撞击试验惹祸？探索小行星请注意

来源：中国航天报

近日，意大利科学家研究表明，美国宇航局实施的双小行星重定向试验（DART）导致大量碎石飞向火星，可能会干扰未来火星任务，也许会对后续的小行星观测任务造成消极影响，甚至威胁航天器运行。那么有关事件背后的原理是怎样的？航天器探索小行星需要特别注意哪些要点？又该怎样借助新技术和新设计攻克难关，回避“陷阱”？

撞击意外引发担忧

距离地球约1100万公里外，直径约160米的小行星迪莫弗斯正在绕着直径约780米的小行星迪迪莫斯运行。2022年9月底，美国宇航局发射的重约550公斤的航天器以大约24000公里/时的速度故意撞击了小行星迪莫弗斯，试图改变其运行轨道，验证通过动能撞击方式偏转近地小行星的可行性，从而为应对潜在威胁天体进行技术演练。

美国航天器撞击小行星试验效果图

这次试验不仅使小行星迪莫弗斯从原轨道偏移，运动轨迹发生变动，还改变了小行星形状。在撞击数周后，科学家证实，小行星迪莫弗斯绕小行星迪迪莫斯运行一周用时缩短了32分钟，并从较对称的球体变成了三轴椭球体。今年10月，欧空局将发射赫拉号探测器，记录美方撞击试验后双小行星系统的特征，计划对小行星上的撞击坑进行成像，观测其轨道及旋转变化等，开展更详尽的进一步研究。

然而，这次试验也带来了副作用。观测显示，航天器撞击导致1.3万吨～2.2万吨物质从小行星中被喷射出来，相当于小行星总质量的0.3%～0.5%。这些物质形成了延伸数万公里的彗星状尾迹，包含大量碎石和灰尘。哈勃空间望远镜观测到，尾迹中至少有37块直径在4～7米之间的碎石以完全不同的轨道飘散出来。需要说明的是，航天器在撞击发生前两秒钟拍摄的最后一张特写照片显示，这些碎石很可能不是撞击产生的小行星碎片，而是原本就散布在小行星表面。

科学家对部分碎石的运动轨迹进行了研究，选取碎石样本，仿真分析运动轨道，通过仔细模拟碎石在未来2万年内绕太阳运行的各种方式，确认它们几乎不可能进入地球大气层——预计碎石距离地球最近的一次将是大约2500年后，两者相距约306万公里。

模拟分析显示，飞散的碎石将穿越火星轨道，一旦与火星在轨道交叉点相遇，一些碎石就会穿透火星稀薄的大气。如果这些碎石结构薄弱，那么它们可能会在火星大气中爆炸，否则，它们会撞击火星地表并形成直径200～300米的撞击坑。可以说，这应该是第一场撞击在火星表面的“人造流星雨”。不过，如果地球人想观测碎石与火星碰撞的震撼场面，很可能需要等到6000年之后。当然，未来航天员不排除在糟糕的时间和不幸的地点探索火星附近，迎接碎石“洗礼”。

短期内，根据哈勃空间望远镜的观测结果，这些碎石有可能逃离双小行星系统的引力，威胁计划在2026年抵达那里的欧空局赫拉号探测器。尽管当前研究认为，双小行星系统附近的碎石与赫拉号探测器碰撞的概率极低，但毕竟地面观测距离遥远，科学家担心逐渐会有更多更复杂的碎石形成，届时赫拉号探测器也许不得不惊心动魄地绕过这些危险障碍，从而提升任务风险和成本。

造访小行星需留心

航天器探测小行星时，必然会综合各种条件，需要选择合适的目标。这些条件通常包括小行星的轨道、物理特性、科学价值以及任务的技术可行性等。因此，科研人员需要先对小行星进行详细的观测分析，以确定其探索价值。

欧空局赫拉号探测器需排除小行星碎石干扰

通常来说，小行星形状不规则，引力场较弱，航天器的探索旅程易受到其他天体的引力干扰，因此了解小行星的轨道动力学和轨道不确定性显得十分重要。航天器也必须具备精确的轨道控制和调整能力，确保安全地接近并绕行目标小行星。

此外，小行星周围可能存在被微弱引力场抛撒到太空中的碎石尘埃，对不断接近的航天器易造成较大威胁。为了避免与碎石碰撞或受尘埃“污染”，航天器需要预先设计紧急推进、改变轨道等避障策略。科研人员也有必要为航天器设置良好的防撞措施，比如强化结构、防撞气囊等，尽最大努力确保任务成功。

由于小行星距离地球较远，航天器与地球通信需耗费较长时间，涉及大量数据双向传输，而信号延迟无疑限制了科研人员实时控制、下达指令的效率，迫使航天器必须具备高度自主性，以应对复杂危险的太空环境。同时，较远的距离会导致通信信号减弱，要求航天器搭载高增益天线和大功率发射器，确保信号能够稳定、清晰地传回地球。

更不必说航天器还需要配备光学、热学、力学、电磁学等领域的探测仪器，有效采集小行星数据并监测周围环境，保障航天器安全高效地达成科学目标。

一般认为，更可能对地球生命造成致命伤害的天体大多是火星和木星之间的小行星带碰撞碎片。DART任务无疑是一次成功的小行星轨道偏转试验，但这项试验的意外后果证明：如果将来有一颗威胁人类的“杀手小行星”逼近地球，那么人类努力改变其飞行轨道的同时，可能还需要考虑碎片去向等连锁反应，避免酿成新的灾难。

另外，在不太遥远的将来，如果需要对富含珍贵矿物的外星球进行开采作业，那么近地小行星有望成为合适的目标。DART任务警示人类，不能随意地破坏小行星外表，需要在采矿作业前仔细考虑有可能脱落的大量碎石，防止其任意飘荡在太空中，威胁地球和航天器。

新兴技术潜力巨大

在探索小行星的旅途中，航天器面临着无比严酷的环境，高能辐射、宇宙尘埃、微小星体乃至未知的粒子束流都构成了潜在威胁。在这样的环境下，航天器有必要依靠先进技术和精密设计，力争顺利地执行任务。为此，至少3个领域的新技术有望发挥巨大潜力。

小行星探测器维持轨道位置面临挑战

首先是自主导航和环境监测系统。航天器绕弱引力小行星运行，既要保持恰当轨道位置，又要提防脱落碎石等威胁，加上与地球通信出现显著延迟，需要借助机器学习和人工智能算法，综合处理星载陀螺仪、高分辨率相机、激光雷达等精密传感器提供的数据，从而适应复杂的感知环境，及时做出智能决策。必要时，航天器应自主规划实时路径，高效精确地控制动力系统，进行引力补偿与轨道变更，应对突发情况，自主识别潜在风险。

其次是航天智能材料。材料是航天器众多新设计、新功能的基础条件，可以使用形状记忆合金、电活性聚合物、自修复材料等，通过温度或电场控制，适应不同的飞行条件，完成特定机动；可以借助智能材料打造航天器外壳或热防护系统，借助外部刺激，尽量智能化恢复初始结构和功能；尤其在碎石尘埃或空间环境因素导致航天器损伤后，一定程度上的自动修复能力无疑可以提高航天器的操作效率和工作寿命。

第三是先进能源系统。一方面，新型太阳能系统可以负责长期可持续的能源供应，纳米材料有望提高太阳能帆版的能量转换效率，还可利用人工智能算法，自动调整帆板的角度和方向，适应日照条件不断变化的空间环境。另一方面，新型固态电池可以提高能量存储密度和循环寿命，并以相变材料储存多余热能，应对光照不足的情况。

总之，宇宙探索之路艰辛漫长，挑战与希望并存。借助着科技力量，航天工作者力求不断攻克难关，揭开宇宙的神秘面纱。未来，航天器必将更加高效、可靠地执行任务，带回更多小行星的信息，帮助人类更深刻地理解太阳系的起源和演化，探索浩瀚宇宙。