衍射太阳帆可以以100公里/秒的速度偏转杀手级小行星

小行星不会自带警告标签。虽然目前没有已知小行星正与地球相撞，但天文学家每年都在发现数千颗新的小行星，未来发生撞击的可能性足够真实，值得认真进行行星防御规划。DART任务证明，动能撞击器——本质上是一根旨在将小行星推离轨道的巨大杆状物——可以移动一颗小行星。但该技术存在一个重大局限，北京航空航天大学的一个团队提出了另一种方法：使用一种新型太阳帆迎面撞击危险小行星。

为什么小行星防御需要多种选择

开发不止一种偏转方法的理由始于不确定性。近地天体目录不断增长，即使目前已知的小行星都没有朝地球飞来，下一颗危险天体也可能在预警有限的情况下被发现。偏转不是单一技术，而是一系列可能的应对手段，每种都有不同的时间、质量和能量要求。

DART展示了其中一种应对方式。通过撞向小行星Dimorphos，该任务表明动能撞击器可以改变小行星的运动。这一结果对行星防御而言是一个里程碑。然而，它并未解决所有操作问题。DART交会几何尤其重要，因为它决定了航天器能够传递多少能量。

DART证明了什么，又留下了什么未解问题

DART通过动能撞击器移动了一颗小行星，这是一种旨在将小行星推离轨道的巨大杆状物。该任务证明基本技术可行。但DART有一个重大缺陷：它与小行星同向飞行，并从后方接近。撞击器是在航天器环绕小行星运行时发射的，这意味着碰撞几何受到小行星自身绕太阳运动的限制。

如果有足够预警时间，这种方法可以奏效。然而，它需要多年的轨道力学机动才能实现。撞击器必须追上目标，匹配其方向，然后撞击它。在真正的紧急情况下，这些年份可能并不存在。更快、更直接的选择将很有价值——尤其是那种每公斤航天器质量能传递远更多能量的方案。

迎面撞击的能量论据

用撞击器偏转小行星归根结底取决于一个简单因素：能量。从撞击器传递给小行星的能量越多，小行星移动得越多。而能量随速度的平方增加。换句话说，物体撞击得越快，传递给目标的能量就越多。

DART以约6公里/秒的速度撞上Dimorphos。这是一个可观的速度，但它受到航天器与小行星同向接近这一事实的限制。根据北京航空航天大学的新论文，使用太阳帆的撞击器可以从相反方向接近小行星——类似于逆向行驶的司机——并以约100公里/秒的速度撞向目标。与DART测试相比，这种更高的闭合速度将传递约230倍于每公斤撞击器质量的力。

这一差异对任务设计至关重要。以100公里/秒进行的迎面撞击将允许相对较小的撞击器传递大量动量。太阳帆撞击器不必依赖蛮力质量，而是可以利用速度让每一公斤都发挥作用。

逆行轨道难题

关键在于让航天器朝相反方向运动。几乎所有天体都沿逆时针方向绕太阳运行，包括地球。当某物从地球发射时，它已经朝那个方向运动。要逆转该方向并进入顺时针或逆行轨道，说得委婉些，需要大量能量。

化学火箭无法做到。齐奥尔科夫斯基火箭方程的暴政使它们不可能携带足够燃料完成该机动。火箭方程将所需推进剂数量与速度变化绑定，而逆行轨迹要求极端的速度变化。因此，传统的化学任务前往逆行拦截并不是现实选择。

太阳帆有可能做到。这是北京航空航天大学提案背后的核心主张。太阳帆不携带推进剂，而是利用阳光本身作为动量来源，逐渐改变其轨迹。

太阳帆如何实现反向轨迹

太阳帆通过利用太阳辐射压工作——即光子撞到某物时施加的极小力量。本质上，它们像在阳光下航行，而不像传统化学或离子火箭那样需要燃料。任何单个光子的力都微乎其微，但一面大型轻质帆可以在广阔面积上收集这种压力，并用它缓慢加速航天器。

北京航空航天大学的构想围绕一种能够完成逆转方向这一艰巨工作的新型太阳帆。提出的衍射太阳帆不会产生突然的推力爆发。相反，它会随时间收集太阳辐射压，使航天器能够改变轨道，而不必承受化学推进剂的质量惩罚。这正是使逆行拦截可能可行的原因。

太阳帆技术已经在太空中进行过测试。行星协会的LightSail 2部署——文章相关任务图像中所示——展示了此类构想所依托的帆硬件类型。行星防御版本需要能力更强，但基本原理相同：利用阳光将航天器推向燃料有限的火箭无法到达的地方。

为什么早期探测仍然至关重要

以100公里/秒进行的迎面撞击将是一种非凡的偏转工具，但它不会消除早期预警的必要性。太阳帆的优势来自其无需燃料即可改变轨迹的能力，但这一优势取决于时间。帆必须在小行星到达拦截点之前部署、加速并机动进入逆行轨道。

如果危险小行星在撞击前仅数月才被发现，即使高能撞击器也可能没有足够时间到达。如果提前数年或数十年发现，缓慢但持续的太阳帆就可能拥有所需时间来完成交会设置。这使小行星巡天和跟踪项目成为同一行星防御系统的关键部分。

该策略还取决于对目标的精确了解。任务规划者需要知道小行星的轨道、大小、成分和自转。这些细节决定了该天体将如何响应撞击，以及偏转尝试会将其安全推离地球，还是仅仅以不可预测的方式使其碎裂。

仍有待证明的内容

能量传递的物理原理很直接。工程实现则不然。太阳帆撞击器需要可靠部署、在太空环境中存活、精确导航，并在长期任务中维持必要轨迹。它还需要到达逆行轨道，这是化学火箭无法执行但太阳帆可能实现的机动。

DART已经表明动能撞击可以改变小行星的运动。LightSail 2已经表明太阳帆可以在太空中部署。北京航空航天大学的提案将这两条证据结合为一个新的行星防御构想。下一步将是在专门任务中测试所需的帆性能、轨迹控制和拦截时机。

这些都不能使该构想今天即可投入使用。但它确实值得研究。如果该方法奏效，它将为行星防御工具箱增加一个高能选项——一个可以从相反方向撞击来袭小行星，而不是从后方追赶它的选项。

底线

杀手级小行星的风险在任何一年都很低，但并非为零。DART证明人类可以用动能撞击器移动小行星。北京航空航天大学的提案认为，衍射太阳帆可以实现以约100公里/秒进行的迎面撞击，每公斤撞击器质量传递的力约为DART的230倍。难点在于到达逆行轨道。化学火箭无法携带足够燃料，但太阳帆有可能做到。如果技术成熟且早期预警系统改善，阳光驱动的撞击器可能成为抵御未来威胁的强大新防线。

本文基于Universe Today的报道。阅读原文。