太阳衍射帆如何阻止 100 公里/秒的杀手小行星

小行星没有任何警告信号表明它们有一天可能会撞击地球。尽管我们不知道现在需要做什么，但我们每年都会发现数以千计的新项目，而且总有潜力。我们已经展示了处理这一事件的可行技术 – DART 任务使用“动能撞击器”成功发射了一颗小型小行星 – 一根将小行星推离其轨道的大杆。但 DART 有一个重大缺陷——它与小行星朝着相同的方向移动，并从小行星后面接近它，最终用它在绕小行星轨道运行时发射的撞击击中了它。如果我们有足够的意识，这项技术就可以发挥作用，但实现机械轨道机动需要数年时间。北京航空航天大学研究人员提出的一种替代方案是使用新型太阳帆通过撞击一颗具有潜在危险的小行星来将其击落。

利用撞击来推动小行星运行取决于一个简单的因素——能量。撞击转移到小行星上的能量越多，小行星移动得越多。能量的伟大之处在于它随着速度的平方而增加。换句话说，你击中某物的速度越快，你给予它的能量就越多。

DART 以大约 6 公里/秒的速度击中了它的目标小行星 Dimorphos，这是一个惊人的速度，但由于它来自一个方向，这一事实受到限制。根据这篇新论文，使用太阳帆的撞击器可以从相反的方向（错误的方式）撞击一颗接近的小行星，并以大约 100 公里/秒的速度击中目标，每千克撞击器质量的力量比 DART 测试高 230 倍。

弗雷泽谈论我们如何阻止杀手小行星。

挑战是让航天器朝相反的方向移动。几乎所有物体都以逆时针方向围绕太阳旋转，包括地球。所以，当某物从地球出发时，它就已经在向地球移动了。温和地说，返回这个方向并进入顺时针（逆行）轨道需要大量能量。化学导弹无法做到这一点——齐奥尔科夫斯基火箭方程的专制不允许它们携带足够的燃料来完成这种机动。但太阳帆或许可以。

太阳帆的工作原理是利用太阳辐射压——光子撞击物体时释放出的微量能量。基本上，它们依靠阳光漂浮，而不是像化学或离子火箭那样依靠燃料漂浮。早在 20 世纪 90 年代，意大利工程师 Giancarlo Vulpetti 就意识到可以利用这项技术让太阳帆进入倒置的 H 轨迹——基本上是一种让太阳帆向后行驶的方法。

该技术首先使用帆作为制动器来减慢船的角速度。当它下降到零后，太阳的引力将发挥作用，将航天器深深地拉向我们的恒星。但在沃尔佩蒂的轨迹中，帆在船最接近的位置（近日点）重新开始运动，并且帆向外转向进入逆行轨道。这似乎是一个让撞击朝着正确方向移动并将大量能量转移到小行星的好方法。只有一个问题——太阳帆是出了名的混乱。

Fraser 谈论 DART 测试的结果。

我们已经在太空中成功测试了一些——JAXA 的 IKAROS 任务和行星协会的 LightSail 2 是传统太阳帆的例子，其本质上就像巨大的镜子。在它们的例子中，从它们返回的光以与到达时相同的角度离开。桨距始终垂直于帆的表面。这种情况不适合倒 H 轨迹，因为这意味着您必须以极端角度将帆推向太阳，从而为阳光提供更小的目标，并显着降低帆的效率。

输入太阳衍射帆。这些帆的材料不是传统的反光膜，而是使用微结构光栅来向侧面传播光线，而不需要旋转帆本身。这意味着帆可以保持其整个面朝向太阳，即使在近日点，但所有的推力迫使它向侧面移动。这极大地简化了姿态控制，并且仍然允许实现这种敏感的轨道机动所需的显着推力。

研究人员针对这种倒置的 H 轨迹模拟了几种不同类型的太阳帆配置，发现反射型衍射帆显然是赢家。在他们的模拟中，只有这种类型没有落入太阳，也没有沿着完全弹出太阳系的轨道发射。但找到合适的帆类型只是第一步——他们的第二次模拟是另一颗著名小行星阿波菲斯可能发生的情况的一个例子。

弗雷泽谈论太阳帆有多么伟大。

阿波菲斯是一颗宽 340 米的小行星，已知将于 2029 年 4 月 13 日掠过距离地球 38,000 公里的小行星。尽管这本身并不能保证一定会发生畸变，但研究人员已经决定如何处理这颗经过充分研究的小行星。他们模拟了两种不同配置的衍射反射航天器——一种配置具有恒定的衍射角，另一种配置可以在适度角度之间切换以向太阳倾斜，然后在近日点附近倾斜约 90 度。

两个版本都能在发射后约 200-300 天内直接向阿波菲斯提供 100 公里/秒的推力。这距离标准太阳能反射飞行器的任务时间大约有一年的时间——这个时间差可能是偏转和撞击之间的差异。

希望我们永远不需要使用这项技术来对付潜在危险的小行星。但实际上，有一天我们会遇到这样的情况。令人鼓舞的是，这项技术可以传递比我们迄今为止所使用的简单共轨效应多数百倍的能量——至少我们知道我们有另一种工具可以应对这些危险，即使我们奇迹般地从未使用过它。

了解更多：

J.张等人。 – H-反转帆衍射轨迹：理论可行性、设计策略和应用

UT – 行星协会部署了 LightSail 2 太阳能航天器。太阳帆的未来会怎样？

UT – NASA 的 DART 任务也改变了 Didymos 绕太阳的轨道

UT – 根据 DART 的新数据，小行星碰撞并不简单