2032年小行星撞地球？皖企可为防御提供支撑

近期,编号为“2024 YR4”的小行星引起了全球科学界的高度关注。根据2月19日观测数据,这颗直径约40至100米的小行星,预计在2032年12月22日以约1.5%的概率撞击地球。“2024 YR4”的撞击能量相当于770万吨TNT,约为500颗“小男孩”原子弹的威力,可能引发7至8级地震。联合国已首次启动《行星安全协议》,协调全球科学家对“2024 YR4”进行长期跟踪监测。那么,人类将如何防御?

如何进行小行星防御?

落户于合肥高新区的中科星图测控技术股份有限公司主要专注航天器在轨管理及天地通信技术的研发和应用,该公司相关负责人介绍,从全球目前对小行星防御的技术看,行星防御通常采用多种主动手段,包括动能撞击、核爆、激光烧蚀、离子束牵引、引力拖曳和质量驱动等,以破坏小行星的结构或偏转其轨道。目前最有效的是动能撞击通过发射高速探测器撞击小行星,利用动量转移来改变其轨道。该方法在NASA(美国航空航天局)的“DART”任务中已得到初步验证,证明其可行性。其中,“以石击石”强化型动能撞击任务概念旨在突破地面发射人造撞击体的运载能力限制,计划在太空中捕获百吨级质量的岩石,以显著提升撞击体的质量,从而实现更有效的小行星防御。

动能撞击被视为防御小行星的有效策略,但在实际应用中仍面临多重挑战。

1、精确轨道计算。小行星的轨道受引力扰动、光压和自旋等多种因素影响,导致轨道预测复杂。准确预测其未来轨道需要复杂的数学模型和高精度测量数据。

2、确定最佳撞击时间窗口。选择最佳撞击时机需考虑小行星的运动速度、方向及其与地球的相对位置。这一窗口通常非常短,一旦错过,需要重新规划任务。

3、导航与制导精度。探测器在高速移动的小行星附近需具备极高的导航精度,以确保在正确时刻以适当角度撞击目标。同时,还需实时调整以应对轨道变化和不确定性,这要求探测器具备高度自主性和快速反应能力。

4、可能产生的碎片。动能撞击可能导致小行星碎裂,产生多个小碎片,其轨道变得不可预测,从而增加对地球的威胁。因此,需迅速评估撞击后碎片的轨道演化,以制定相应的应对措施。

针对小行星防御面临的挑战,中国科学院提出了“末级击石”防御方案,即利用火箭末级与航天器组合,撞击潜在威胁小行星,以提升撞击效果。中国计划在2030年实现对小行星的动能撞击,2030-2035年间实现推离偏转,到2045年前初步具备小行星轨道控制能力。

我国首次近地小行星防御任务已明确科学和工程目标,选择了直径约30米的小行星2015 XF261作为目标。任务计划采用“伴飞+撞击+伴飞”的方式,通过一次任务实现动能撞击和在轨效果评估。研究重点包括行星撞击效果的高精度观测与评估、目标小行星的轨道特征和动力学演化规律、物理化学特性(形状、大小、成分、结构)以及动能撞击过程的动量传递规律(包括溅射物分布演化规律)等。

安徽技术可为防御提供全链条支撑

中科星图测控技术股份有限公司目前已研发上线洞察者空间信息分析平台,该平台通过集成多维度仿真工具与高精度航天算法库,为小行星防御任务提供全链条技术支撑,包括从监测预警到规避控制的各项核心能力。

平台的基础算法与高精度建模为小行星防御提供技术基础,其时空坐标转换功能支持J2000地心赤道惯性系、J2000日心黄道坐标系、小行星本体坐标系等多系统之间的转换,确保监测数据与轨道计算的时空一致性,精准定位小行星位置。平台的轨道预报和确定算法支持短期和长期预测,提供二体模型、SGP4、J2/J4摄动模型、HPOP等多种算法对小行星轨迹进行轨道预报,二体模型、SGP4、J2/J4摄动模型基于对后续任务进行快速预报定性研究,而HPOP考虑了厘米级以上摄动,实现高精度轨道预报(但计算非常耗时),确保小行星轨迹的长期跟踪与威胁评估。

在轨道设计与控制策略方面,该平台支持多种任务场景。轨道设计功能涵盖了拦截轨道、地月平动点轨道优化等,提供了包括Walker星座布局在内的协同监测方案,提升小行星监测覆盖率。通过火箭和导弹发射窗口的计算,确保动能撞击器或监测卫星能够准时抵达目标轨道。在轨道控制方面,平台支持低轨和高轨卫星的轨道维持与碰撞规避策略,利用优化后轨控策略算法,达到燃料消耗、变轨路径、完成时限等综合最优,并支持伴飞、绕飞和悬停等构型操作,适应多样化的探测任务需求。

该平台还提供风险分析与防御决策支持,碰撞预警分析功能利用超算引擎实时计算小行星与地球或航天器的接近参数,并输出风险等级评估报告,支持防御优先级排序。安全管道分析通过误差椭球建模,量化发射轨迹的不确定性,预测与在轨目标(包括碎片)的碰撞风险,并生成安全发射窗口与轨道修正建议。目标解体分析功能模拟小行星受撞击后的碎片云进行演化推演,预测解体位置与轨道分布,为二次撞击风险评估提供数据支持。此外,该平台还通过3D轨道可视化与碰撞热力图直观展示威胁演化路径,并自动生成多方案对比报告,帮助决策者在动能撞击、引力牵引或核爆偏移等防御方案中做出最优选择。

通过算法-数据-决策闭环,该平台可为小行星防御提供从“威胁发现”到“任务闭环”的完整解决方案,帮助提升人类应对地外天体威胁的能力,为全球贡献安徽科技力量。

安徽商报融媒体记者 郜征/文 周继龙