來源：太空夢想
轉載：國家空間科學中心
地球在宇宙中看似寧靜，但卻無時無刻不處于近地小行星撞擊這把“達摩克利斯劍”的威脅之下。地球歷史上共發生了22次不同程度的生物滅絕，至少11次與近地小行星撞擊相關。
我國境內也經常發生小行星撞擊事件。比如近年來2014年內蒙古錫林郭勒盟、2017年云南香格里拉、2018年云南西雙版納、2019年吉林松原、2020年青海玉樹、2021年河南駐馬店等發生了火流星事件（指直徑在米級的小行星進入大氣層時，超高速氣動熱/力作用會使其劇烈燒蝕、爆炸解體乃至燒為灰燼，發出很強的光輻射現象）。雖然均未造成災難，但已威脅到了人們的生產、生活安全。
就全球而言，僅2021年已發生近地小行星飛掠地球事件1605次，觀測到29顆小行星進入地球大氣層發生火流星事件。
答案是肯定的。相比地震、洪水等自然災害，小行星撞擊地球危害具有三個特點：1)瞬間發生的全球性災害；2)對小行星撞擊的時間、撞擊地點及危害程度可以有較準確的提前預報（幾周至幾年）；3)小行星撞擊利用現代航天技術是可以完全避免的。
針對小行星撞擊的這三個特點，簡單來說，應對小行星撞擊地球問題可以歸納為如下幾個步驟：(a)找到小行星；(b)確定撞擊風險；(c)針對撞擊風險較高的小行星提前制定防御行動方案；(d)實施空間任務行動完成小行星防御。
具體防御流程從高風險小行星發現開始，通過持續跟蹤確定并不斷更新其精確軌道。據此判斷其撞擊威脅，若撞擊威脅低于閾值，則威脅解除，該小行星轉入持續跟蹤編目。若撞擊威脅高于閾值則對其撞擊危害進行初步評估，根據結果決策是否啟動防御任務。對于撞擊危害低的小行星，不啟動防御任務，但對其可能的地面災害進行預估。對于撞擊危害高的小行星，則啟動防御任務。
小行星撞擊防御流程
防御任務第一步需根據預警時間和小行星實際情況通過遠程觀測或抵近探測的方式盡可能詳細的獲取目標小行星特性，包括軌道、材質、形狀、結構、自旋等。根據目標特性選擇防御手段、分析防御策略、篩選應急預案，完成詳細防御方案設計，并評估防御效能與成本。同時，還需要根據不同的地面災害效應評估結果做好災害救援準備。
從歷史情況看，直徑1千米以上的撞擊事件發生概率較低，短期內也難有有效防御技術，而10米以下的撞擊危害較小，因此，10米至1千米的近地小行星是國際社會關注和防御的重點。
近地小行星防御技術是指：在能夠對危險近地小行星提前預警的前提下，對小行星施加外力，改變小行星軌道避免其撞擊地球(偏轉，Deflection)，或將小行星分裂成碎片避免或降低其對地球的危害(摧毀，Disruption)。
根據外力作用過程的長短又可分為瞬時作用技術和長期作用技術。前者包括動能撞擊防御技術以及常在電影里看到的核爆炸防御技術。后者包括質量驅動、拖船、太陽光壓、引力牽引、激光驅動、離子束等技術，這些手段通常需要幾年甚至幾十年的長期作用來偏轉小行星的軌道，只適用于防御預警時間足夠長的小行星。
動能撞擊防御技術是指發射撞擊體高速撞擊危險小行星，使小行星軌道發生偏離，或將小行星撞裂成較小的碎片。動能撞擊防御方法技術簡單、啟動迅速、靈活性強、作用效果明顯，是一種實際可行且已在NASA的“深度撞擊“（Deep Impact）任務中得到部分驗證的技術。
Deep Impact任務于2005年1月12日發射，通過一枚重約370 kg的銅制小型撞擊器以約10 km/s的速度撞擊Tempel-1號彗星彗核。撞擊后的3年時間內，Tempel-1號彗星位置變化了約10 km。這是人類首次用撞擊器撞擊彗星，證明了動能撞擊防御小行星的可行性，為人類防御地球遭遇小天體撞擊危險積累了寶貴經驗，也為探究太陽系起源提供了新的線索和重要數據。
2021年，NASA和ESA聯合開展“小行星撞擊偏轉評估計劃（Asteroid Impact and Deflection Assessment, AIDA）”，這是針對動能撞擊防御技術的在進一步軌驗證試驗。AIDA中的 “雙小行星重定向測試（Double Asteroid Redirection Test，DART）任務由NASA負責實施，已于2021年11月24日發射。
DART任務示意圖
DART航天器展開太陽能陣列（示意圖）
該任務是利用一顆重約550公斤的撞擊器以相對速度6.25km/s撞擊距離地球1100萬km遠的雙小行星中的子星Dimorphos（直徑160m），撞擊后預估Dimorphos的速度變化約0.4mm/s，周期會發生改變，然后通過地面設備和伴飛小衛星LiCIACube開展觀測，獲得實際的撞擊效應，驗證動能撞擊偏轉模型，DART任務如圖4。AIDA中的HERA任務由ESA負責實施，預計2023年發射，將于撞擊小行星4年后抵達，著陸DART撞擊后Dimorphos小行星，實地直接測量DART撞擊效應，從而更精確地修正DART試驗中的動能撞擊偏轉模型。
DART航天器在撞擊雙星系統之前（示意圖）
值得一提的是，近年來，為在有限的運載能力下提高動能撞擊技術的防御效果，我國科學家提出了“以石擊石”和“末級擊石”兩種具有國際創新的新概念加強型動能撞擊防御技術。“以石擊石”是通過發射無人航天器捕獲小尺寸小行星或者在碎石堆小行星上采集超過100噸的巖石，與航天器構成組合撞擊體，操控組合體撞擊危險小行星。相比傳統動能撞擊防御技術，在相同的運載發射能力下，可將小行星的軌道偏移距離提高一個數量級。“末級擊石”是在航天器進入深空逃逸軌道后，火箭末級與航天器不實施星箭分離，由航天器操控末級組合體撞向目標小行星，從而充分利用火箭末級的剩余重量，提升撞擊小行星的動量，進而提升小行星軌道偏轉能力。
“以石擊石”行星防御任務概念示意圖
動能撞擊防御技術的優點是：技術成熟度目前最高，無需長期的軌道操作。其缺點是：對小行星幾何形狀、材質結構敏感，對多孔的疏松度高的小行星效果不佳。
核爆炸防御方式有兩種：一是利用核爆裝置直接炸毀目標小行星；二是利用爆炸產生的直接或間接作用力改變目標小行星軌道，避免其與地球相撞。根據目標小行星尺寸、材質、結構的不同，可選擇表面爆炸、對峙爆炸以及穿透爆炸三種方式。
表面爆炸：在表面或淺地下引爆核裝置，使目標小行星分裂成數塊碎片，適用于體積較小的小行星。
對峙爆炸：在距離目標小行星表面一定距離引爆核裝置，爆炸產生的熱中子、X射線以及γ射線輻射目標小行星表面產生高溫，引發目標小行星表面物質的噴射，噴射時產生的推力使目標小行星發生偏轉。適用于防御體積較大的目標小行星。
穿透爆炸：核裝置穿入目標小行星內部一定深度處發生爆炸，以摧毀小行星或改變其軌道。該方法的優勢在于除了核爆產生的爆炸能量外，爆炸引起的表面沖擊波能夠擴大作用效果。
核爆防御技術的優點是：無需長期的軌道操作，可應對預警時間短的大尺寸小行星。其缺點是：1）爆炸后產生碎片仍具備撞擊威脅；2）空間核設施引發的政治及安全問題。雖然利用核爆炸技術進行目標小行星防御的技術方案是可行的，但是該種技術所固有的風險可能引發政治和全球安全問題。以行星防御為唯一目的核爆炸技術，是否違反了《外層空間條約》中“禁止在外層空間部署核武器”的規定，仍存在很大的爭議。
引力牽引技術是一種非接觸式長期作用防御技術，其原理是航天器保持在相對于目標小行星的固定位置上,如圖6。根據萬有引力定律，航天器與小行星之間產生持續的相互作用力，從而使小行星產生持續的速度變化量，進而改變小行星的運行軌道。
引力牽引防御技術的優點是：1）不需要考慮小行星的組成、轉動、形貌等特征；2）不需要航天器在小行星表面著陸。其缺點是：1）對航天器長時間位置姿態控制要求高；2）作用力效果越大，需要的航天器質量越大，發射成本越大。
俄羅斯學者Yarkovsky研究發現，宇宙天體在旋轉過程中，太陽照射面的物質受熱向外輻射光子，熱光子輻射對小行星產生微弱的反作用力，影響天體運行軌跡，這一效應被稱為Yarkovsky效應。
Yarkovsky效應
基于Yarkovsky效應，可通過人為改變小行星表面反射率和導熱系數進而改變Yarkovsky效應作用力大小，實現對小行星軌道偏轉，這需要航天器在小行星表面進行噴涂任務。
雖然太陽光壓技術在原理上是可行的，但是1）Yarkovsky效應僅能產生微弱的作用力，使得偏轉作用周期長達幾十年甚至上百年時間；2）小行星不規則的形狀和表面導致作用力合力方向難以準確確定，也就限制了該技術方案的實際應用。
拖船技術是指在小行星表面部署帶有推進裝置的航天器或推進設備，利用發動機產生的推力對小行星施加作用力，從而逐漸改變小行星運行軌道。
拖船防御技術的優點是可長期產生較大的力的作用，其缺點是：1）受小行星外形和自旋影響；2）需要大量推進劑。
激光燒蝕驅動技術是一種高效的空間碎片清除技術，基于同樣的作用機理可用于小行星防御。該技術是一種非接觸式防御方法，采用一個功率足夠大的激光投射系統照射小行星表面，利用表面燒蝕產生的等離子體噴射所帶來的反作用力造成小行星的速度變化，進而改變小行星軌道。
動能撞擊-激光燒蝕驅動協同防御
激光燒蝕驅動防御技術的優點是：1）機動靈活，可部署于月球、地球低軌、地球同步軌道或者日地拉格朗日點；2）可長期遠距離作用。其缺點是對激光器功率、使用壽命等性能要求高。
質量驅動技術是在行星表面部署一個著陸器，并將小行星表面物質向外噴射產生反作用力，進而改變小行星軌道。同拖船技術一樣，該防御技術的作用效果受行星的自旋影響。著陸器需要選用太陽能、核能等能持續供給的能源，以保證能持續、長久驅動鉆取和噴射裝置。
質量驅動技術的優點是：1）對小行星運行速度影響大；2）不需要攜帶大量推進劑。缺點是：1）需要在小行星表面長期工作，對其自旋和材料敏感；2）技術難度大，成熟度低。
離子束偏移技術的工作原理同激光燒蝕驅動技術相似，安裝在航天器上的離子推力器，定向產生高指向精度、高速度的離子束對目標目標小行星表面進行持續照射，對小行星產生持續作用力，進而改變小行星的運行軌道。
離子束偏移技術的優點是：1）不受小行星外形材質等因素影響；2）不受航天器質量的限制。其缺點是作用力較弱，需長期作用。
近年來，為提高防御效能、降低工程實施難度，基于單一防御技術方案進一步發展出了組合防御技術方案。針對不同防御手段各自的局限性和優點，通過取長補短、優勢互補，形成不同防御手段相結合的組合防御方案。如動能撞擊與核爆相結合、動能撞擊與激光驅動相結合等。美國針對小行星阿波菲斯的探測和防御平臺計劃AEMP就是采用引力牽引法和光壓法（改變反照率）的組合防御方案設計。