布魯斯·威利斯閃開，換“胖五”上_風聞

　　作者 | 向由

　　前不久，人們看到一則令人驚奇的新聞。據報道，中國科學家論證出一套方案，可以使用23枚長征五號火箭撞擊小行星，使小行星改變運行軌跡，從而保護地球。

　　什麼？用火箭來撞擊行星，這是哪一部腦洞大開的科幻片劇情嗎？

　　不，它是一項實實在在的課題研究。相關成果以《Assembled Kinetic Impactor for Deflecting Asteroids by Combining the Spacecraft with the Launch Vehicle Upper Stage》為題，發表在科學期刊《Icarus》上。

　　長征五號系列運載火箭外號“胖五”，是中國在2006年立項研製的一次性大型低温液體捆綁式運載火箭，也是中國新一代運載火箭中芯級直徑為5米的火箭系列。

　　長征五號運載火箭

　　在2013年的美國電影《地心引力》裏，中國空間站天宮一號成為了宇航員最後的救命稻草。更早以前，則是在《2012》中，中國建造的“諾亞方舟”拯救了人類命脈。西方電影人把中國科技置入電影，反映着中國尖端科技紮紮實實的進步。2021年中國空間站“入住”，更是讓全世界矚目。

　　“胖五撞小行星拯救地球”，不是電影，而是科研對現實的假設性回應。

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　　悲劇會重演嗎？

　　儘管行星撞地球的概率極低，但它一旦發生了，後果不可估量。

　　恐龍就是親歷者，並且無一倖存。

　　6500萬年前，一顆直徑長度約10公里的行星碎片，撞擊到如今的墨西哥尤卡坦半島位置，據科學家們估算，它的威力相當於100億顆廣島原子彈爆炸，直接導致了當時95%的地球生物滅亡。

　　《天地大沖撞》劇照

　　事實上，“隕石撞擊”説起步很晚，在上世紀50年代才被提出，到了80年代，科學家們找到了地質學證據，證明確有其事。

　　古生物的研究有了重大突破，同時，這也在人類心中埋下憂懼。

　　悲劇會重演嗎？

　　在這方面，藝術工作者總是快人一步。1998年，經典科幻災難片《絕世天劫》上映，電影中，一塊巨大的隕石朝地球而來，僅僅18天后，它就要撞上地球，人類面臨存亡危機。

　　在它之前，先是一場小型的“隕石雨”光臨紐約。隕石在大氣層的擠壓後，化身火球，看起來與導彈無異，城市建築、街道、人羣、車輛，全部置身於無差別的攻擊中。人們逃命時呼號：“又打仗了！”

　　《絕世天劫》劇照

　　令人印象深刻的是，在電影中，美國總統詢問科學家團隊，假如隕石撞上地球了，損失會有多大？

　　科學家團隊回答是：“損失？不，一切都會終結的，總統先生。”

　　在當年，《絕世天劫》取得了不俗票房，它將人類的“末日恐懼”具像化了，但在影片後半段，仍是現今看來俗套的個人英雄主義敍事。電影真正的現實意義，是在開場時的一段獨白中：

　　“地球上發生過的，將會再次發生，一切只是遲早的問題。”

　　這段台詞冷靜、殘酷，但它不是危言聳聽。

　　《絕世天劫》中，哈利為了完成核攻擊隕石任務，最終犧牲

　　現實是，的確有小行星的運行軌跡，與地球軌跡重合或接近，可能危及地球安全，它們被稱為“近地小行星”。

　　“近地小行星”的數量還相當多。截至2020年1月7日，據美國近地天體研究中心統計，共發現 21776 顆近地小行星，其中，直徑大於140m 的有8946顆，直徑1km以上的小行星905顆。 

　　它們的威力如何呢？

　　據科學界測算，直徑100米的小行星撞擊地球，能毀滅一座大城市。如果是直徑超過10千米的小行星撞擊地球，就會造成全球性毀滅。

　　《絕世天劫》劇照

　　事實上，“小行星撞擊地球”的事件，幾乎每天都在發生。據統計，平均每年有700顆隕石落入地球，日均1.9顆。只不過，它們的體積要小得多，一般不造成危害。

　　在真正引起關注的撞擊事件中，最近一次是在2013年2月15日，一顆直徑約17米的小行星，以每秒30-40公里的速度，撞向俄羅斯車里雅賓斯克州的薩特卡市。

　　這起事件，史稱“2·15車里雅賓斯克隕石墜落事件”。從羣眾拍攝的視頻中，可以看到，這顆火球拖着發光的尾巴，亮度超過了太陽亮度。當時，俄國官方雖然觀測到隕石，但是毫無辦法應對。

　　隕石事件造成了超過1500人受傷，而這已經是“不幸中的萬幸”。因為，隕石並沒有直接撞到地面，而是在半空中解體爆炸，這就大大降低了危害。

　　甚至在事後，有人在視頻中發現，疑似有物體從後面追上隕石、“擊穿”隕石令其爆炸。因此在網絡中，有一則流傳頗廣的説法，認為是神秘的力量在暗中保護着地球。

　　但是有一説一，恐龍們肯定不會同意。

　　“2·15車里雅賓斯克隕石墜落事件”，隕石墜入冰凍的切巴爾庫爾湖中形成冰窟窿

2

　　真的“地球保衞戰”

　　恐龍滅絕的事實，將道理説得很明白：從來就沒有救世主，一切只能靠自己。

　　假設有一天，真的發現了一顆巨大隕石撞向地球，人類能做的只有想盡辦法、改變小行星的運行軌跡。

　　這事兒無論怎麼説，都太科幻了。

　　不妨回到科幻片《絕世天劫》，看看電影是怎麼做的。電影中，科學家們提出，利用核彈的力量改變小行星運行軌跡，具體來説，要將一隊人馬送上隕石，在隕石上鑽出一個約850米深的洞，再將核彈埋在洞中、遠程引爆。

　　《絕世天劫》中，在隕石上鑿出的洞

　　《絕世天劫》的做法，在現實中被稱為“核攻擊法”。

　　“核攻擊法”是指，採用裝有核物質的探測器沿着攔截軌道、向目標小行星高速運行，通過在合適的爆炸點引爆，或將核爆炸物置於小行星表面一定深度內引爆，從而使小行星獲得一個速度增量，改變原有運行軌道，實現軌道偏轉。

　　核彈是“國之重器”，要應對千鈞一髮的危機。核攻擊法的適用範圍是，當危險小行星撞來的預警時間非常短之時（比如預警時間小於10年）。它的優勢是，能量大，應對快。

　　不過，核攻擊法有着顯著的“後遺症”。首先是，核彈爆炸後的核污染之大，不能完全可控。其次是，核彈爆炸後，小行星分解成的大小碎片，仍然對地球有着潛在風險，並不是一了百了。

　　核攻擊法之外，另一個主流的方案是“動能撞擊”，而且，它是目前唯一得到在軌驗證的小行星防禦方法 。

　　動能撞擊效果圖

　　動能撞擊是指，基於動量轉移原理，航天器發射一個或多個動能撞擊器，進入攔截軌道與小行星直接碰撞，或者以一定的相對速度嵌入小行星，用其自身動能來影響甚至改變小行星的運行軌道。 

　　2005年7月4日，美國NASA主導的“深度撞擊”項目成功，航天器釋放出一顆372公斤級的鋼彈，撞擊了“坦普爾1號”彗星的核，這可以看作一次“動能撞擊”方案的在軌測試。它驗證了方案可行性，但據報道，這次撞擊不會改變彗星的軌道。

　　動能撞擊雖然可行，但我們知道，牛頓力學下的動量P = m·v，那麼，小行星的質量越大、速率越高，要改變其軌跡所需的動能就越多。

　　因此，動能撞擊的方案，適用範圍是直徑小於150米的小行星。對大質量或大直徑的小行星，該方案的有效性受到了限制。

　　但反過來看，基於同樣的物理定律，我們希望“動能撞擊器”的質量越大越好。而這，就是文章開頭提到的課題研究的重點。

　　據報道，幾名中國科學家對傳統的動能撞擊進行了“升級”，升級後的方案稱之為“末級擊石”。

　　“末級擊石”行星防禦任務方案示意圖

　　“末級擊石”是指，航天器進入深空逃逸軌道後，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危地小行星，從而充分利用火箭末級的剩餘重量，提升撞擊小行星的動量，進而提升小行星軌道偏轉能力。 

　　“末級擊石”的功效如何呢？

　　根據測算，相比於傳統動能撞擊方案，利用單髮長徵五號發射“末級擊石”任務的偏轉效果，可等效於三髮長徵五號發射傳統動能撞擊任務的偏轉效果。

　　同時，對於十年內偏轉直徑140米的小行星軌道，偏轉距離可由不足一倍地球半徑提升至一倍地球半徑以上。

　　就這樣，在與動能撞擊同等目標的前提下，一種潛在的高效方案誕生了。

3

　　揮向太空的“組合拳”

　　以上介紹的核攻擊法和動能撞擊（包括“末級擊石”），都可以歸到同一類別：脈衝法。脈衝法是指，通過瞬間強大的外力作用，使小行星發生軌道偏轉。

　　從中可見，科研人員真不是“做題家”，到了存亡之際時，還要靠他們的腦洞拯救地球呢。

　　除了脈衝法，科學家們還設計了其他不少方案，它們可以歸類為“慢推力法”。這當中的腦洞就開得更燦爛了。

　　顧名思義，“慢推力法”是指，通過外力持續作用於小行星，緩慢改變小行星運行軌道。它沒有脈衝法的激烈，所需要的時間就更長，不適用於預警時間短的危急情形。

　　但相對的，它更精確、可控，能夠避免衍生危害。

　　要怎樣對小行星施加外力呢？

　　首先是“引力牽引”，基於萬有引力定理，讓航天器的引力拖動着小行星改變軌道，這種辦法簡單粗暴，只需讓航天器相對於小行星保持懸停，但耗費的時間往往很長，10年起步。

　　《蒼穹浩瀚》中，飛船軌跡改變了小行星運行軌道

　　接着是“激光消融 / 燒蝕方法”，通過航天器攜帶的激光器發射激光，照射小行星表面，令小行星表面等離子體脱落，持續產生微小的反作用力，從而逐漸改變小行星軌道。

　　與之類似的是“離子束引導”，發射高指向性、高精度、高速度的離子束，對目標小行星進行持續照射，產生的推力緩緩改變小行星的軌道，最終讓它偏離。 

　　各種方案不一而足，比如“質量驅動法”，是將航天器發射到小行星表面，隨後，航天器鑽取物質、高速噴出，利用由此形成的反作用力，最終實現偏轉。

　　以上介紹的“慢推動法”，比起脈衝法似乎少了些科幻色彩，視覺上弱了很多，因此，大概率不會被改編成電影了。但它們的優勢是，能夠“組合使用”——在預警時間足夠的情形下，可對一顆小行星實行多種慢推動方案。

　　想象一下，在萬眾矚目中，一顆小行星被引力牽引，它的身邊有成羣的航天器懸停，同時它被N條“光線”齊齊照射，好似熱鬧非凡。在它離開的方向上，噴出的物質像一條短短的尾巴……這個畫面，也是一種奇觀了。

　　當然，但願這奇觀永遠不出現。無垠的星空，保持你安靜的美麗就夠了！

　　參考資料：

　　1、《潛在危險性小行星偏轉方法研究現狀》，楊慧欣，馬世宇等。

　　2、《基於偏轉距離近似模型的動能撞擊小行星防禦任務脈衝軌道優化研究 》，王藝睿，李明濤等。

　　3、《空間中心提出應對潛在威脅小行星的“末級擊石”防禦方案》，國家空間科學中心。