吳偉仁 ,龔自正 ,唐玉華,張品亮
(1. 探月與航天工程中心,北京 100190;2. 深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230026;3. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094;4. 遼寧大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院,沈陽 110036)
在天文學(xué)上,將軌道近日點(diǎn)距離在1.3 AU(1 AU = 1.496×108km)以內(nèi)的小行星稱為近地小行星(NEA)。截至2022年3月7日,已發(fā)現(xiàn)的NEA共有28 464顆 [1],其中直徑大于140 m的有10 024顆,直徑大于1 km的有887顆,具有潛在危險(xiǎn)的有2263顆。NEA亮度暗弱、分布廣泛、難以發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)軌道易受大行星牽引而改變;可能與地球交會(huì),撞擊地球具有一定的突發(fā)性。在歷史上,NEA撞擊地球事件頻發(fā)[2~6]。地球上發(fā)生過22次不同程度的生物滅絕事件,至少10次是由NEA撞擊地球所致 [7]。2013年2月15日,一顆直徑約為18 m、 質(zhì)量約為7000 t的NEA以18.6 km/s的速度在俄羅斯車?yán)镅刨e斯克地區(qū)約30 km高空爆炸,造成了人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。僅在2021年,全球發(fā)生NEA飛掠地球事件約1600次,觀測(cè)到29顆NEA進(jìn)入地球大氣層;我國的河南省駐馬店市等地也發(fā)生了火流星事件。
NEA飛向地球,在大氣層會(huì)發(fā)生空爆,撞擊到地表可能引發(fā)地震、海嘯、火山爆發(fā),還可能導(dǎo)致全球氣候環(huán)境災(zāi)變,甚至造成全球性生物滅絕和文明消失;作為人類長(zhǎng)期面臨的重大潛在威脅,需要世界各國聯(lián)合應(yīng)對(duì);也給國際航天界、天文界等領(lǐng)域帶來了重大科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)。關(guān)于NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì),國際上一般稱為行星防御。1994年彗–木撞擊事件、2013年俄羅斯車?yán)镅刨e斯克NEA撞擊事件,都促使相關(guān)問題得到國際社會(huì)的普遍重視,如聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(huì)(UNCOPUOS)、政府、非政府3個(gè)層面都成立了行星防御組織,積極開展應(yīng)對(duì)工作。1995年,聯(lián)合國首次召開“預(yù)防近地天體撞擊地球”國際研討會(huì)。2014年,在UNCOPUOS框架下成立國際小行星預(yù)警網(wǎng)(IAWN)、空間任務(wù)規(guī)劃咨詢小組(SMPAG)。2016年,聯(lián)合國大會(huì)將每年的6月30日定為國際小行星日,以引導(dǎo)公眾更多了解NEA對(duì)地球的潛在威脅。2009年起,國際宇航科學(xué)院、聯(lián)合國外空司定期舉辦國際行星防御大會(huì)(PDC)。在政府層面,美國成立了行星防御協(xié)調(diào)辦公室(PDCO)(2016年),發(fā)布了《國家近地天體應(yīng)對(duì)戰(zhàn)略及行動(dòng)計(jì)劃》(2018年) [8],旨在提升NEA的發(fā)現(xiàn)、跟蹤、表征能力并發(fā)展NEA偏轉(zhuǎn)和摧毀技術(shù),頒布了《近地天體撞擊威脅緊急協(xié)議報(bào)告》(2021年)[9];德國、英國、俄羅斯、日本等國家先后成立了近地天體監(jiān)測(cè)預(yù)警防御中心。
相比之下,我國NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)工作起步較晚,研究工作多為自發(fā)、零星、分散,缺乏綜合性部署規(guī)劃和專門的支持渠道,導(dǎo)致基礎(chǔ)薄弱、國際貢獻(xiàn)率低、國際話語權(quán)??;與優(yōu)勢(shì)國家的差距呈現(xiàn)拉大趨勢(shì),既不利于國家安全,也影響了在面臨NEA撞擊威脅這種攸關(guān)全球安危重大事件時(shí)的自主決策和主導(dǎo)權(quán),與負(fù)責(zé)任、有擔(dān)當(dāng)?shù)拇髧蜗?,建設(shè)科技強(qiáng)國、航天強(qiáng)國的國際地位不相稱。2021年起,國家航天局聯(lián)合有關(guān)部委,啟動(dòng)了我國NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)的中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃論證工作,旨在系統(tǒng)性加強(qiáng)NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)處置能力。本文作為相關(guān)研究的先導(dǎo)內(nèi)容,剖析應(yīng)對(duì)需求、梳理現(xiàn)狀趨勢(shì)、總結(jié)面臨差距,提出發(fā)展目標(biāo)、論證體系構(gòu)成、策劃重點(diǎn)任務(wù),以期為NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)相關(guān)的國家規(guī)劃制定、總體研究工作提供基礎(chǔ)參考。
NEA撞擊地球產(chǎn)生的危害程度與撞擊能量直接相關(guān) [10],相應(yīng)過程分為超高速進(jìn)入大氣層、撞擊地表、長(zhǎng)期環(huán)境效應(yīng)3個(gè)階段(見圖1)。NEA以極高速度(約20 km/s)進(jìn)入地球大氣層,在大氣層中形成高溫、高壓沖擊波;沖擊波向地表傳播,引起地面超壓損傷。NEA在氣動(dòng)熱、氣動(dòng)力耦合作用下出現(xiàn)劇烈燒蝕和解體,甚至在空中爆炸形成火球,與大氣分子電離一起形成熱輻射,進(jìn)而傳至地表造成熱輻射損傷并引發(fā)森林大火。直徑較小、結(jié)構(gòu)疏松度較大的解體碎塊,將在大氣層中燒為灰燼;直徑較大、結(jié)構(gòu)疏松度較小的解體碎塊,將穿過大氣層撞擊到地球表面,在短時(shí)間內(nèi)急劇釋放其攜帶的巨大動(dòng)能。通常直徑大于60 m的石質(zhì)隕石(S型)或大于20 m的鐵質(zhì)隕石(M型)才能穿過地球大氣層撞擊到地球表面 [11]。
圖1 NEA撞擊地球的過程與危害示意圖
NEA撞擊地表后,撞擊區(qū)域的材料瞬間經(jīng)歷溫度從300 K到105K、壓強(qiáng)從0.1 MPa到10 TPa、應(yīng)變率高達(dá)108/s的極端狀態(tài),發(fā)生破碎、熔化、氣化乃至等離子體化相變,產(chǎn)生撞擊坑 [12]。NEA撞擊會(huì)引起地表巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(產(chǎn)生各種氣體),可能將地表部分物質(zhì)、塵埃拋向空中(產(chǎn)生反濺碎片云),相應(yīng)的沖擊波可誘發(fā)強(qiáng)烈地震。這些氣體、塵埃和灰燼將彌漫充斥整個(gè)大氣層(遮住陽光),特殊情況下可使地表的年平均溫度下降2~5 ℃,影響長(zhǎng)達(dá)百萬年 [13,14]。NEA對(duì)海洋的直接撞擊,會(huì)激起數(shù)百米高的巨浪,引發(fā)強(qiáng)烈的海嘯與地震、大量的海水蒸發(fā)/濺射;海底沉積物與巖石粉塵拋射到平流層中并滯留,海洋中大量生物死亡。
NEA撞擊地球是一個(gè)物理–力學(xué)–化學(xué)強(qiáng)耦合過程。需要開展超高速進(jìn)入和撞擊實(shí)驗(yàn),結(jié)合數(shù)值模擬與理論分析,才能建立有關(guān)進(jìn)入大氣、撞擊地表過程及效應(yīng)的準(zhǔn)確模型,這是國際性的重大前沿和難點(diǎn)問題。然而相比其他參數(shù),NEA直徑較易獲得,NEA質(zhì)量也可通過等效直徑來估算,因此國際上通常用等效直徑來表征撞擊危害。相應(yīng)危害程度主要?jiǎng)澐譃?類 [8,15]:① 等效直徑為千米級(jí),可引發(fā)全球性災(zāi)難,如6500萬年前K-T事件,該類事件發(fā)生概率為每1×108年1次;② 等效直徑為140米級(jí),可引發(fā)洲際性災(zāi)難,如2019 OK小行星事件,該類事件發(fā)生概率為每1000年1次;③ 等效直徑為50米級(jí),可引發(fā)大型城市級(jí)災(zāi)難,如1908年俄羅斯通古斯事件,該類事件發(fā)生概率為每100年1次;④ 等效直徑為10米級(jí),可引發(fā)小城鎮(zhèn)級(jí)災(zāi)難,如2013年俄羅斯車?yán)镅刨e斯克事件,該類事件發(fā)生概率為每30~50年1次;⑤ 等效直徑為米級(jí),大多產(chǎn)生空爆并出現(xiàn)火流星現(xiàn)象,如2021年河南省駐馬店市火流星事件,該類事件頻繁發(fā)生。對(duì)撞擊事件的統(tǒng)計(jì)表明,NEA的撞擊落點(diǎn)在地球表面是均勻分布的 [16]。
撞擊風(fēng)險(xiǎn)指撞擊地球的概率與撞擊所致危害的乘積,評(píng)估NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)通常涉及都靈風(fēng)險(xiǎn)指數(shù) [17]、巴勒莫風(fēng)險(xiǎn)指數(shù) [18]:前者采用11個(gè)整數(shù)(0~10)將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為5種,對(duì)應(yīng)不同的撞擊概率及危害;后者由撞擊概率、距離發(fā)生撞擊的時(shí)間、撞擊能量等計(jì)算獲得。為進(jìn)一步明晰相關(guān)指數(shù)的物理意義,有研究 [19]將人員傷亡估算引入NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,建立了基于撞擊概率、撞擊事件類型和預(yù)警時(shí)間,可給出撞擊導(dǎo)致死亡人數(shù)的定量評(píng)估指數(shù)。數(shù)據(jù)分析顯示 [1]:100年內(nèi)威脅最大的NEA是直徑約370 m的編號(hào)99942小行星,預(yù)測(cè)在2029年4月14日在距離地表3.1×104km處(高度小于GEO軌道)飛越地球,2068年再次接近地球(撞擊概率約為百萬分之七);10年內(nèi)威脅最大的NEA是直徑約18 m、編號(hào)2016NL39小行星,預(yù)計(jì)在2030年6月30日距離地球1.2×105km處(約1/3的地月距離)飛越地球。
需要指出的是,超過98%(以數(shù)量計(jì))的NEA尚未被人類發(fā)現(xiàn)編目,可能對(duì)地球構(gòu)成嚴(yán)重威脅 [8];如直徑140 m以上的約70%、直徑50~140 m的約97%、直徑10~50 m的約99%的NEA未被發(fā)現(xiàn) [20]。這些大量未被發(fā)現(xiàn)的NEA,其運(yùn)動(dòng)過程因受到其他大型天體引力影響而造成飛行軌道變化,撞擊威脅難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè),因而實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)較已掌握情況嚴(yán)重得多;亟需提升NEA探測(cè)水平、發(fā)展更為精確的撞擊風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估理論及模型。從歷史情況看,直徑1 km以上NEA的撞擊事件發(fā)生概率較低,短期內(nèi)難以有效實(shí)施在軌處置防御;直徑10 m以下的撞擊事件雖然頻發(fā),但實(shí)際危害較??;因而直徑10~1000 m的NEA應(yīng)是國際社會(huì)關(guān)注和應(yīng)對(duì)防范的重點(diǎn)對(duì)象,而直徑30~50 m的NEA則是“重中之重”。
國際上通常依據(jù)NEA等效直徑,將撞擊風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)應(yīng)的預(yù)警及響應(yīng)分為4個(gè)等級(jí) [8,15]:①Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(對(duì)應(yīng)紅色預(yù)警),特別嚴(yán)重危害事件,重點(diǎn)對(duì)象為直徑140 m以上的NEA,危害范圍為洲際級(jí)至全球;②Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(對(duì)應(yīng)橙色預(yù)警),嚴(yán)重危害事件,重點(diǎn)對(duì)象為直徑50~140 m的NEA,危害范圍為大型城市級(jí)至洲際級(jí);③ Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(對(duì)應(yīng)黃色預(yù)警),較嚴(yán)重危害事件,重點(diǎn)對(duì)象為直徑20~50 m的NEA,危害范圍為中小城市級(jí)至大型城市級(jí);④ Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)(對(duì)應(yīng)藍(lán)色預(yù)警),一般危害事件,重點(diǎn)對(duì)象為直徑20 m以下的NEA,危害范圍為城鎮(zhèn)級(jí)至中小城市級(jí)。
與地震、洪水等自然災(zāi)害不同,NEA撞擊地球的危害具有以下特征:一是瞬間發(fā)生的全球性災(zāi)害,在直徑50 m以上特別是140 m以上的NEA撞擊下,沒有國家和人員能夠幸免;二是撞擊威脅可測(cè),只要持續(xù)提升監(jiān)測(cè)預(yù)警能力,穩(wěn)步增強(qiáng)國際合作,就可對(duì)NEA的撞擊時(shí)間、撞擊落點(diǎn)、危害程度進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的提前預(yù)報(bào);三是撞擊危害可防,積極發(fā)展多手段在軌處置技術(shù),形成一定的主動(dòng)防御能力,可完全避免或顯著降低撞擊造成的損失。加強(qiáng)NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)工作,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。
一是貫徹落實(shí)總體國家安全觀不可或缺的重要實(shí)踐。NEA撞擊地球的風(fēng)險(xiǎn)概率雖然不高,但危害極大,幾乎與國家安全體系中所有領(lǐng)域的安全密切相關(guān);NEA撞擊地球直接威脅居民生命財(cái)產(chǎn)安全,影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和安全穩(wěn)定局面。穩(wěn)妥應(yīng)對(duì)NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn),既是統(tǒng)籌各項(xiàng)事業(yè)全面發(fā)展的必然要求,也是筑牢國家安全基礎(chǔ)、推動(dòng)深度融合發(fā)展的重要切入點(diǎn)。
二是引領(lǐng)科技創(chuàng)新發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?yīng)對(duì)NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn),需要解決所涉及的天文學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)、地學(xué)、信息科學(xué)、控制科學(xué)、航空宇航科學(xué)、法學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)與關(guān)鍵技術(shù)問題,多學(xué)科交叉特征顯著。提升相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)水平并形成體系能力,是超前布局外層空間資源開發(fā)利用、牽引新型空間技術(shù)發(fā)展的重要途徑,也是輻射帶動(dòng)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、加快建設(shè)科技強(qiáng)國、航天強(qiáng)國的應(yīng)有之義。
三是推動(dòng)構(gòu)建外層空間人類命運(yùn)共同體的重要舉措。NEA撞擊地球事件一旦發(fā)生,人類都身在其中,應(yīng)對(duì)舉措的成效事關(guān)人類文明存續(xù);因而做好撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)、保護(hù)地球家園是人類、各國的共同責(zé)任。我國積極應(yīng)對(duì)NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn),與國際社會(huì)一道保護(hù)人類安全,將彰顯負(fù)責(zé)任航天大國的良好形象,體現(xiàn)和平利用空間、增進(jìn)人類福祉的一貫宗旨,支撐構(gòu)建新型國際關(guān)系和人類命運(yùn)共同體。
綜合國際上有關(guān)NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)研究,應(yīng)對(duì)流程可概括如下(見圖2)。① 監(jiān)測(cè)預(yù)警,包括搜索發(fā)現(xiàn)、跟蹤定軌及數(shù)據(jù)更新、物性測(cè)量、撞擊風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)等,為撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供輸入。② 撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,包括依據(jù)小行星軌道及理化特性參數(shù)開展撞擊概率計(jì)算、撞擊風(fēng)險(xiǎn)走廊預(yù)估、撞擊落點(diǎn)預(yù)報(bào)、撞擊效應(yīng)分析等,為在軌處置提供輸入。③ 在軌處置,在對(duì)危險(xiǎn)NEA進(jìn)行預(yù)警的前提下,改變NEA軌道以避免撞擊地球,或?qū)EA分裂為碎片以避免或降低對(duì)地球的危害;包括處置任務(wù)規(guī)劃、處置方案設(shè)計(jì)、處置任務(wù)實(shí)施、處置效果評(píng)估,為開展災(zāi)害救援工作提供輸入。④ 災(zāi)害救援,對(duì)于未能提前預(yù)警的撞擊事件或處置不成功的撞擊事件,建立撞擊災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制,開展災(zāi)害救援以降低災(zāi)害損失并恢復(fù)環(huán)境。
圖2 NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)的通用應(yīng)對(duì)流程
NEA監(jiān)測(cè)預(yù)警方式有多種,按照觀測(cè)點(diǎn)位置可分為地基監(jiān)測(cè)、天基監(jiān)測(cè),從技術(shù)原理角度又可細(xì)分為光學(xué)觀測(cè)、紅外譜段觀測(cè)、雷達(dá)探測(cè)。監(jiān)測(cè)預(yù)警主要有3類場(chǎng)景:① 日常編目場(chǎng)景,通過專用的天基、地基設(shè)備,例行執(zhí)行巡天搜索以發(fā)現(xiàn)新的NEA,由精測(cè)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行跟蹤以獲取足量數(shù)據(jù)并進(jìn)行定軌編目;② 威脅預(yù)警場(chǎng)景,針對(duì)日常編目中20年內(nèi)撞擊概率大于1%的NEA,通過地基、天基等專用/兼用設(shè)備開展精密跟蹤,獲取精密軌道并細(xì)化評(píng)估撞擊風(fēng)險(xiǎn)及危害;③ 短臨預(yù)報(bào)場(chǎng)景,針對(duì)進(jìn)入距地球7.5×106km范圍之內(nèi),撞擊概率大于10%的NEA,開展加密跟蹤和特性測(cè)量,獲取理化特性并持續(xù)性預(yù)報(bào)撞擊區(qū)域(落點(diǎn))信息。
美國的NEA監(jiān)測(cè)預(yù)警項(xiàng)目開始于1992年(“太空衛(wèi)士巡天”項(xiàng)目),目前相對(duì)完整地構(gòu)建了地基為主、天基補(bǔ)充的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),是世界近地天體監(jiān)測(cè)技術(shù)的先行者和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的主要貢獻(xiàn)者;監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)體系具有不同口徑搭配、光學(xué)與雷達(dá)配合、南/北半球布局、專/兼結(jié)合等特點(diǎn),國際編目貢獻(xiàn)率超過98%。例如,在日常編目方面,有11臺(tái)專用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡(口徑0.5~1.8 m),兼用望遠(yuǎn)鏡最大口徑為4.2 m [1];平均每年新發(fā)現(xiàn)約1500個(gè)NEA,構(gòu)建數(shù)據(jù)庫并公開發(fā)布;正在建設(shè)天基紅外望遠(yuǎn)鏡(口徑0.5 m)、地基大視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡(口徑8.4 m),將形成監(jiān)測(cè)1 AU遠(yuǎn)處直徑30 m NEA的能力。歐洲航天局(ESA)2013年成立了行星防御辦公室,組織開展NEA監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、在軌處置等技術(shù)研究工作;現(xiàn)有14臺(tái)兼用望遠(yuǎn)鏡(口徑0.4~4.2 m),國際編目貢獻(xiàn)率為0.88%,正在建設(shè)口徑1 m的“復(fù)眼”系統(tǒng)以顯著提升搜索效率。俄羅斯2002年成立了行星防御中心,現(xiàn)有9臺(tái)專用望遠(yuǎn)鏡(口徑0.2~0.7 m),但面向國際共享的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏少(國際編目貢獻(xiàn)率為0.08%);兼用望遠(yuǎn)鏡最大口徑2.6 m,主要用于NEA特性測(cè)量;2016年投入使用的AZT-33VM大型望遠(yuǎn)鏡(直徑1.6 m)可對(duì)遠(yuǎn)距離NEO進(jìn)行探測(cè)。在監(jiān)測(cè)編目的基礎(chǔ)上,美國利用地基光學(xué)設(shè)備、阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡、金石太陽系雷達(dá)等,開展有威脅NEA的精確定軌、特性測(cè)量等研究,細(xì)化評(píng)估撞擊風(fēng)險(xiǎn)。建立的“哨兵”撞擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可分析確定新發(fā)現(xiàn)NEA的精確軌道,計(jì)算撞擊地球的概率;尋找未來100年內(nèi)可能與地球接近的NEA,及時(shí)更新并公開發(fā)布分析結(jié)果,為PDCO提供決策支持。與此同時(shí),對(duì)于大量短期內(nèi)無法編目、可能突然接近地球的NEA,形成了良好的短臨預(yù)報(bào)能力(如2008 TC3、2014 AA、2018 LA、2019 MO等數(shù)起NEA撞擊地球事件)。
地基監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)起步早、技術(shù)相對(duì)成熟,是目前的骨干設(shè)備,但在精度、效率、能力上有其難以克服的固有缺陷,無法實(shí)現(xiàn)全空域、全天時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警,主要體現(xiàn)在:自身能力受大氣條件、臺(tái)站位置制約,存在太陽光照區(qū)域“死角”,僅能監(jiān)測(cè)約30%的天域;屬于“守株待兔”工作模式,到達(dá)探測(cè)數(shù)量峰值耗時(shí)長(zhǎng),無法在給定期限內(nèi)完成探測(cè)。天基監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、追蹤手段多樣、軌道預(yù)測(cè)準(zhǔn)確等技術(shù)優(yōu)勢(shì),能夠彌補(bǔ)地基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的固有缺陷,成為當(dāng)前各國重點(diǎn)建設(shè)方向,但也面臨成本高、在軌維護(hù)困難、有效載荷配置單一等制約因素。后續(xù),監(jiān)測(cè)預(yù)警的設(shè)備及技術(shù)發(fā)展方向表現(xiàn)為:地基為主轉(zhuǎn)向地基/天基協(xié)同,口徑進(jìn)一步加大、視場(chǎng)繼續(xù)拓寬,可見光向紅外、單一波段向多波段集成轉(zhuǎn)變,重視前沿技術(shù)演示驗(yàn)證和軟硬件升級(jí);形成天地一體化監(jiān)測(cè)預(yù)警能力,對(duì)直徑大于140 m的NEA完成不低于90%的編目,開展直徑50米級(jí)的NEA監(jiān)測(cè)預(yù)警及編目。
美國國家航空航天局(NASA)將超高速飛行器研制所發(fā)展的空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)拓展應(yīng)用到NEA進(jìn)入大氣層過程,建立了NEA超高速進(jìn)入大氣高溫流場(chǎng)、激波層輻射及燒蝕的耦合算法、進(jìn)入過程中NEA材料燒蝕及輻射效應(yīng)的地面試驗(yàn)手段、NEA進(jìn)入過程激波效應(yīng)數(shù)值模擬方法,深入研究了NEA的氣動(dòng)熱環(huán)境、燒蝕及沖擊波傳播問題。美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了模擬NEA進(jìn)入與撞擊效應(yīng)的沖擊動(dòng)力學(xué)方法,研究了NEA進(jìn)入中的解體、空中爆炸以及撞擊成坑、撞擊海洋引起海嘯等問題。2017年,NASA建立了NEA進(jìn)入與撞擊風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估系統(tǒng)(PAIR),可對(duì)設(shè)定的NEA撞擊地球過程及效應(yīng)進(jìn)行定量分析,對(duì)地面人口和設(shè)施的危害開展定量評(píng)估,成為實(shí)施NEA撞擊聯(lián)合應(yīng)急桌面演習(xí)/演練的主要支撐工具。英國帝國理工大學(xué)、比利時(shí)馮卡門流體力學(xué)研究所、德國斯圖加特大學(xué)、捷克科學(xué)院等機(jī)構(gòu)研究了NEA超高速進(jìn)入過程中的解體、空中爆炸、熱輻射以及撞擊地表成坑等問題,發(fā)展了相應(yīng)的沖擊動(dòng)力學(xué)仿真手段;英國科研機(jī)構(gòu)建立了NEA進(jìn)入與撞擊效應(yīng)模型,研制了NEA撞擊災(zāi)害評(píng)估軟件,提供開放使用服務(wù)。
目前,NEA撞擊災(zāi)害的研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)有:精確描述NEA撞擊地球全過程,揭示致災(zāi)與災(zāi)害演化機(jī)理,建立全過程響應(yīng)模型及災(zāi)害演化模型。① 在NEA極高速進(jìn)入大氣效應(yīng)與機(jī)理方面,國際上缺乏速度大于12 km/s的高溫氣體模型、地面實(shí)驗(yàn)技術(shù),NEA多孔隙、含裂紋、各向異性、幾何形貌復(fù)雜等特性進(jìn)一步增加了問題難度,數(shù)十年來研究進(jìn)展緩慢。② 在NEA極高速撞擊地表效應(yīng)與建模方面,因相對(duì)速度極高(平均20 km/s)、撞擊地表產(chǎn)生固–液–氣–等離子體多相混合態(tài)而成為物理–力學(xué)–化學(xué)強(qiáng)耦合過程,國際上尚不能開展此類極高速撞擊實(shí)驗(yàn);撞擊區(qū)材料處于固–液–氣多相混合狀態(tài),描述此類狀態(tài)的寬區(qū)多相狀態(tài)方程的理論建模還不成熟。③ 在NEA撞擊地球的致災(zāi)機(jī)理與長(zhǎng)期環(huán)境效應(yīng)方面,已有工作集中在沖擊波、地震、火災(zāi)、濺射物、撞擊成坑、海嘯、火山爆發(fā)等單災(zāi)種,而撞擊引發(fā)的各災(zāi)種耦合效應(yīng)研究未有開展,撞擊后的災(zāi)害長(zhǎng)期演化研究存在空白。
在軌處置研究始于20世紀(jì)80年代,已經(jīng)形成較完整的技術(shù)體系 [15],重點(diǎn)發(fā)展兩類手段:以動(dòng)能撞擊為主的瞬時(shí)作用方式,已開展在軌演示驗(yàn)證任務(wù);激光燒蝕、拖曳、引力牽引等長(zhǎng)期作用方式,尚處于概念探索階段。
美國2005年成功實(shí)施“深度撞擊”任務(wù) [21],質(zhì)量為370 kg的銅制撞擊器在飛行4.3×108km后以10 km/s的相對(duì)速度撞擊坦普爾1號(hào)彗星彗核,驗(yàn)證了動(dòng)能撞擊防御小行星的技術(shù)可行性。NASA、ESA聯(lián)合開展了 “小行星撞擊偏轉(zhuǎn)評(píng)估計(jì)劃”(AIDA) [22],旨在進(jìn)一步在軌驗(yàn)證動(dòng)能撞擊防御技術(shù)。AIDA項(xiàng)目中的“雙小行星重定向測(cè)試”(DART)任務(wù)由NASA負(fù)責(zé)實(shí)施,已于2021年11月24日成功發(fā)射;計(jì)劃在2022年9月,采用質(zhì)量為550 kg的撞擊器以6.6 km/s相對(duì)速度撞擊距離地球1.1×107km遠(yuǎn)的雙小行星(編號(hào)65803)中較小的B星(直徑160 m),撞擊后預(yù)估B星出現(xiàn)約0.4 mm/s的速度變化,繞轉(zhuǎn)周期則縮短約10 min;隨后采用地面光學(xué)設(shè)備、伴飛小衛(wèi)星(撞擊前10天釋放)開展聯(lián)合觀測(cè),對(duì)抵近探測(cè)、動(dòng)能撞擊、效能評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行演示驗(yàn)證。ESA承擔(dān)對(duì)撞擊效應(yīng)及效果進(jìn)行抵近測(cè)量與評(píng)估任務(wù),相應(yīng)的伴飛小衛(wèi)星擬于2024年發(fā)射、2026年繞飛撞擊后的小行星,可更精確地評(píng)估動(dòng)能撞擊效果并修正動(dòng)能撞擊偏轉(zhuǎn)模型。
在軌處置研究趨勢(shì)主要有:進(jìn)一步在軌驗(yàn)證動(dòng)能撞擊偏轉(zhuǎn)技術(shù)的有效性,完善處置–評(píng)估一體化技術(shù);發(fā)展激光燒蝕偏轉(zhuǎn)、拖曳等新型技術(shù),從概念研究向關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)邁進(jìn);全面分析并評(píng)價(jià)單一處置技術(shù)對(duì)各類目標(biāo)的適用性、效能及成本,開展多手段協(xié)同的高效處置方案設(shè)計(jì);綜合在軌與地面演示驗(yàn)證,加速小行星防御能力的實(shí)用化進(jìn)程。
我國小行星防御領(lǐng)域研究起步較晚,2000年起依托國家國防科技工業(yè)局“空間碎片專項(xiàng)科研”,才陸續(xù)形成空間碎片監(jiān)測(cè)預(yù)警及清除等共性技術(shù)和設(shè)備,為開展NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)積累。2018年召開了以“小行星監(jiān)測(cè)預(yù)警、安全防御和資源利用的前沿科學(xué)問題及關(guān)鍵技術(shù)”為主題的第634次香山科學(xué)會(huì)議,聚焦研討小行星安全防御問題。2018—2020年,組織召開了3屆“全國行星防御研討會(huì)”。2019年,“近地小天體調(diào)查、防御與開發(fā)問題”入選中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)第21屆年會(huì)發(fā)布的20個(gè)對(duì)科學(xué)發(fā)展具有導(dǎo)向作用、對(duì)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新具有關(guān)鍵推動(dòng)作用的重大前沿科學(xué)問題和工程技術(shù)難題。2021年10月,第一屆全國行星防御大會(huì)順利召開,共有300多名代表參會(huì)。
2020年,國家航天局牽頭組建專家組,針對(duì)NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)問題開展方案論證工作。2021年4月,國家航天局表示,中國航天將論證實(shí)施探月工程四期、行星探測(cè)工程、國際月球科研站、NEA防御系統(tǒng),由此啟動(dòng)新時(shí)期我國探索九天的新序章。2021年,國家航天局牽頭論證制定我國NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃?!?021中國的航天》白皮書提出論證建設(shè)NEA防御系統(tǒng)??梢哉J(rèn)為,2021年是我國全面開展行星防御業(yè)務(wù)架構(gòu)、機(jī)制流程、體系能力建設(shè)的肇始之年。
在地基觀測(cè)方面,中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)的1 m口徑望遠(yuǎn)鏡是我國僅有的1臺(tái)NEA監(jiān)測(cè)專用設(shè)備(位于江蘇省淮安市盱眙縣,臺(tái)站編號(hào)D29),已加入國際聯(lián)測(cè)網(wǎng)并支持日常編目工作,可監(jiān)測(cè)直徑300 m以上的NEA [15];至2021年共發(fā)現(xiàn)33顆NEA,國際編目貢獻(xiàn)率為0.13%。我國另有32臺(tái)望遠(yuǎn)鏡(口徑1 m以上)也可兼顧NEA監(jiān)測(cè)。
在天基觀測(cè)方面,我國還沒有在軌服役的天基監(jiān)測(cè)預(yù)警裝備。我國提出的構(gòu)建天基異構(gòu)星座的NEA普查與定位系統(tǒng)(CROWN)方案 [15],擬在距太陽0.6~0.8 AU的類金星軌道上部署數(shù)顆小衛(wèi)星(含1顆搭載窄視場(chǎng)光學(xué)–紅外望遠(yuǎn)鏡的機(jī)動(dòng)主星、多顆搭載寬視場(chǎng)光學(xué)波段望遠(yuǎn)鏡的微小衛(wèi)星);衛(wèi)星星座,視場(chǎng)、分辨率、靈敏度、巡天模式、星上計(jì)算等多個(gè)層面均采取異構(gòu)設(shè)計(jì),由此形成普查與詳查相結(jié)合的天基任務(wù)模式。我國學(xué)者還提出了地球領(lǐng)航軌道天基監(jiān)測(cè)預(yù)警遠(yuǎn)望鏡任務(wù)概念,通過在地球前方或后方約1×107km處部署天基望遠(yuǎn)鏡,為彌補(bǔ)地基監(jiān)測(cè)盲區(qū)、預(yù)警來自白天方向的NEA提供了可行方案[23]。我國迄今沒有自行建立小行星數(shù)據(jù)庫。
在撞擊災(zāi)害評(píng)估方面,我國開展了基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的NEA物理–化學(xué)特性及其統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律研究,先期探索了部分關(guān)鍵技術(shù)和地面縮比試驗(yàn)方法;研究了NEA進(jìn)入地球大氣層的氣動(dòng)熱環(huán)境、燒蝕、沖擊波、地面成坑及反濺碎片云問題,發(fā)展了NEA撞擊陸地與海洋的數(shù)值仿真方法,初步建立了NEA進(jìn)入大氣層、撞擊地表效應(yīng)的分析評(píng)估模型 [12]。開展了動(dòng)能撞擊偏轉(zhuǎn)小行星動(dòng)量傳遞規(guī)律的建模與仿真、基于激光燒蝕驅(qū)動(dòng)移除空間碎片地面試驗(yàn)及半物理仿真系統(tǒng)的激光偏轉(zhuǎn)防御技術(shù)可行性等研究 [24],在動(dòng)能撞擊方面具備基本的效能評(píng)估能力。提出了 “以石擊石” [25]、“末級(jí)擊石” [26]等加強(qiáng)型動(dòng)能撞擊防御方案構(gòu)思,為防御大尺寸潛在威脅NEA提供了除核爆之外的新選項(xiàng);開展了核爆防御NEA的作用機(jī)理數(shù)值仿真,獲得了不同核爆條件下的NEA偏轉(zhuǎn)規(guī)律,同時(shí)開展了典型核設(shè)施在NEA撞擊條件下的安全評(píng)估分析。
我國高度重視NEA防御的國際合作,近年來在該領(lǐng)域的參與度穩(wěn)步提高。2018年,亞太空間合作組織理事會(huì)批準(zhǔn)了亞太空間科學(xué)天文臺(tái)項(xiàng)目,擬在8個(gè)正式成員國(含中國)分別部署1臺(tái)小口徑望遠(yuǎn)鏡,開展NEA監(jiān)測(cè)預(yù)警研究。2019年,中國科學(xué)院和高校所屬的盱眙站、長(zhǎng)春站、新疆站、威海站,參與了1999KW4小行星國際聯(lián)合觀測(cè)。此外,對(duì)于行星防御領(lǐng)域的法律法規(guī),因涉及防御的合法性、責(zé)任、義務(wù)、決策機(jī)制等寬泛內(nèi)容,我國相關(guān)研究尚處于起步階段。
一是NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)的頂層設(shè)計(jì)缺乏。我國尚未形成該領(lǐng)域的頂層規(guī)劃與系統(tǒng)設(shè)計(jì),對(duì)應(yīng)的組織體系、流程機(jī)制、各個(gè)環(huán)節(jié)的工作責(zé)任主體尚未明確。
二是專用監(jiān)測(cè)設(shè)備與信息平臺(tái)缺乏。目前僅有1臺(tái)專用望遠(yuǎn)鏡,只能監(jiān)測(cè)直徑300 m以上NEA(亮度相當(dāng)于絕對(duì)星等20),不具備NEA軌道編目能力;尚未自主建立NEA信息平臺(tái),無法匯聚數(shù)據(jù)并開展預(yù)警業(yè)務(wù),監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)依賴國際公開平臺(tái)。
三是相關(guān)科學(xué)研究與技術(shù)儲(chǔ)備不足。對(duì)于NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)的科學(xué)與技術(shù)問題,系統(tǒng)梳理、體系布局、深化研究均有待開展,且當(dāng)前重技術(shù)、輕科學(xué)的研究?jī)A向突出;在軌處置技術(shù)基本上處于概念研究階段,撞擊災(zāi)害評(píng)估與在軌處置研究深度、廣度均不足,撞擊災(zāi)害評(píng)估與在軌處置全過程仿真模擬平臺(tái)未能建立,無法支持開展全過程演習(xí)/演練。
四是行星防御領(lǐng)域的國際貢獻(xiàn)率低、話語權(quán)小。受限于NEA監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)能力,國內(nèi)機(jī)構(gòu)向國際社會(huì)提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)較少,沒有形成與我國國際地位相匹配的影響力。尤其在相關(guān)國際規(guī)則研究與制定方面,未能積極發(fā)聲,缺少話語權(quán),與我國負(fù)責(zé)任航天大國形象不符。
結(jié)合國情、體現(xiàn)共性,按照“夯基礎(chǔ)、補(bǔ)短板、挖潛力、強(qiáng)體系、上水平”的原則,穩(wěn)步發(fā)展我國NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)處置體系。國際前沿的研究水平與保障有力的業(yè)務(wù)能力并重,以此為核心目標(biāo)開展處置體系構(gòu)建;實(shí)施小行星天地協(xié)同監(jiān)測(cè)網(wǎng)、在軌處置演示驗(yàn)證系統(tǒng)、重大災(zāi)害救援系統(tǒng)等重大工程,形成“監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)、預(yù)警可靠、處置有效、救援有力”的行星防御能力。
在近期(2025年前),重點(diǎn)構(gòu)建NEA監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò),具備直徑140米級(jí)NEA自主發(fā)現(xiàn)與持續(xù)編目能力,提升我國的國際編目貢獻(xiàn)率;完成動(dòng)能撞擊等在軌處置關(guān)鍵技術(shù)研究,擇機(jī)開展在軌處置技術(shù)演示驗(yàn)證;初步建立特種災(zāi)害救援力量體系,提升災(zāi)害救援先進(jìn)適用裝備的供給能力;建立國內(nèi)應(yīng)對(duì)工作機(jī)制與國際合作機(jī)制。
在中期(2030年前),重點(diǎn)提高在軌處置能力,建立天地協(xié)同的監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò);具備直徑50米級(jí)NEA自主發(fā)現(xiàn)與持續(xù)編目能力,建設(shè)以自主數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的NEA數(shù)據(jù)庫,進(jìn)一步提升我國的國際編目貢獻(xiàn)率;開展動(dòng)能撞擊等處置技術(shù)及處置效果評(píng)估的在軌演示驗(yàn)證,形成直徑50米級(jí)NEA的在軌處置技術(shù)能力;常態(tài)化開展聯(lián)合演習(xí)/演練,提升特種災(zāi)害救援綜合能力。
在遠(yuǎn)期(2035年前),全面提升體系應(yīng)對(duì)能力,建成全面可靠的監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò);具備直徑30米級(jí)NEA自主發(fā)現(xiàn)與持續(xù)編目能力,我國的編目貢獻(xiàn)率達(dá)到國際先進(jìn)水平;深化處置技術(shù)在軌演示驗(yàn)證,具備直徑50米級(jí)NEA的多手段在軌處置技術(shù)能力;顯著提升復(fù)合型巨災(zāi)應(yīng)急救援綜合實(shí)力,著力構(gòu)建行星防御領(lǐng)域人類命運(yùn)共同體。
按照NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)處置流程,應(yīng)對(duì)處置體系主要分為決策指揮層、組織協(xié)調(diào)層、執(zhí)行層(見圖3);成立專家委員會(huì)支撐各層級(jí)技術(shù)工作,制定工作機(jī)制并規(guī)范流程,形成科學(xué)的層級(jí)工作程序。決策指揮層負(fù)責(zé)防范NEA撞擊相關(guān)重大事項(xiàng)決策。組織協(xié)調(diào)層負(fù)責(zé)資源協(xié)調(diào)與任務(wù)規(guī)劃,例行開展常規(guī)工作。執(zhí)行層負(fù)責(zé)防范決策的具體實(shí)施,涉及監(jiān)測(cè)預(yù)警、在軌處置、災(zāi)害救援、國際合作等主要方面:① 開展常態(tài)化監(jiān)測(cè),在發(fā)現(xiàn)NEA撞擊威脅后實(shí)施應(yīng)急監(jiān)測(cè),及時(shí)判明風(fēng)險(xiǎn)、通報(bào)預(yù)警信息,為在軌處置提供預(yù)警數(shù)據(jù)和輸入;② 評(píng)估NEA撞擊危害、制定處置方案,實(shí)施在軌處置任務(wù),評(píng)估處置效果;③ 在平時(shí)做好應(yīng)急準(zhǔn)備,得到預(yù)警、危害評(píng)估信息后啟動(dòng)實(shí)施應(yīng)急救援,在撞擊事件發(fā)生后進(jìn)行緊急恢復(fù);④ 參與國際聯(lián)測(cè)/聯(lián)防/聯(lián)援并交換共享數(shù)據(jù),國際相關(guān)政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)制定,提出發(fā)揮我國影響力的NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)國際研究計(jì)劃等。
圖3 我國NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)處置體系構(gòu)成
1. 監(jiān)測(cè)預(yù)警
建設(shè)重點(diǎn)在于天地一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和綜合服務(wù)平臺(tái)。按照“天地協(xié)同、能力互補(bǔ)、場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)、業(yè)務(wù)運(yùn)行”基本思路,構(gòu)建精準(zhǔn)預(yù)警、常態(tài)運(yùn)行的天地一體化協(xié)同監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。
立足現(xiàn)有地基設(shè)備基礎(chǔ)條件,增建直徑140米級(jí)NEA日常編目能力,形成多口徑搭配、多功能結(jié)合、高效協(xié)同的地基監(jiān)測(cè)網(wǎng)。按照“國內(nèi)優(yōu)化布局、推動(dòng)海外建站、普測(cè)/精測(cè)全面發(fā)展”的技術(shù)路線,建設(shè)國際一流水平的地基監(jiān)測(cè)網(wǎng)。構(gòu)建“可視天區(qū)互補(bǔ)、分時(shí)協(xié)同編目、短/臨發(fā)現(xiàn)告警、廣域巡天普查”的天基監(jiān)測(cè)網(wǎng),具有與地基監(jiān)測(cè)網(wǎng)高效聯(lián)合作業(yè)的能力。按照“開展驗(yàn)證試驗(yàn)、部署監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、能力升級(jí)完善”的技術(shù)演進(jìn)路線,全面突破天基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體布局、先進(jìn)監(jiān)測(cè)載荷等關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)關(guān)注可在近地軌道、地月平動(dòng)點(diǎn)、月球、日地平動(dòng)點(diǎn)、地球公轉(zhuǎn)軌道、類金星軌道等進(jìn)行部署的天基監(jiān)測(cè)設(shè)備(如圖4),豐富天基監(jiān)測(cè)手段,力爭(zhēng)盡快實(shí)現(xiàn)對(duì)先發(fā)國家、國際先進(jìn)水平的追趕和超越。
圖4 天基監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和設(shè)備布局示意圖
綜合服務(wù)平臺(tái)具有任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)集成、編目更新、風(fēng)險(xiǎn)研判、信息發(fā)布、決策指揮、資源調(diào)度、救援支持等各類能力。按照“初步構(gòu)建平臺(tái)、開展示范應(yīng)用,拓展升級(jí)應(yīng)用、開展業(yè)務(wù)運(yùn)行,強(qiáng)化內(nèi)聚外聯(lián)、有效支撐決策”的發(fā)展路線,開發(fā)先進(jìn)軟件、配齊必要硬件,為天地監(jiān)測(cè)網(wǎng)的協(xié)同運(yùn)行及預(yù)警業(yè)務(wù)實(shí)施提供綜合服務(wù)保障。
2. 在軌處置
建設(shè)重點(diǎn)在于發(fā)展以動(dòng)能撞擊為主的在軌處置技術(shù)體系,開展有中國特色、國際亮點(diǎn)的在軌處置演示驗(yàn)證任務(wù)。以處置–評(píng)估結(jié)合、多目標(biāo)/多手段協(xié)同作用等在軌飛行任務(wù)為牽引,開展以動(dòng)能撞擊瞬時(shí)作用為主、拖曳及激光偏轉(zhuǎn)等長(zhǎng)期作用為輔、兼顧新概念處置技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)研究;發(fā)展并完善涵蓋瞬時(shí)作用、中長(zhǎng)期作用、前沿探索類的處置技術(shù)體系,綜合評(píng)估效能(如效率、成熟度、成本),明確場(chǎng)景適應(yīng)性;建立在軌處置決策支持與評(píng)估、任務(wù)全流程設(shè)計(jì)仿真、地面試驗(yàn)驗(yàn)證等系統(tǒng),支持地面推演與在軌驗(yàn)證。按照“撞得上、撞得動(dòng)、防得住”的策略,分步實(shí)施具有國際顯示度及影響力的在軌演示驗(yàn)證任務(wù),形成直徑50米級(jí)NEA多手段協(xié)同在軌處置任務(wù)能力。基于NEA目標(biāo)理化特性,研究撞擊地球的各種危害效應(yīng),建立危害效應(yīng)的理論模型。在“探月工程”基礎(chǔ)上,研究、試驗(yàn)、建設(shè)兼顧天基監(jiān)測(cè)預(yù)警與在軌處置能力的“觀–處”一體化體系方案,是我國行星防御領(lǐng)域趕超國際先進(jìn)水平的突破口。
3. 災(zāi)害救援
立足現(xiàn)行的國家應(yīng)急救援體系,針對(duì)NEA撞擊地球的災(zāi)害特點(diǎn),重點(diǎn)發(fā)展復(fù)合型巨災(zāi)應(yīng)急救援能力;按照“健全體制機(jī)制、完善綜合能力、顯著提升能力”的發(fā)展路徑,分步開展建設(shè),同步完善各級(jí)應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)。建立覆蓋多災(zāi)種、災(zāi)害鏈的監(jiān)測(cè)評(píng)估預(yù)警系統(tǒng),優(yōu)化復(fù)雜場(chǎng)景下災(zāi)情演化及快速評(píng)估模型,實(shí)現(xiàn)利用模擬仿真平臺(tái)開展NEA撞擊災(zāi)害救援演習(xí)/演練的常態(tài)化。針對(duì)性加強(qiáng)NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)所需的特種災(zāi)害救援力量,提升重大場(chǎng)景下的保障能力。
4. 有關(guān)前沿基礎(chǔ)研究
依據(jù)“引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展,牽引并支撐未來重大任務(wù)”的基本原則,著眼未來5~10年行星防御發(fā)展趨勢(shì),開展有關(guān)基礎(chǔ)研究和概念性/原理性研究,提升領(lǐng)域基礎(chǔ)研究與創(chuàng)新能力,培育專精人才隊(duì)伍。圍繞NEA的軌道運(yùn)行規(guī)律、物理化學(xué)特性、撞擊效應(yīng)與致災(zāi)機(jī)理、處置響應(yīng)機(jī)理等方向,布局前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題研究,如小行星起源與演化、小行星軌道動(dòng)力學(xué)演化機(jī)制、NEA物質(zhì)組成/結(jié)構(gòu)特性/輻射特性、NEA在大天體攝動(dòng)影響下的軌道不確定性、NEA進(jìn)入大氣層的熱–力學(xué)耦合/燒蝕/爆炸解體機(jī)理、NEA撞擊地表的瞬時(shí)作用及引發(fā)的次生災(zāi)害機(jī)理、NEA撞擊對(duì)地球環(huán)境的長(zhǎng)期演化影響、動(dòng)能撞擊下NEA的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與能量傳遞規(guī)律、近距離核爆對(duì)NEA的作用機(jī)理及效應(yīng)、激光燒蝕等非接觸式作用下的NEA偏轉(zhuǎn)機(jī)理及軌道偏移規(guī)律等。
5. 國際合作
NEA撞擊危害的特點(diǎn)決定了有效防御離不開國際合作。采取“重點(diǎn)提升融入程度、著力發(fā)展區(qū)域合作、貢獻(xiàn)更多中國力量”的基本思路,根據(jù)國情實(shí)際,深度參與國際組織機(jī)構(gòu)(如IAWAN、SMPAG、PDC),積極開展雙邊和多邊國際合作。在雙邊國際合作方面,充分利用我國航天雙邊合作機(jī)制,開展聯(lián)合觀測(cè)、聯(lián)合處置、聯(lián)合救援,提高數(shù)據(jù)共享水平,推動(dòng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)“共商”、設(shè)備“共建”、數(shù)據(jù)“共享”,激發(fā)航天合作新活力。在多邊國際合作方面,深入?yún)⑴c相關(guān)國際合作規(guī)則制定與完善工作,以構(gòu)建外層空間人類命運(yùn)共同體理念為指導(dǎo),提出由我國主導(dǎo)的NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)的國際研究計(jì)劃、國際談判規(guī)則、國際合作機(jī)制建議方案。
充分發(fā)揮我新型舉國體制優(yōu)勢(shì),加強(qiáng)組織體系及應(yīng)對(duì)流程機(jī)制建設(shè),明確各環(huán)節(jié)責(zé)任主體。強(qiáng)化領(lǐng)域頂層設(shè)計(jì),加快制定并適時(shí)發(fā)布NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)的中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃及路線圖??砂凑?025年前重點(diǎn)構(gòu)建監(jiān)測(cè)預(yù)警體系,2030年前重點(diǎn)提高應(yīng)對(duì)處置能力,2035年前全面提升體系應(yīng)對(duì)能力的步驟安排,盡快實(shí)現(xiàn)撞擊威脅可測(cè)、可防,形成與國際地位相匹配的NEA國家級(jí)應(yīng)對(duì)能力體系。
組建NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)專家委員會(huì),為撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)提供智力支撐。依托優(yōu)勢(shì)技術(shù)單位,設(shè)立國家小行星監(jiān)測(cè)預(yù)警研究中心。建立小行星信息平臺(tái),打造高水平、業(yè)務(wù)化、開放型的國家研發(fā)力量,常態(tài)化開展日常編目、威脅預(yù)警、短臨預(yù)報(bào)、信息分享等業(yè)務(wù)工作。增強(qiáng)行星防御數(shù)據(jù)安全、提升國際話語權(quán),保障國家層面工作協(xié)同機(jī)制開展NEA風(fēng)險(xiǎn)防御相關(guān)工作。積極調(diào)動(dòng)社會(huì)力量介入,可部分采用商業(yè)化發(fā)展模式。
建議設(shè)立國家自然科學(xué)基金委員會(huì)–國家國防科技工業(yè)局行星防御聯(lián)合基金,以重大專項(xiàng)方式支持NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)涉及的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究,為行星防御工程提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)支撐。建議統(tǒng)籌國家國防科技工業(yè)局空間碎片專項(xiàng)科研、民用航天科研等渠道,結(jié)合正在論證實(shí)施的行星探測(cè)工程,設(shè)立NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)國家科技重大專項(xiàng),支持行星防御關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及體系能力建設(shè),盡快建立體系化的NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力。建議盡早成立深空探索國家實(shí)驗(yàn)室,匯聚相關(guān)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)力量,構(gòu)建科學(xué)、技術(shù)、工程協(xié)同一體的創(chuàng)新研發(fā)體制機(jī)制,支撐行星防御國家科技協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)。
居安思危、未雨綢繆,從構(gòu)建人類命運(yùn)共同體理念出發(fā),以開放、包容、合作、引領(lǐng)的姿態(tài)參與行星防御國際事務(wù),聯(lián)合開展NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)工作。深度參與聯(lián)合國有關(guān)組織,發(fā)揮主動(dòng)作為,彰顯我國負(fù)責(zé)任航天大國的良好形象。與國際社會(huì)共商“聯(lián)防”機(jī)制、共享“聯(lián)測(cè)”數(shù)據(jù)、共建“聯(lián)援”力量,為世界行星防御積極貢獻(xiàn)中國智慧、中國方案、中國力量。
致謝
中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心李明濤研究員,中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)趙海斌研究員,錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室霍卓璽研究員,北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所陳川博士、任思遠(yuǎn)博士、宋光明博士為本文撰寫提供了有益幫助,謹(jǐn)致謝意。