李明涛：小行星防御，必须完成的任务_新浪财经

　　主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第54期演2023年6月17日在北京举行。来自中国科学院国家空间科学中心研究员李明涛出席，并以《小行星防御：必须完成的任务》为题发表演讲。

　　2013年2月15日上午9点26分，不少人还赶在上班的途中，突然一颗六层楼高的小行星从天而降，闯入地球大气层，在俄罗斯车里雅宾斯克上空30公里高度解体爆炸，它的能量相当于30颗广岛原子弹爆炸带来的冲击波和热辐射。在地广人稀的俄罗斯导致接近1500人受伤，3000栋房屋受损，整体损失超过2亿人民币。

　　这个事件如果发生在北京、上海这样人口稠密的地区，后果将会更加严重。那事件发生之后，很多人都在提个问题，为什么这次事件没有任何预警？冷战以来人类发展了非常强大的战略反导系统，为什么它们都失效了？其实我们即使今天站在这里我们提一个问题，假如明天车里雅宾斯克事件再次发生，我们能不能有效做出预警？很遗憾，我们还是不能做出任何有效预警，其实不是我们人类不具备这个能力，而是我们没有去做正确的准备工作。

　　战略反导系统它就不是为小行星防御而设计的。这个小行星进入大气层边界的速度是18.6公里每秒，相当于是55马赫。而我们的反导系统，我们的战略导弹最高速度是多少？只有27马赫！除此之外，这个小行星是从大气层边界之外俯冲直下。这意味着从进入大气层边界到爆炸只有短短12秒，如此短暂的时间之内，反导系统根本就来不及做出任何响应，既无法探测到小行星，也无法实施拦截和摧毁。

　　那小行星是什么呢？小行星其实是太阳系形成之初遗留了原初的物质。它主要由岩石和金属构成。当小行星进入到距离地球四百千五百万公里的时候，就被称为近地小行星，在我们的地球的周围潜伏着不计其数的小行星，它们在时刻威胁着我们地球的安全。像车里雅宾斯克事件中，这样直径20米的小行星的数量高达500万颗，其中超过99%我们都没有发现，所以我们不知道它们在哪里，也不知道它们什么时候撞击地球，更加没法做出任何的预警。那就发现小行星其实非常困难，因为它们非常小，而且它们本身不发光。我们发现小行星不是靠着反导系统，不是靠雷达，也不是靠像“中国天眼”这样的射电望远镜。在已知的已经发现的绝大多数近地小行星都是靠地面上的光学望远镜发现的。光学望远镜其实有个弊端，就像我们白天不能看到星星一样，光学望远镜在白天也没法探测到小行星，所以由地面上的光学望远镜组成的地球的监测预警系统其实有巨大的漏洞和盲区的。我们只能够探测到夜空方向来袭的小行星，如果小行星是从太阳方向过来，发生在白天撞击事件，我们就没法做出任何预警。车里雅宾斯克事件中这个小行星就是在白天的时候发生，从太阳方向悄悄溜来，因此它躲过了地球上所有望远镜的监视。要解决太阳方向小行星的预警问题，发展太空环境是关键。因为在太空中没有大气散射的干扰，望远镜可以7×24小时的工作，它可以有效弥补我们地球间的运行系统的漏洞和盲区。

　　科学家很早之前就意识到太空望远镜的重要性。在2005年的时候，美国科学家就提出来，要把小行星监测预警望远镜发射到地球和太阳中间的日地系统第一拉格朗日点。但是计划推进过程可谓是举步维艰。很多人认为想要撞击既不重要，也不紧急，更加获得不了诺贝尔奖。我们始终心存侥幸，所以这个计划在经过16年的漫长等待之后，在2021年终于进入了工程研制状态。但是转眼在2022年的时候，美国国会就以各种理由要削减这个项目的经费。最终科学家群体忍无可忍去抗议，在抗议的之下，经费盘子是保住了，但是发射时间从2025年推迟到2028年。这就是我们面临的问题之一。

　　其实我们一直觉得小行星撞击是狼来了，狼来了。但狼总不来，是吧？所以一部分人就认为是我们是不是没有必要着急去扎紧地球防御的篱笆，甚至还有一部分人认为是我们根本就不应该浪费钱去防御小行星。我们始终心存侥幸，认为小行星撞击就属于永远不来的狼，但也许就在明天我们上班的过程中，有一个小行星突如其来给我们中的一部分人造成伤害，但我们依然无法做出任何预警。其实我们知道问题所在，我们也知道怎么去解决问题，我们更不差解决问题的经费。因为发射一颗太空望远镜用于小行星监测预警，它跟北京修几公里地铁的价钱是完全一样的。但是我们过于心存侥幸了，所以这就是其中的问题之一。

　　我们要防御小行星，我们做的第一个正确的准备工作就是发展天基的监测预警的任务，把望远镜发射到太空轨道上，弥补我们地球监测预警系统的漏洞和盲区。更重要的是我们要填补我们内心的漏洞，让我们不再心存侥幸。如果小行星要撞击地球，我们人类能不能做出响应？以我们今天的科技水平，我们能不能完成对小行星的反杀？就在2022年的时候，美国宇航局实施了人类历史上首个小行星防御验证任务，能利用一个570公斤的小卫星，在1，100万公里之外，以6.3公里每秒的速度高速撞击了一个直径160米的小行星，并且成功改变了它的轨道。这次实验验证的小行星防御技术叫做动能撞击，也就是通过航天器高速撞击小行星，改变小行星的轨道，让它未来能够远离地球，这个实验本身取得非常成功，被《Science》等期刊评价为2022年度世界十大科学突破之一。

　　但这次实验的高度成功，能不能让未来我们面对小行星撞击的时候高枕无忧，其实并不能。为什么呢？首先，小行星撞击的目标是一个我们熟悉的小行星，我们过去时仅20年，我们通过地面上的光学望远镜、雷达望远镜、红外望远镜，光谱望远镜我们获取了它非常丰富的资料，我们精确的知道小圆的轨道在哪，它是什么类型的，它的自转周期是多少，但是在真实的小行星防御场景中，我们完全可能面临的是小行星偷袭。这时候我们可能并不能精确知道小行星的轨道，我们可能也不知道小行星的真实大小，我们甚至不知道小行星是一个铁疙瘩，还是一块岩石，是一块岩石还是一堆岩石，而这些信息对我们成功防御小行星是至关重要的。

　　从另外一个角度而言，这个任务从工程立项到完成撞击花了6年时间，但是完成撞击仅仅是防御小行星的第一步，因为我们撞击只是瞬时改变了小行星的速度，要让小行星远离地球，还需要长时间的积累，才能把速度转化成距离。这次撞击对小行星的轨道速度改变量有多大？只有2.7毫米每秒，也就是我们吹口气的速度都比这个速度要大得多。要靠这种速度去防御小行星去保卫地球，那就需要非常时间的长时间的积累。根据计算就需要大概25年的时间，才能把小行星从撞击地球中心偏转到大气层之外。在真实的小行星防御场景中，我们能有25年的时间吗？我们可能面临的场景是小行星在10年、5年甚至2年两周乃至更短的时间撞击地球，当我们没有足够的时间去从容发起反击的时候，我们还能有效应对小行星撞击威胁吗？人类真的准备好了吗？

　　实际上在2015年以来，国际宇航科学院就注意到这个问题，他们组织了5次小行星防御演习，这其中大部分都失败了。可谓是屡败屡战，屡战屡败。失败的原因不一而足。比如运载火箭发射失败了；再比如发射的撞击器没有击中小行星；还有撞击器虽然成功击中小行星了，但是把小行星给撞碎了，碎块继续撞击地球。甚至还有小行星发现这个时间太短了，我们根本来不及做出任何响应，这些都是在实际任务中可能出现的问题。

　　除此之外，防御小行星也不仅仅是技术问题，就像核武器防御小行星。它在能量密度是最高的，几乎在每次演习的场景中，使用核爆防御闪星都是最优选项。但是即使在我们的模拟推演的演习场景中，我们都没有哪一次成功的发射航天器，去利用核武器防御一颗小行星。原因是多方面的。比如在2019年的防御演习中，一个只有180米的小行星将在8年之后撞击地球，美国、中国、欧洲、日本、俄罗斯研制了6枚撞击器，其中有3枚撞击器成功击中了小行星。好消息是我们把小行星的主体结构给偏转了，但是带来一个坏消息，撞的劲太大了，把其中的一个小行星撞出了一个碎块，碎块直径达到60米。这个碎块并且继续向地球飞来，一旦撞击地球，可能导致纽约被夷为平地，数百万人丧生。这时候离小行星转移就只有两年时间，我们唯一的手段就是利用核武器把这个小行星炸成碎块，让它在大气层当中烧掉。但是在联合框架下，各国代表围绕着使用核武器的法律问题，安全性问题、核污染问题争执不下，最终错过了处置的任务的窗口。在这场模拟的演习中，我们眼睁睁的看着这个小行星把纽约夷为平地，这就是我们面临的一些问题。所以小行星防御它不仅仅是技术问题，它有很多复杂的社会问题。所以我们也永远不要低估人类社会的复杂性。我们提出几个问题，比如小行星撞击事件发生的非洲，谁去来处置？我们在处置小行星，在过程中怎么能避免损害第三方的利益？我们处置权的过程中会不会弄巧成拙？比如像《不要抬头》电影中，利益熏心的商人，为了开采彗星的资源，引导彗星降落在太平洋中，最后导致全球毁灭的故事。这样的事情未来会不会可能发生？这些都需要我们未雨绸缪的去考虑，才能在有一天小行星真的到来的时候，我们不至于手忙脚乱，手足无措，所以要正确应对小行星撞击，我们需要做的第二个正确的准备工作就是充分认识小行星防御的技术复杂性和社会复杂性。一方面我们要发展高效的小行星防御技术，为我们应对小行星撞击威胁提供更加丰富的武器库和选项。另一方面，我们要同步开展防御小行星的法律法规问题，风险和收益问题，应对流程和决策机制问题，国际协调问题的研究，避免在无谓的争执中错过处置任务的窗口，酿成不必要的悲剧。

　　除了在地面上演习，通过地面的演习能够检验我们的应对流程决策之外，找到薄弱环节之外，我们还需要在太空中以真实的小行星为对象，通过真枪实弹的实验来检验我们应对小行星的技术手段，来提升我们应对小行星的技术能力。核爆如果是被允许的，我们就应该在太空中开展核爆防御小行星的实验。不然如果有一天真的我们需要利用核爆防御小行星的时候，我们怎么能保证没有练习就能一次防御成功呢？如果防御小行星采用核爆这种手段是不合法的，我们就应该发展更加高效的先进的非核的防御小行星的手段，并且通过实验我们提升掌握这种防御小行星的能力。

　　动能撞击被认为是目前最高效简单可行的小行星机防御手段。但其实在我们星级防御的领域的专家来看，动能状与反应小星也是以卵击石，为什么？小行星像一个小山这么大，它的重量可能达到几百万吨，几千万吨，而我们的航天器才多重？几百公斤、几吨、十几吨，两者相差6~7个数量级。所以我们要利用动能撞击防御小行星，就需要很多发运载火箭才能把小行星改变它的轨道，偏转出撞击地球的轨道。其实这个方面美国宇航局做了一个计算，假设我们要提前10年时间，还有一个直径500米的贝努小行星，偏转出1.4个地球半径大概9000公里，那需要多少枚运载火箭呢？需要75枚重型火箭来同时发射。75枚啊！这意味着对我们的工程可靠性提出了极高的要求，失败的风险是非常大的。

　　有没有更好的办法？我们课题组在2020年的时候提出了一种新的办法，叫做“以石击石”。当一颗大型小行星来撞击地球的时候，我们不是直接是通过单薄的航天器去撞击小行星，而是通过航天器在太空中辗转腾挪，像打太极一样，先捕获一颗更小的小行星，或者说停靠一个大直径小行星在上面捡一块石头，然后推动这块岩石去撞击来袭的小行星。这样就有可能把我们撞击体的重量从几吨十几吨做到几十吨甚至上百吨。“以石击石”的方式，其实它是利用小行星的力量来防御小行星，起到一个四两拨千斤的效果。这个计算表明它对小行星防御的效果比传统的动能撞击可以提升10倍以上，但是它本身的难度也是非常大的。但它为我们提供一个非核的防御大型小行星的思路，这里面有没有一些方案也比较简单，同时效果也比较好的方法。

　　在2021一年的时候，我们注意到中国新一代的运载火箭长征5号，它的发射。长征5号被网友称为“胖五”，为什么？因为它的体型非常庞大，它的火箭末级的重量可以达到6吨到7吨重，航天接近也是在几吨的重量。在传统的航天发射活动中，当我们的运载火箭把卫星送到目标轨道之后，需要实施星舰分离，因为火箭末级对卫星没用了，但对于动能撞击任务我们缺的什么？我们缺的是重量，我们能不能新建不分离，反而我们实现航天器与火箭末级一体化的设计，自由利用航天器引导末级去撞击小行星，我们把这个想法和长征5号的团队进行了交流，他们也非常开心。我们一块做了个计算，发现如果利用“末级击石”这种方式，一发长征5号可以起到3发长征5号的效果。

　　还记得我们刚刚讲的75发一重型的火箭防御直径500米的小行星的案例中，用“末级击石”的方式，我们只需要23发运载火箭，也就是我们节省了50多枚运载火箭，真可谓是大块头大智慧。在这个计算中我们其实还是忽略一个问题，我们在动能撞击响应的过程中，小行星也会产生一些溅射物，这些溅射物也会进一步增强撞击效果。根据美国去年做的实验，溅射物对撞向的增强可以达到2~4倍，这意味着我们可以实现比23枚火箭更少的火箭发射数量。根据计算考虑溅射物的增加效应之后，我们可以把防御贝努要的运载火箭数量从75枚节省到4~8枚。那4~8枚在工程上就属于一个非常可行的一个数字，所以我个人认为这是最简单高效成熟的方法。它不像“以石击石”炫酷，也不像核爆高能。它只是在动能撞击的基础上做了一点点的改进，但它简单高效使得人类在10年时间尺度偏转直径500米的小行星，提供了一种现实可行的选项。

　　所以我们要应对小行星撞击，我们要做的第三个正确准备工作就是发展新型的在轨处置技术，并且通过实验形成防御能力。在这过程中，我觉得我们应该始终坚站在全人类的高度去考虑应该去发展验证何种技术，而不是考虑这个技术是哪个部门提出来的，是谁提出来的。很高兴的是在今年中国航天日上，中国国家航天局宣布中国将在2030年之前实施一次动能撞击防御小行星的任务，能够为保卫地球安全做出中国力量贡献中国智慧。

　　地球是我们在宇宙中的唯一的家园，至少是最绝大多数地球人而言，在未来很长很长的一段时间内，地球仍然是我们在宇宙中的唯一的家园，所以防御小行星是我们地球人必须完成的任务。

　　那发展航天技术和空间科学为防御小行星提供了足够的可能。我们都生活在同一个星球上，当小行星、彗星撞击来临的时候，我们面临的是同一种命运，要正确应对小行星撞击威胁，我们就需要做出正确的准备，包括发展先进的天基监测预警任务，弥补地球监测预警系统的漏洞。

　　我们要充分认识到小行星防御的技术复杂性和社会复杂性，同步开展技术和社会两手的准备。我们要发展新型在轨处置技术，并通过在轨的飞行验证形成防御能力。只有这样，当小行星来临的时候，我们才能从容不迫发起反杀。谢谢大家。