等效直徑40米以下的近地小行星數(shù)量多、撞擊地球可能性更高、災(zāi)難不容忽視，但其反光能力弱、監(jiān)測(cè)難度大，只有在距離地球較近時(shí)才可能被地面上的望遠(yuǎn)鏡所發(fā)現(xiàn)。2013年一顆直徑大約18米的小行星在俄羅斯車?yán)镅刨e斯克地區(qū)空爆，導(dǎo)致了接近1500人受傷。人類目前所發(fā)展的小行星防御技術(shù)往往需要年、甚至十年量級(jí)的預(yù)警時(shí)間才能發(fā)揮有效作用，缺乏有效手段應(yīng)對(duì)小尺寸小行星的突襲災(zāi)難。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李明濤研究員團(tuán)隊(duì)提出在地月系統(tǒng)L3、L4、L5點(diǎn)軌道部署可“兼顧”小行星防御的航天器，構(gòu)成相對(duì)地球相位相差120°的天基攔截星座系統(tǒng)，從而具備攔截不同方向來(lái)襲小行星的潛力。航天器日常執(zhí)行空間科學(xué)、導(dǎo)航通信和小行星監(jiān)測(cè)預(yù)警等常規(guī)任務(wù)，在面臨小尺寸小行星突襲時(shí)，航天器變軌攔截來(lái)襲小行星，在地球引力影響球之外將小行星撞成碎塊，從而減緩甚至消除小行星突襲導(dǎo)致的危害。

圖1? “天基碎石”行星防御任務(wù)方案示意

為了驗(yàn)證地月平動(dòng)點(diǎn)天基攔截星座的軌道攔截能力，科研人員參考2030至2035年間近距離飛掠地球的10顆等效直徑在20至50米之間的小行星，通過(guò)對(duì)小行星軌道施加微量擾動(dòng)，將其“人為”變成撞擊地球的虛擬小行星，并模擬對(duì)其實(shí)施攔截防御。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在預(yù)警時(shí)間為2周、有效處置時(shí)間為1周的條件下，地月平動(dòng)點(diǎn)天基攔截星座能在地球100萬(wàn)公里外攔截目標(biāo)小行星，所需的攔截速度增量均小于2km/s，并且攔截速度在8km/s以上，具有較高的攔截能量密度。

表1 天基攔截星座對(duì)虛擬小行星的攔截軌道優(yōu)化結(jié)果

為了進(jìn)一步分析對(duì)小行星的攔截效果，分別通過(guò)撞擊破碎的理論判據(jù)和自適應(yīng)光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真，對(duì)小行星是否破碎進(jìn)行了分析。分析表明，對(duì)于直徑40米以下的巖石質(zhì)小行星，航天器能夠有效破壞小行星的結(jié)構(gòu)、甚至將其解體為碎塊，從而在大氣層中燒蝕，減緩其對(duì)地球可能產(chǎn)生的撞擊危害。

圖 2直徑40米單體巖石結(jié)構(gòu)小行星撞擊效應(yīng)仿真

（a：損傷剖面；b：速度剖面；c 速度矢量）

該處置方法被稱為“天基碎石”，為極短預(yù)警時(shí)間條件下（兩周）防御等效直徑40米以下的小行星撞擊事件的提供了潛在解決方案?！疤旎槭迸c此前該團(tuán)隊(duì)提出的“以石擊石”、“末級(jí)擊石”，共同構(gòu)成新概念動(dòng)能撞擊“三部曲”，為應(yīng)對(duì)直徑300米、140米和40米級(jí)近地小行星撞擊威脅提供了創(chuàng)新解決方案。

該研究得到空間碎片與近地小行星防御科研專項(xiàng)（KJSP2023020303）和國(guó)際宇航聯(lián)第8屆行星防御大會(huì)資助，發(fā)表在航天工程領(lǐng)域國(guó)際期刊Acta Astronautica上，第一作者是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心博士研究生王楷鐸，通訊作者是李明濤研究員，合作者還包括中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心工程師周琪和博士研究生劉晏?hào)|。

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]

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2024.03.007

（供稿：系統(tǒng)室）