撞擊試驗惹禍？探索小行星請注意_風聞

來源：中國航天報

近日，意大利科學家研究表明，美國宇航局實施的雙小行星重定向試驗（DART）導致大量碎石飛向火星，可能會干擾未來火星任務，也許會對後續的小行星觀測任務造成消極影響，甚至威脅航天器運行。那麼有關事件背後的原理是怎樣的？航天器探索小行星需要特別注意哪些要點？又該怎樣藉助新技術和新設計攻克難關，迴避“陷阱”？

撞擊意外引發擔憂

距離地球約1100萬公里外，直徑約160米的小行星迪莫弗斯正在繞着直徑約780米的小行星迪迪莫斯運行。2022年9月底，美國宇航局發射的重約550公斤的航天器以大約24000公里/時的速度故意撞擊了小行星迪莫弗斯，試圖改變其運行軌道，驗證通過動能撞擊方式偏轉近地小行星的可行性，從而為應對潛在威脅天體進行技術演練。

美國航天器撞擊小行星試驗效果圖

這次試驗不僅使小行星迪莫弗斯從原軌道偏移，運動軌跡發生變動，還改變了小行星形狀。在撞擊數週後，科學家證實，小行星迪莫弗斯繞小行星迪迪莫斯運行一週用時縮短了32分鐘，並從較對稱的球體變成了三軸橢球體。今年10月，歐空局將發射赫拉號探測器，記錄美方撞擊試驗後雙小行星系統的特徵，計劃對小行星上的撞擊坑進行成像，觀測其軌道及旋轉變化等，開展更詳盡的進一步研究。

然而，這次試驗也帶來了副作用。觀測顯示，航天器撞擊導致1.3萬噸～2.2萬噸物質從小行星中被噴射出來，相當於小行星總質量的0.3%～0.5%。這些物質形成了延伸數萬公里的彗星狀尾跡，包含大量碎石和灰塵。哈勃空間望遠鏡觀測到，尾跡中至少有37塊直徑在4～7米之間的碎石以完全不同的軌道飄散出來。需要説明的是，航天器在撞擊發生前兩秒鐘拍攝的最後一張特寫照片顯示，這些碎石很可能不是撞擊產生的小行星碎片，而是原本就散佈在小行星表面。

科學家對部分碎石的運動軌跡進行了研究，選取碎石樣本，仿真分析運動軌道，通過仔細模擬碎石在未來2萬年內繞太陽運行的各種方式，確認它們幾乎不可能進入地球大氣層——預計碎石距離地球最近的一次將是大約2500年後，兩者相距約306萬公里。

模擬分析顯示，飛散的碎石將穿越火星軌道，一旦與火星在軌道交叉點相遇，一些碎石就會穿透火星稀薄的大氣。如果這些碎石結構薄弱，那麼它們可能會在火星大氣中爆炸，否則，它們會撞擊火星地表並形成直徑200～300米的撞擊坑。可以説，這應該是第一場撞擊在火星表面的“人造流星雨”。不過，如果地球人想觀測碎石與火星碰撞的震撼場面，很可能需要等到6000年之後。當然，未來航天員不排除在糟糕的時間和不幸的地點探索火星附近，迎接碎石“洗禮”。

短期內，根據哈勃空間望遠鏡的觀測結果，這些碎石有可能逃離雙小行星系統的引力，威脅計劃在2026年抵達那裏的歐空局赫拉號探測器。儘管當前研究認為，雙小行星系統附近的碎石與赫拉號探測器碰撞的概率極低，但畢竟地面觀測距離遙遠，科學家擔心逐漸會有更多更復雜的碎石形成，屆時赫拉號探測器也許不得不驚心動魄地繞過這些危險障礙，從而提升任務風險和成本。

造訪小行星需留心

航天器探測小行星時，必然會綜合各種條件，需要選擇合適的目標。這些條件通常包括小行星的軌道、物理特性、科學價值以及任務的技術可行性等。因此，科研人員需要先對小行星進行詳細的觀測分析，以確定其探索價值。

歐空局赫拉號探測器需排除小行星碎石干擾

通常來説，小行星形狀不規則，引力場較弱，航天器的探索旅程易受到其他天體的引力干擾，因此瞭解小行星的軌道動力學和軌道不確定性顯得十分重要。航天器也必須具備精確的軌道控制和調整能力，確保安全地接近並繞行目標小行星。

此外，小行星周圍可能存在被微弱引力場拋撒到太空中的碎石塵埃，對不斷接近的航天器易造成較大威脅。為了避免與碎石碰撞或受塵埃“污染”，航天器需要預先設計緊急推進、改變軌道等避障策略。科研人員也有必要為航天器設置良好的防撞措施，比如強化結構、防撞氣囊等，盡最大努力確保任務成功。

由於小行星距離地球較遠，航天器與地球通信需耗費較長時間，涉及大量數據雙向傳輸，而信號延遲無疑限制了科研人員實時控制、下達指令的效率，迫使航天器必須具備高度自主性，以應對複雜危險的太空環境。同時，較遠的距離會導致通信信號減弱，要求航天器搭載高增益天線和大功率發射器，確保信號能夠穩定、清晰地傳回地球。

更不必説航天器還需要配備光學、熱學、力學、電磁學等領域的探測儀器，有效採集小行星數據並監測周圍環境，保障航天器安全高效地達成科學目標。

一般認為，更可能對地球生命造成致命傷害的天體大多是火星和木星之間的小行星帶碰撞碎片。DART任務無疑是一次成功的小行星軌道偏轉試驗，但這項試驗的意外後果證明：如果將來有一顆威脅人類的“殺手小行星”逼近地球，那麼人類努力改變其飛行軌道的同時，可能還需要考慮碎片去向等連鎖反應，避免釀成新的災難。

另外，在不太遙遠的將來，如果需要對富含珍貴礦物的外星球進行開採作業，那麼近地小行星有望成為合適的目標。DART任務警示人類，不能隨意地破壞小行星外表，需要在採礦作業前仔細考慮有可能脱落的大量碎石，防止其任意飄蕩在太空中，威脅地球和航天器。

新興技術潛力巨大

在探索小行星的旅途中，航天器面臨着無比嚴酷的環境，高能輻射、宇宙塵埃、微小星體乃至未知的粒子束流都構成了潛在威脅。在這樣的環境下，航天器有必要依靠先進技術和精密設計，力爭順利地執行任務。為此，至少3個領域的新技術有望發揮巨大潛力。

小行星探測器維持軌道位置面臨挑戰

首先是自主導航和環境監測系統。航天器繞弱引力小行星運行，既要保持恰當軌道位置，又要提防脱落碎石等威脅，加上與地球通信出現顯著延遲，需要藉助機器學習和人工智能算法，綜合處理星載陀螺儀、高分辨率相機、激光雷達等精密傳感器提供的數據，從而適應複雜的感知環境，及時做出智能決策。必要時，航天器應自主規劃實時路徑，高效精確地控制動力系統，進行引力補償與軌道變更，應對突發情況，自主識別潛在風險。

其次是航天智能材料。材料是航天器眾多新設計、新功能的基礎條件，可以使用形狀記憶合金、電活性聚合物、自修復材料等，通過温度或電場控制，適應不同的飛行條件，完成特定機動；可以藉助智能材料打造航天器外殼或熱防護系統，藉助外部刺激，儘量智能化恢復初始結構和功能；尤其在碎石塵埃或空間環境因素導致航天器損傷後，一定程度上的自動修復能力無疑可以提高航天器的操作效率和工作壽命。

第三是先進能源系統。一方面，新型太陽能系統可以負責長期可持續的能源供應，納米材料有望提高太陽能帆版的能量轉換效率，還可利用人工智能算法，自動調整帆板的角度和方向，適應日照條件不斷變化的空間環境。另一方面，新型固態電池可以提高能量存儲密度和循環壽命，並以相變材料儲存多餘熱能，應對光照不足的情況。

總之，宇宙探索之路艱辛漫長，挑戰與希望並存。藉助着科技力量，航天工作者力求不斷攻克難關，揭開宇宙的神秘面紗。未來，航天器必將更加高效、可靠地執行任務，帶回更多小行星的信息，幫助人類更深刻地理解太陽系的起源和演化，探索浩瀚宇宙。