交會(huì)時(shí)其角速度可能與高軌空間碎片相近，因此難以甄別。

新發(fā)現(xiàn)天體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)少，預(yù)警誤差大。近地天體新發(fā)現(xiàn)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)只覆蓋其軌道周期的很小一段，且望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)只能定向無法定位，即使測(cè)角精度可以達(dá)到很高的水平[8]，在缺少距離約束的情況下軌道確定精度仍然有限。此外，由于近地天體的物理特征信息比軌道信息更難獲得，對(duì)于已有軌道編目的近地天體，仍有較高比例并未獲得準(zhǔn)確的特征信息。因此有很多(尤其是新發(fā)現(xiàn))近地天體的預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果誤差偏大。

防御技術(shù)不夠成熟。目前已提出且研究較多的近地天體防御策略包括核爆、動(dòng)能撞擊、改變太陽(yáng)光壓、激光剝蝕、引力牽引等多種技術(shù)手段，其中僅動(dòng)能撞擊技術(shù)較為成熟，其它方法多在理論研究階段，而核爆技術(shù)同時(shí)面臨著較大的法律困境。即便是動(dòng)能撞擊技術(shù)，也因受到近地天體尺寸、結(jié)構(gòu)等特征信息不精確的制約而難以準(zhǔn)確評(píng)估防御效果。

2 國(guó)際研究現(xiàn)狀

由于近地天體數(shù)量很多，搜索發(fā)現(xiàn)和跟蹤監(jiān)測(cè)任務(wù)重、難度高，需要全球聯(lián)合觀測(cè)以提高觀測(cè)效率和時(shí)效性(尤其對(duì)于類似車?yán)镅刨e斯克事件的 “突襲者”)； 同時(shí)由于撞擊威脅大且撞擊時(shí)間和地點(diǎn)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，同樣需要各國(guó)采取聯(lián)合應(yīng)對(duì)措施。因此，國(guó)際合作是人類應(yīng)對(duì)近地天體撞擊威脅的必然選擇。目前已有專門的國(guó)際組織負(fù)責(zé)近地天體預(yù)警和防御的相關(guān)工作，例如曾經(jīng)的近地天體行動(dòng)組、國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)和空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組。 此外也有一些防御相關(guān)的項(xiàng)目是由多國(guó)聯(lián)合研究或研發(fā)，例如美歐聯(lián)合開展的小行星撞擊偏轉(zhuǎn)評(píng)估任務(wù)。

2.1 國(guó)際組織

2.1.1 近地天體行動(dòng)組

受1994年發(fā)生的彗木相撞事件影響，由聯(lián)合國(guó)外層空間事務(wù)辦公室(United Nations Office for Outer Space Affairs, UNOOSA)組織，1995年在紐約聯(lián)合國(guó)總部舉行了第1次近地天體國(guó)際會(huì)議，會(huì)議明確提出近地天體對(duì)地球的潛在威脅，并提議加強(qiáng)現(xiàn)有的近地天體監(jiān)測(cè)能力以搜索并跟蹤近地天體， 此外還提出需要評(píng)估大中型近地天體撞擊的可能性。 1999年，近地天體撞擊威脅問題在第3次聯(lián)合國(guó)探索與和平利用外層空間會(huì)議上得到進(jìn)一步關(guān)注。 此次會(huì)議形成的 “維也納空間與人類發(fā)展宣言”(維也納宣言)包含33項(xiàng)具體建議，其中一項(xiàng)建議是增強(qiáng)與近地天體有關(guān)行動(dòng)的國(guó)際合作與協(xié)調(diào)。此后，為執(zhí)行維也納宣言中有關(guān)近地天體的建議，和平利用外層空間委員會(huì)(the Committee on the Peaceful Uses of Outer Space, COPUOS)于2001年設(shè)立了近地天體行動(dòng)小組，該行動(dòng)小組負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)關(guān)于近地天體撞擊威脅的國(guó)際減緩應(yīng)對(duì)行動(dòng)，后于2015年被認(rèn)為已成功完成協(xié)調(diào)近地天體威脅的國(guó)際減緩應(yīng)對(duì)任務(wù)并正式解散。

2.1.2 國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)和空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組

在2013年2月發(fā)生車?yán)镅刨e斯克事件后，2013年12月聯(lián)合國(guó)大會(huì)第68次會(huì)議正式簽署成立國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)和空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組(中國(guó)于2018年1月底正式加入)。國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)負(fù)責(zé)近地天體的發(fā)現(xiàn)、跟蹤、編目、特征分析等工作，并不定期組織開展國(guó)際聯(lián)測(cè)活動(dòng)，在提高對(duì)所選近地天體編目及預(yù)警精度的同時(shí)，提升國(guó)際聯(lián)測(cè)的協(xié)調(diào)應(yīng)對(duì)能力。如2017年10月對(duì)小行星2012TC4的國(guó)際聯(lián)測(cè)活動(dòng)， 成功獲得大量觀測(cè)資料并計(jì)算得到其精密軌道，排除了100年內(nèi)撞擊地球的可能性。空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組負(fù)責(zé)近地天體防御應(yīng)對(duì)的相關(guān)工作，具體職責(zé)包括： (1)掌握各國(guó)航天局和航天組織的相關(guān)活動(dòng)；(2)確定今后工作中需要重視的行星防御空間飛行任務(wù)相關(guān)的技術(shù)和科學(xué)活動(dòng)；(3)制定和更新未來任務(wù)的國(guó)際戰(zhàn)略，支持行星防御任務(wù)研究與開發(fā)工作；(4)分析和報(bào)告國(guó)際合作的有效性，并資助行星減緩活動(dòng)。

2.2 研究項(xiàng)目

2.2.1 空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組的任務(wù)計(jì)劃

為了有效地開展并促進(jìn)近地天體防御相關(guān)的技術(shù)研究，空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組將涉及的工作劃分為11項(xiàng)任務(wù)計(jì)劃，為各項(xiàng)計(jì)劃確定牽頭組織以推進(jìn)相關(guān)研究，并要求研究組織在空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組會(huì)議中匯報(bào)各自的研究進(jìn)展。 這11項(xiàng)任務(wù)計(jì)劃基本涵蓋了近地防御流程中可能涉及的所有環(huán)節(jié)(見表1)，包括開始響應(yīng)或采取行動(dòng)所需的標(biāo)準(zhǔn)或閾值(任務(wù)1)、 減緩任務(wù)的類型和技術(shù)(任務(wù)2～4)、 有威脅時(shí)的行動(dòng)計(jì)劃和協(xié)調(diào)方法(任務(wù)5～6)、 基于現(xiàn)狀對(duì)未來工作路線的梳理(任務(wù)7)、 對(duì)減緩任務(wù)所帶來后果的預(yù)研(任務(wù)8)、 對(duì)近地天體進(jìn)行軌道偏轉(zhuǎn)時(shí)需采取的標(biāo)準(zhǔn)(任務(wù)9)、 對(duì)核能選項(xiàng)的可行性研究(任務(wù)10) 以及主動(dòng)防御所需載荷(包含火箭、航天器及其搭載的載荷)特征的預(yù)研(任務(wù)11)。目前任務(wù)1已形成初始報(bào)告，美國(guó)國(guó)家航空航天局建議響應(yīng)閾值為：(1)對(duì)于所有撞擊概率大于1%且尺寸在10 m以上(近似于絕對(duì)星等達(dá)到28等或者更亮)的近地天體，國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)需發(fā)出警報(bào)；(2)對(duì)于20年內(nèi)撞擊概率大于10%且尺寸在20 m以上(近似于絕對(duì)星等達(dá)到27等或者更亮)的近地天體，需要制定防御計(jì)劃并開始地基的相關(guān)準(zhǔn)備工作；(3)對(duì)于50年內(nèi)撞擊概率大于1%且尺寸在50 m以上(近似于絕對(duì)星等達(dá)到26等或者更亮)的近地天體， 空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組需啟動(dòng)相應(yīng)的防御任務(wù)。

表1 空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組11項(xiàng)任務(wù)計(jì)劃Table 1 Task plan of SMPAG

2.2.2 防御策略研究

近地天體防御的難度與其尺寸、質(zhì)量、軌道狀態(tài)及預(yù)警時(shí)長(zhǎng)等因素密切相關(guān)。對(duì)于預(yù)警時(shí)間較短，類似車?yán)镅刨e斯克事件中突然出現(xiàn)的危險(xiǎn)天體，目前只能基于地基設(shè)備進(jìn)行近地空間防御。若預(yù)警時(shí)間較長(zhǎng)(如幾年或幾十年)，則近地天體防御策略的實(shí)施可分為兩個(gè)階段：(1)行星際軌道轉(zhuǎn)移，即發(fā)射航天器從地球到達(dá)近地天體附近的過程；(2)具體防御技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。 近地天體防御技術(shù)又可分為兩種：① 軌道偏轉(zhuǎn)，即改變危險(xiǎn)天體的軌道，使其避開地球；② 碎裂，使危險(xiǎn)天體分裂成碎片，充分降低或完全消除危險(xiǎn)天體撞擊地球的危害。行星際軌道轉(zhuǎn)移技術(shù)相對(duì)而言已較為成熟，美歐日俄等國(guó)家或組織均已成功開展過深空探測(cè)項(xiàng)目，中國(guó)亦有嫦娥二號(hào)曾飛躍探測(cè)圖塔蒂斯小行星，在具體任務(wù)執(zhí)行階段，天文自主導(dǎo)航[9]是關(guān)鍵技術(shù)之一。防御技術(shù)包括核爆、動(dòng)能撞擊、引力牽引、改變太陽(yáng)光壓、激光剝蝕等多種技術(shù)手段，其中僅動(dòng)能撞擊技術(shù)成熟度相對(duì)較高。

(1)

J=(Δsr+δsr)2+(Δsθ+δsθ)2+(Δh+δh)2.

(2)

軌道根數(shù)的變化量δσ取決于不同的偏轉(zhuǎn)技術(shù)。對(duì)于脈沖變軌方法，近地天體在 “瞬時(shí)” 受外力作用而產(chǎn)生速度變化，同時(shí)軌道發(fā)生改變。對(duì)于連續(xù)推力變軌方法，相當(dāng)于近地天體在一段時(shí)間內(nèi)始終受到一個(gè)攝動(dòng)力的影響，因而軌道發(fā)生緩慢變化。在制定偏轉(zhuǎn)策略時(shí)，首先基于近地天體和太陽(yáng)構(gòu)成的二體模型進(jìn)行初始的方案設(shè)計(jì)，然后在考慮完整軌道攝動(dòng)作用力的情況下優(yōu)化得到精密的軌道偏轉(zhuǎn)策略，其中可考慮采用一些較新的優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群算法或機(jī)器學(xué)習(xí)算法等。

(2)核爆。利用核裝置直接炸碎危險(xiǎn)天體，或利用核爆產(chǎn)生的推力改變危險(xiǎn)天體的軌道，避免與地球相撞。核爆可分為非接觸式爆炸和接觸式爆炸，具體方式的選擇主要由危險(xiǎn)天體的尺寸和組成決定。非接觸式爆炸是指核裝置在危險(xiǎn)天體上空引爆，并不與其接觸，爆炸釋放的能量在星體表面產(chǎn)生高溫，星體表面物質(zhì)被高溫蒸發(fā)并噴射出來，基于動(dòng)量守恒原理，危險(xiǎn)天體將被推向噴射物運(yùn)動(dòng)的反方向，偏離原有的軌道。接觸式爆炸是指核裝置在近地天體的表面或內(nèi)部引爆，如此可使危險(xiǎn)天體碎裂。接觸式爆炸的能量使用率高，但同時(shí)難度也高：(1)引爆條件要求高，需要提前撞擊危險(xiǎn)天體或著陸后打洞，準(zhǔn)確安置核裝置后再依計(jì)劃引爆；(2)爆炸后的碎裂效果難以控制，爆炸產(chǎn)生的碎片撞擊地球同樣有可能造成危害。

(3)動(dòng)能撞擊。動(dòng)能撞擊是通過使用一顆或多顆航天器以很高的相對(duì)速度直接撞擊危險(xiǎn)天體，以改變其運(yùn)行軌道，使其不再與地球相撞。動(dòng)能撞擊的本質(zhì)是動(dòng)量守恒原理，近地天體速度變化大小取決于航天器的質(zhì)量、撞擊速度及動(dòng)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。航天器質(zhì)量取決于發(fā)射質(zhì)量和軌道轉(zhuǎn)移過程中的質(zhì)量消耗，撞擊速度與轉(zhuǎn)移軌道的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，動(dòng)量系數(shù)則決定了動(dòng)能撞擊的效率，其值與目標(biāo)天體的物質(zhì)組成、形狀、結(jié)構(gòu)等特征參量密切相關(guān)，而這些特征參量通常難以精確獲知(尤其是預(yù)警期較短的天體)。相對(duì)而言，動(dòng)能撞擊是目前可行性最高的方案之一，優(yōu)點(diǎn)在于：(1)技術(shù)成熟度高，在美國(guó)的 “深度撞擊” 任務(wù)中已有初步驗(yàn)證；(2)靈活性好，在深空或近地空間均可開展，可適用于不同的預(yù)警時(shí)長(zhǎng)，甚至在緊急情況下也有望實(shí)施。

(4)引力牽引。引力牽引是將航天器駐留在距離目標(biāo)天體一定距離的軌道上，通過萬(wàn)有引力緩慢改變其軌道。此方法的優(yōu)點(diǎn)是只要知道近地天體質(zhì)量即可，不需要考慮其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、自轉(zhuǎn)等其它特征信息，主要挑戰(zhàn)在于需要進(jìn)行長(zhǎng)期可靠的軌道控制。此外，引力大小主要取決于航天器和目標(biāo)天體的質(zhì)量，若增大航天器質(zhì)量則快速增加發(fā)射成本。此外還有 “增強(qiáng)型引力牽引” 方案，即讓航天器在引力牽引的同時(shí)，從目標(biāo)天體收集物質(zhì)以增強(qiáng)自身的引力場(chǎng)，但這需要掌握從近地天體成功收集物質(zhì)且避免航天器被碎石砸壞的新技術(shù)，并且需滿足更高的軌道控制要求。

(5)改變太陽(yáng)光壓。太陽(yáng)光壓是影響近地天體軌道變化的主要攝動(dòng)源之一，因輻射源即為中心天體(太陽(yáng))，因此近地天體所受光壓力為一中心斥力，其大小與目標(biāo)天體的反照率、光照面積及太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度均成正比。通過改變近地天體所受光壓作用力的大小同樣可以改變其運(yùn)行軌道，具體方法包括：(1)在天體表面噴涂特定的涂層以改變其反照率；(2)在天體表面放置太陽(yáng)帆以增大光照面積；(3)在空間部署一個(gè)或多個(gè)反射器以增強(qiáng)作用在目標(biāo)天體上的太陽(yáng)光輻射。由于太陽(yáng)光壓作用力通常很小，用于改變目標(biāo)天體軌道需要很長(zhǎng)時(shí)間，故該技術(shù)只適用于有很長(zhǎng)預(yù)警時(shí)間的危險(xiǎn)近地天體。

(6)激光剝蝕。激光剝蝕技術(shù)是采用一個(gè)大功率激光系統(tǒng)照射近地天體表面，利用表面燒蝕產(chǎn)生的等離子體噴射帶來的反作用力改變目標(biāo)天體的軌道。載有激光系統(tǒng)的航天器可以部署在月球或繞地軌道，小型的激光系統(tǒng)也可發(fā)射至近地天體軌道附近，在引力牽引的同時(shí)對(duì)目標(biāo)天體施加更大的作用力。激光剝蝕的作用力主要取決于激光發(fā)射功率的大小，對(duì)近地天體防御所需的大功率激光系統(tǒng)，目前研究的技術(shù)成熟度仍然很低。

2.2.3 深空探測(cè)項(xiàng)目

深空探測(cè)對(duì)于提高近地天體防御能力意義重大：(1)增強(qiáng)對(duì)近地天體物理特征的測(cè)量和認(rèn)知，提高對(duì)目標(biāo)天體風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)和防御效果評(píng)估的精確度；(2)檢驗(yàn)與航天器深空軌道轉(zhuǎn)移及小天體繞飛甚至著陸相關(guān)的軌道測(cè)量與控制技術(shù)，驗(yàn)證具體防御手段可達(dá)到的實(shí)際效果等。

美國(guó)國(guó)家航空航天局于2005年實(shí)施 “深度撞擊”(Deep Impact)任務(wù)，一顆撞擊器以10.2 km/s的速度撞擊直徑約7.6 km的坦普爾1號(hào)彗星并留下約28 m的撞擊坑，一定程度上驗(yàn)證了動(dòng)能撞擊技術(shù)的可行性(圖3是該彗星被撞擊后67 s的圖像)。2016年發(fā)射的OSIRIS-Rex計(jì)劃登陸小行星貝努(Bennu)并采回60克到幾千克的樣品(重量取決于探測(cè)目標(biāo)的表面性質(zhì))，該任務(wù)除了提供關(guān)于潛在威脅小行星的特征數(shù)據(jù)外，還可驗(yàn)證在小行星附近的操控技術(shù)。該航天器已于2018年12月到達(dá)貝努小行星附近并開始星表探測(cè)。

圖3 (a) 坦普爾1號(hào)彗星撞擊67秒后的圖像；(b) 雙小行星重定向試驗(yàn)任務(wù)示意圖
Fig.3 (a) Image of Templer 1 comet 67 seconds after impacted; (b) Diagram of project Double Asteroid Redirection Test

日本宇航局(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)負(fù)責(zé)(德法等國(guó)參與)的隼鳥2號(hào)任務(wù)(Hayabusa-2)，計(jì)劃登陸近地小行星Ryugu采樣并返回，將提供與偏轉(zhuǎn)研究直接相關(guān)的數(shù)據(jù)。隼鳥2號(hào)于2018年6月成功實(shí)現(xiàn)繞飛小行星Ryugu，并于9月21日成功釋放出漫游者著陸器開始星表探測(cè)。

此外，由美歐聯(lián)合開展的 “小行星撞擊和偏轉(zhuǎn)評(píng)估”(the Asteroid Impact and Deflection Assessment, AIDA)任務(wù)正在研制階段。項(xiàng)目的目標(biāo)是研究和驗(yàn)證動(dòng)能撞擊的效果，測(cè)試航天器撞擊能否成功使小行星軌道偏轉(zhuǎn)以消除撞地威脅。該任務(wù)由兩個(gè)獨(dú)立的組成部分：(1)美國(guó)負(fù)責(zé)研制用于撞擊小行星Didymos的衛(wèi)星Didmoon的小行星撞擊任務(wù)(Asteroid Impact Mission, AIM)；(2)歐洲航天局主導(dǎo)的用于監(jiān)測(cè)撞擊事件的航天器AIM。DART計(jì)劃于2021年發(fā)射，并在2022年實(shí)施撞擊任務(wù)。小行星撞擊任務(wù)原計(jì)劃于2020年發(fā)射，但項(xiàng)目因資金問題在2016年被歐洲航天局取消，之后于2018年歐洲航天局提出發(fā)射航天器Hera的項(xiàng)目，計(jì)劃于2023年發(fā)射，將在2026年與小行星Didymos交會(huì)并進(jìn)行繞飛探測(cè)。

2.2.4 法律問題

隨著行星防御領(lǐng)域科學(xué)和技術(shù)的不斷進(jìn)步，近地天體防御工作可能面臨的法律問題重要性日益凸顯， 需要在充分考慮目前科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況以及現(xiàn)有條約的前提下，努力制定或完善相關(guān)法律。 與近地天體防御相關(guān)的主要法律問題包括：(1)核武器的適用性問題。 近地天體防御是否包含核武器這一選項(xiàng)或許是目前最為突出的法律問題之一， 受 《部分禁止核試驗(yàn)條約》、《全面禁止核試驗(yàn)條約》 等國(guó)際條約的限制，采用核爆方式進(jìn)行近地天體防御的策略將可能面臨巨大的國(guó)際政治壓力。(2)實(shí)施主動(dòng)防御行動(dòng)后可能面臨的法律問題。在近地天體主動(dòng)防御任務(wù)部分成功或完全失敗的情況下，相應(yīng)的法律責(zé)任或義務(wù)該如何劃分和界定。 因?yàn)橹鲃?dòng)防御必然是一個(gè)涉及多個(gè)國(guó)家或地區(qū)、多學(xué)科領(lǐng)域和多種技術(shù)手段的復(fù)雜項(xiàng)目，所以導(dǎo)致任務(wù)不完全成功或者失敗的原因可能有很多，例如計(jì)劃不周、任務(wù)執(zhí)行偏差、偏轉(zhuǎn)實(shí)效不足、撞擊點(diǎn)不理想等各種可能的因素。同時(shí)，由于防御任務(wù)不完全成功可能造成的近地天體撞擊帶來的直接危害以及各種次生災(zāi)難(如地震、海嘯等)。針對(duì)各種不同情況，參與各方應(yīng)承擔(dān)的法律責(zé)任或義務(wù)該如何劃分和界定。

空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組2016年2月的第6次會(huì)議同意設(shè)立一個(gè)專門的法律事務(wù)工作組，由空間法專家和科學(xué)家、工程師組成，就與執(zhí)行近地天體偏轉(zhuǎn)任務(wù)相關(guān)的法律問題進(jìn)行討論并提出建議， 用于試驗(yàn)?zāi)康暮途o急情況下行星防御的相關(guān)法律問題，目標(biāo)包括：(1)制定和優(yōu)化相關(guān)法律問題以及空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢小組工作中需要澄清的問題；(2)考慮現(xiàn)有協(xié)議背景下的法律問題；(3)制定解決突出問題的行動(dòng)計(jì)劃。

3 未來工作重點(diǎn)

綜合來看，近地天體預(yù)警防御領(lǐng)域未來的工作重點(diǎn)主要有以下4方面：

(1)提升搜索編目能力。搜索發(fā)現(xiàn)近地天體并對(duì)其進(jìn)行編目管理是開展預(yù)警與防御工作的基礎(chǔ)。由于百米量級(jí)的近地天體足以造成嚴(yán)重危害而其發(fā)現(xiàn)比例尚不足20%，因此需要提高監(jiān)測(cè)能力以搜索發(fā)現(xiàn)和跟蹤編目更多的近地天體。美國(guó)國(guó)家航空航天局于2007年提出目標(biāo) “至2020年完成90%直徑140 m及以上近地天體的發(fā)現(xiàn)和編目管理”，并為此提出 “大視場(chǎng)綜合巡天望遠(yuǎn)鏡”(the Large Synoptic Survey Telescope, LSST)的建造計(jì)劃。按照最新的計(jì)劃表，大視場(chǎng)綜合巡天望遠(yuǎn)鏡將于2021年建成并開始測(cè)試，2023年起正式運(yùn)行。根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，大視場(chǎng)綜合巡天望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)12年可完成目標(biāo)。此外還有一個(gè)天基紅外望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目(the Near-Earth Object Camera, NEOCam)，計(jì)劃發(fā)射至日地L1點(diǎn)，其目標(biāo)是在4年內(nèi)發(fā)現(xiàn)三分之二的潛在威脅小行星。

(2)增強(qiáng)物理特征探測(cè)。掌握近地天體的物理特征是可靠地估計(jì)其對(duì)地面撞擊影響以及設(shè)計(jì)有效行星軌道偏轉(zhuǎn)任務(wù)的重要先決條件，尤其在發(fā)生預(yù)警時(shí)間較短的緊急情況時(shí)，快速獲取威脅對(duì)象的相關(guān)特征參數(shù)值(形狀、旋轉(zhuǎn)速率、反照率、物質(zhì)組成等)對(duì)防御應(yīng)對(duì)至關(guān)重要。天體物理特征信息的采集主要依賴望遠(yuǎn)鏡(可見光和紅外)和雷達(dá)等天文觀測(cè)設(shè)備。為了提高探測(cè)效率，應(yīng)促進(jìn)各觀測(cè)臺(tái)站的合作并協(xié)調(diào)優(yōu)化總體觀測(cè)策略，以期最有效地利用現(xiàn)有觀測(cè)設(shè)備。此外，通過深空探測(cè)任務(wù)進(jìn)行近距離觀測(cè)和特征分析，可顯著增加對(duì)減緩相關(guān)的近地天體物理特征多樣性的認(rèn)知。例如目前正在進(jìn)行中的隼鳥2號(hào)任務(wù)。

(3)促進(jìn)防御技術(shù)研究。對(duì)于近地天體軌道偏轉(zhuǎn)技術(shù)的研究迄今為止更多地集中在動(dòng)力學(xué)撞擊器和引力牽引等方法上，這些方法在現(xiàn)有技術(shù)中是可行的，或者在幾年內(nèi)可能變得可行。然而，應(yīng)鼓勵(lì)和支持研究新的近地天體偏轉(zhuǎn)方法，諸如基于離子束推進(jìn)技術(shù)的替代方法，激光消除等在未來技術(shù)開發(fā)過程中可能變得實(shí)用的方法。應(yīng)將研究重點(diǎn)放在處理近地天體尺寸分布較小的(例如直徑為50～200 m)物體，這是大多數(shù)新發(fā)現(xiàn)并且對(duì)地球影響概率相對(duì)較高的尺寸范圍。對(duì)于偏轉(zhuǎn)之后的近地天體軌道演化,無論是試驗(yàn)任務(wù)還是實(shí)際應(yīng)急響應(yīng)，行星軌道偏轉(zhuǎn)均將產(chǎn)生不確定的結(jié)果，有必要對(duì)涉及的不確定性和可能的結(jié)果范圍進(jìn)行建模分析，覆蓋從完全失敗到偏轉(zhuǎn)大于預(yù)期的各種情況，以了解后續(xù)影響。在發(fā)生緊急偏轉(zhuǎn)的情況下需要知道偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)如何影響整體未來長(zhǎng)期的撞擊風(fēng)險(xiǎn)，在進(jìn)行偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)任務(wù)的情況下，無論結(jié)果如何都不能顯著增加測(cè)試目標(biāo)對(duì)地球未來撞擊的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)開展偏轉(zhuǎn)測(cè)試任務(wù)。理論和技術(shù)研究是基礎(chǔ)，同樣重要的是開展切實(shí)可行的試驗(yàn)任務(wù)，以使近地天體軌道偏轉(zhuǎn)的防御技術(shù)能夠在真實(shí)的危險(xiǎn)目標(biāo)上實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)際的測(cè)試任務(wù)可驗(yàn)證和完善與偏轉(zhuǎn)相關(guān)的空間技術(shù)，例如小行星軌道偏轉(zhuǎn)策略所能達(dá)到的實(shí)際效果如何，如何確?？拷踔林懹谌跻η倚螤畈灰?guī)則的小行星所需要的自主導(dǎo)航與控制系統(tǒng)等，此類難題在地面實(shí)驗(yàn)室難以完全克服。如上文提到的小行星撞擊偏轉(zhuǎn)評(píng)估項(xiàng)目正是一個(gè)近地天體軌道偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，此外在歐美多國(guó)聯(lián)合的NEOShield-2項(xiàng)目提出一個(gè)成本相對(duì)較低的研究動(dòng)能撞擊的試驗(yàn)任務(wù)NEOTωIST，計(jì)劃發(fā)射一個(gè)小型的撞擊器撞擊小行星Itokawa，撞擊地點(diǎn)選在遠(yuǎn)離其旋轉(zhuǎn)軸的地方，從而導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)速率發(fā)生變化，進(jìn)而研究動(dòng)能撞擊效率與近地天體自旋等結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)系。上述研究結(jié)果有助于減少在緊急情況下執(zhí)行偏轉(zhuǎn)任務(wù)所需的科學(xué)和技術(shù)準(zhǔn)備工作。

4 總結(jié)與建議

過去十幾年，人類在近地天體監(jiān)測(cè)預(yù)警及防御應(yīng)對(duì)方面取得了重大進(jìn)展，但在國(guó)際社會(huì)能夠充分保護(hù)地球免受災(zāi)難性小行星撞擊之前，還需要做更多的工作。百米及以下尺寸的近地天體數(shù)量多且發(fā)現(xiàn)比例尚低，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)以實(shí)現(xiàn)對(duì)多數(shù)危險(xiǎn)天體的編目管理能力。物理特征信息對(duì)準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)分析和防御效果評(píng)估至關(guān)重要，需要努力增強(qiáng)對(duì)近地天體特征信息的采集與分析。近地天體防御的多種技術(shù)手段成熟度偏低，需要繼續(xù)加強(qiáng)理論與技術(shù)研究水平，包括對(duì)防御后總體風(fēng)險(xiǎn)的建模評(píng)估。理論的防御策略仍然需要通過實(shí)際的測(cè)試任務(wù)來驗(yàn)證和完善。雖然我國(guó)已于2018年1月底加入國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)和空間飛行任務(wù)規(guī)劃資詢小組，但目前我國(guó)在近地天體威脅應(yīng)對(duì)方面的能力主要集中在搜索監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，例如盱眙的近地天體望遠(yuǎn)鏡和麗江、興隆等觀測(cè)站的多臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡均可以開展近地天體的搜尋及監(jiān)測(cè)工作，但與國(guó)外相比能力仍顯不足，同時(shí)在預(yù)警防御領(lǐng)域的技術(shù)能力仍然比較薄弱，基本處于起步階段。

建議從以下幾方面加強(qiáng)我國(guó)在近地天體搜尋監(jiān)測(cè)及預(yù)警防御領(lǐng)域的能力建設(shè)和科學(xué)技術(shù)研究：

(1)快速提升我國(guó)自主的暗弱目標(biāo)監(jiān)測(cè)能力，增強(qiáng)我國(guó)自主近地天體編目能力，以更早地發(fā)現(xiàn)尺寸更小或距離更遠(yuǎn)的目標(biāo)，盡量避免危險(xiǎn)天體的突然襲擊。例如新建大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、利用已有大口徑射電望遠(yuǎn)鏡(如FAST)與雷達(dá)聯(lián)測(cè)，進(jìn)而提高對(duì)暗弱近地天體的探測(cè)能力。

(2)多方面促進(jìn)我國(guó)在近地天體防御領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)研究，增強(qiáng)技術(shù)和人才儲(chǔ)備。近地天體撞擊威脅是人類文明將長(zhǎng)期面臨的一個(gè)問題，而目前提出的多種近地天體防御手段均存在技術(shù)成熟度低或軌道偏轉(zhuǎn)結(jié)果不確定性高等問題，同時(shí)新的技術(shù)方法從提出設(shè)想到成熟實(shí)用也需多年的工作積累，因此需要增強(qiáng)技術(shù)和人才儲(chǔ)備，做好長(zhǎng)期深入研究的準(zhǔn)備。

(3)積極參與國(guó)際組織開展合作研究，在合作中學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)與管理經(jīng)驗(yàn)，以提高我國(guó)自主近地天體威脅應(yīng)對(duì)的能力， 并增強(qiáng)我國(guó)在國(guó)際交流合作中的話語(yǔ)權(quán)。積極參與或加入法律事務(wù)工作組，在國(guó)際規(guī)則制定中維護(hù)國(guó)家利益。