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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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迫近地球的小行星(下)  

2013-02-17 15:50:10|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:一起剥坚果

作者:陈学雷

【图片出处:http://cdn.toonvectors.com/】

在本文的上篇中,我们介绍了小行星撞击地球的可能性和发现近地小行星的计划。但假如预先知道某个小行星将要撞击地球,我们是否有办法拯救地球、避免这一灾难呢?对这一问题的第一次详细研究发生在1967年。这一年的春季学期,麻省理工学院的Paul Sandorff教授开设的选修课程16.74 高级空间系统工程(Advanced Space System Engineering) 贴出了一张特别的选修课程说明。该说明指出,1968年6月,质量40亿吨的小行星1566伊卡鲁斯(Icarus)将接近地球,最近时距离只有6百万公里。本课程假定伊卡鲁斯将与地球相撞,参与这一计划的队员们将尽一切努力,设计出详细的方案,用一切可能的资金和人力,防止这一灾难的发生。

21名研究生和高年级本科生注册参加了这一课程,他们被分为7个小组,分别研究有关的轨道和弹道、核载荷、推进与助推器、航天器、导航和控制、通信、经济与管理等问题。小组间相互协调沟通,要用这个学期的时间设计出一套应对这一危机的详细方案。课程假定伊卡鲁斯将于1968年6月19日19:26 撞击大西洋,他们只有70个星期做出反应了。

学生们考虑了几种可能,比如在小行星上面安装核弹将它炸碎,安装火箭以改变它的轨道,在它附近爆炸核弹等。如果要改变它的轨道,最好是在它到达公转轨道远日点时,这时较小的速度改变就足以产生较大的影响。不过,根据课程给出的条件这是来不及了:要赶上1967年11月伊卡鲁斯抵达远日点时影响它,在课程开始后几星期内就得发射火箭,而任何研发都需要一些时间,无法在瞬间完成。炸毁伊卡鲁斯也不可能,当时人们并不确切地了解伊卡鲁斯的质量和组分,但如果假定它是石质的,完全摧毁它需要10亿吨TNT当量的核弹,而这样的核弹如何设计人们甚至从理论上都没有研究过,况且也没有火箭能发射如此巨大的核弹。用一系列小核弹去炸的话,有可能无法摧毁小行星而使它分成几块同时飞向地球而更难对付。因此,唯一可选的方案是用核弹在伊卡鲁斯附近爆炸使它轨道改变。

这一方案的原理是,在太空环境中爆炸的核弹其能量主要以X-射线形式释放,这些X-射线将加热小行星的表面使其气化,随着这些气体和碎片飞离小行星,其反作用力将使小行星获得相反方向的冲量。显然,在越远的地方进行这种爆炸,就越容易使它偏离撞击地球的轨道。但另一方面,这种爆炸也有风险,它仍可能使小行星分裂,而其中一个或多个小块仍有可能撞击地球,由于撞击点分散在地球的不同区域,这甚至可能导致更大的灾难。

学生们最终选用的方案使用当时已经在研制中的推力最强的土星5号火箭运载1亿吨当量的核弹。如果发射多枚火箭并在地球轨道上交会对接,可以运载更大质量的载荷和实现更高速度,但这过于复杂,可能来不及实现,因此最终方案是用单枚火箭发射。通过增加投资和人力,可以加快土星5的生产,在1968年4月前生产出9枚火箭,其中3枚用于实验发射,6枚用于发射核弹。此外,还需要扩建一个发射架以满足频繁的发射需求。航天器使用当时为登月计划研制的阿波罗航天器,对于这一任务该航天器并不是最合适的,但是由于时间紧张,来不及设计和试验新的航天器,也只能将就了。该航天器的电源系统只能保证在60天内提供电力,因此这限制了火箭的飞行时间不超过60天。核弹的情况是保密的,学生们假定核弹重约4万磅(18吨),弹长140英寸(3.5米),直径36英寸(0.9米),核弹上将装有保险和自毁装置,以保证在发射失败或火箭故障的情况下不会发生核爆炸,并能根据无线电指令或自动条件(例如超过一定时间后)自毁。火箭采用雷达和光学制导飞向伊卡鲁斯,并在接近伊卡鲁斯时进行三次末端修正以保证精确命中目标。在撞击前5秒,打开核弹保险和无线电近炸引信,在距离小行星约30米处进行核爆。前4枚火箭将分别在1968年4月7日(撞击前73日)、4月22日(58日)、5月6日(44日)、5月17日(33日)发射。作为最后的努力,最后两枚火箭将在6月14日发射,这时伊卡鲁斯已太近了,使之偏离轨道已不太可能。

根据对火箭、航天器和制导系统可靠性以及对伊卡鲁斯性质的假定,学生们撰写的报告估计该方案使伊卡鲁斯轨道偏离地球的成功概率约70%。将伊卡鲁斯炸裂并成功拦截其碎片的概率约20%,总成功概率约90%。

【Icarus 计划采用的土星5号火箭(Peter Alway画),转引自Dwayne A. Day,http://www.thespacereview.com/article/175/1】

不过,此后实际发生的事件证明这可能还是过于乐观了。MIT与美国当时的航天技术研发有密切的关系,比较了解当前的研究进展。在课程开始时,土星5号火箭、阿波罗航天器等的研发看上去都还顺利,因此他们假定这些在1967年都将按计划很快研制成功。然而此后不久在研发过程中土星5号火箭和阿波罗航天器都遇到了一些问题,甚至还发生了事故,直到1968年8月其技术问题才最终解决,1969年土星5号火箭发射阿波罗11号飞船实现了人类首次登月。

另外,学生们假定有一亿吨当量的核弹可用,但实际上美国当时可能并没有这么大当量的核弹。根据此前美国国防部长在国会作证时的发言推测,当时美国洲际弹道导弹装载的核弹所能实现的最大当量为3千5百万吨TNT,轰炸机装载的最大当量为5千万吨TNT。要在当时给出的有限时间内研制并试验1亿吨当量的核弹恐怕是来不及的,因此也许只能使用较小当量的核弹。苏联当时倒是有一亿吨当量的核弹,并曾于1961年在新地岛核实验场进行过试验(为了避免对周边地区的破坏,试验时有意将爆炸当量降低到5千万吨)。一种可能是与苏联人合作,但这个苏联核弹的大小和重量很可能都比学生们假定的大(根据维基百科,它重27吨,长8米,直径2.1米),而且在当时要让苏联人把这个属于国家最高秘密的核弹交给美国(因为苏联并没有可与土星5号媲美的火箭),政治上是否可行也很难预测。

无论如何,这一课程设计第一次详细分析了保卫地球免遭小行星撞击所需的技术和准备工作。从中人们认识到许多需要注意的问题。特别是,它说明了较早发现危险的重要性。地球和小行星都是沿着周期性的轨道运行,因此发现一颗潜在危险小行星后,可能轨道计算表明它撞击地球发生在多个轨道周期之后。如果能够提前几十年发现可能撞击地球的小行星,就能有充分的时间进行针对性的设计。特别是这时可以预先研究小行星的性质,以选定最好的方案,并为此研制专用的航天器,在距离地球最远处改变其轨道,而且这样也会留有足够的冗余时间,以观察第一方案是否成功。不成功再采取其它方案。

【2012年嫦娥2号卫星拍摄的4179号小行星,可较清晰地看到小行星不规则的形状。这是由于小行星的自身引力较弱,其组分可能只是比较松散地连接在一起】

除了使用核弹之外,人们也提出了一些不同的改变小行星轨道的方法。例如,用一个有一定质量和速度的航天器撞击小行星,其冲量也能改变小行星的轨道,而风险可能比发射核弹到太空低得多。另一方面,核弹或者航天器撞击虽然简单直接,但人们也有一些担心:小行星也许只是一些松散相连的碎石,有可能在核爆或撞击中破碎而轨道并不发生很大改变,这样一来出现的大量小行星碎块可能更难对付。因此,也有人提出了一些更复杂但比较柔和的轨道改变方案,比如使用安装到小行星上的火箭发动机、太阳帆,或者在它附近用聚焦太阳光、激光、等离子束等办法进行驱动。

2010年,清华大学航空航天学院的宝音贺西等研究者还提出,除了改变小行星轨道以防止其撞击地球外,对某些小行星还可以给它一个冲量将它俘获,从而使之成为地球的卫星 (He-Xi Baoyin et al., Research in Astronomy and Astrophysics,10, 587(2010) )。这样俘获的小行星至少可以用于科研,甚至也有可能提取上面的金属材料(据说,2012DA14价值1950亿美元)。

总之,小行星撞击地球并不是天方夜谭,而是可能实际发生的事情。较大质量的小行星撞击可能会造成相当规模的人员伤亡和财产损失,甚至有可能毁灭人类文明。但是,以人类现有的技术,只要给予足够的重视,也完全可以做出预警,并采取措施防止小行星撞击地球的灾难发生。

我在撰写本文时多处参考了Curtis Peebles 所著 Asteroids: A History 一书,特此致谢。

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