地球是非常美丽的星球，它并非人类所有，但人类属于它。尽管 2012 年世界末日不是事实，但恐龙终结却是由一个直径为 20km 的小天体撞击地球所致。霍金预言地球毁灭之日在 200 年内，虽然有些夸张，但他的预言并不类似于“ 2012 ”那种毫无根据的谎言，至少是对人类的警告。

通过天文学家的观测和推算结果，直径大于 5 km 的小行星平均 600 万年撞击地球一次，每次撞击不仅会给地球上的生命带来彻底性的毁灭，而且会使整个地球的近地空间处于爆土尘埃状态长达 300 多年。直径小于 140m 的小天体平均 5000 年撞击地球一次，对地球的危害也极其严重。最近天文学家发现，在 2029 年将有一颗直径约 300m 的小行星与地球接近，预测 2036 年存在着与地球发生碰撞的可能性。

怎样在极端灾难时求生？如何防止小天体撞击地球？为了保护人类，世界上很多国家都积极探索研究预防措施，并逐步付诸实施。从目前发展看，对于预防小天体的方法有很多，但归纳起来基本分两大类：

( 1 )通过推进控制技术和碰撞方法等，改变即将坠入地球的小天体的运行轨道。

( 2 )通过爆破技术和撞击方法等，毁灭即将坠入地球的小天体。

随着科学技术与空间技术的结合，各种类型的新概念航天器不断出现，最近针对小天体的控制法，应用新概念航天器控制小天体轨道的方案又有了很大的进展，如利用航天器群，在太空形成反射太阳光线的一面大镜子，调节小天体吸收太阳的热量，进而改变小行星运行轨道。

基于航天器群建立的“天基镜群”

航天器群是目前比较流行的研究热点问题。采用航天器群的方式执行太空任务，是未来航天领域的一个重要发展趋势。

英国拉斯哥大学 Massimiliano Vasile 教授在分析小天体变轨的几种流行技术方案的基础上，提出了一种基于航天器群建立“天基镜子”的方案。该方案的部署是通过火箭将航天器群从地球发射升空，进入预定轨道，之后航天器群再自主地逐渐徘徊于目标小天体附近，依靠协同控制技术进行优化部署后，将太阳光能聚集到小行星表面的某一点上(图 12.24 )。

图 12.24 利用航天器群聚集太阳光线使小天体汽化变轨

从图 12.24 可以看出，“天基镜群”的工作原理是发射一个航天器群，群中航天器都是纳型重量级的，每颗纳型航天器携带一个小镜子，一颗纳型航天器，就是一个镜子模块，然后通过统一的星务系统进行管理，组建成一个天基群镜系统，这样就可以把反射太阳光聚焦于小天体表面的某一指定点，将小天体的表面加热到至少 2100 ℃，使小天体汽化。汽化后的小天体内部会喷射出气体，由牛顿定律可知，小天体将会产生一个与喷射方向相反的推力，进而改变轨道。

基于全球卫星定位系统对航天器群进行导航，结合目前的自主控制技术，采用数十颗小卫星组成群体，使直径为数百米的小天体变轨是可以完全可行的。若利用 10 颗纳型航天器族群，每颗航天器均承载一个 20m 宽的充气镜子，大约可以在 6 个月内使一个直径约为 150m 的小天体发生变轨；若增加到 100 颗纳型航天器，只需几天的时间就可以完成上述任务；假如要使直径为 20km 的小天体变轨，则需要集合 5000 颗纳型航天器，汇聚太阳光至该小行星表面长达 3 年的时间就可以使其发生变轨。尽管目前控制 5000 颗航天器的技术有很多困难，但随着群智能理论及其应用技术的深入发展，对于数千颗航天器的协调控制，未来将不再是问题，如图 12.25 所示。所以航天器群的概念未来一定具有巨大的应用前景。

图 12.25 协同控制下的航天器群

早在 1993 年，美国亚利桑那州立大学的 Jay Melosh 就曾建议用一个非常大的镜子安放在一颗大卫星上，以此来达到上述目的。

“天基镜群”的性能分析

对于控制小天体变轨技术方案的评价准则一般有三个方面：

( 1 )这种方法给小天体轨道带来的变化量。

( 2 )所需的预留时间。

( 3 )执行任务所需航天器数量。

“天基镜群”与“引力拖拉机”的比较

美国 NASA 曾提出在地球近地空间轨道部署一颗大型航天器，并利用其引力的作用，改变周围物体的运行轨道，如图 12.26 所示，就是所谓“引力拖拉机”方案。类似于航天器的编队飞行，天基拖拉机就是建立一个与小天体并肩运行的航天器，利用它们之间的引力，拖拽小天体，使其偏离原本致命于地球的轨道。

图 12.26 利用引力拖拉机拖拉小天体的概念

“天基镜群”与“引力拖拉机”在太空里控制相同质量的小天体变轨时，“引力拖拉机”方案所需的时间较长。“天基镜群”方案所能达到的效果与核爆炸方案的效果基本一致，但是很多文献指出，单纯把消耗的时间作为评价标准并不科学，还应该考虑其他因素，如核爆炸方案会形成空间碎片，污染太空环境。

“天基镜群”的可控性和安全性

目前，国际上已经总结出 9 个控制小天体变轨的方案，确认哪种控制小天体变轨的方案是最佳的是近年来相关学者普遍关心和讨论的热点问题。一些学者的观点是，首先需要对小天体进行充分认识，在可操作性和安全性的基础上，再来考虑采用哪一种合适的方案进行应对。国际上很多国家反对首先利用航天器撞击小天体的方案，因为这种方式所带来的影响比“天基镜群”更难预测。由于“天基镜群”方案操作简便易于实现，因此撞击方案最好作为备选方案。

“天基镜群”方案具有较小的发射成本和较多的柔性结构方案等优点，并且可以根据需求随时调节，也有些学者认为最好的方式是先使用一个足够使小行星改变轨道的航天器撞击，但撞击不至于使小行星被击毁，再用“引力拖拉机”对小天体的轨道进行微调节，这也是一种可控、安全和技术可行的手段。

利用航天器群建立“天基镜群”驱动小天体变轨方案与其他控制小天体变轨方案效果比较，如“核爆炸”方法或“引力拖拉机”方法，“天基镜群”方法不仅可以避免利用“核爆炸”产生的碎片，而且技术上比“引力拖拉机”方法更简单可行。针对撞击地球最多的是直径为 50 ～ 100m 的小天体，不需要很大的能源去控制它们变轨，而且近地空间物体的研究者可以在它们撞击地球之前数年发现它们，所以，利用航天器群建立的“天

基镜群”方案特别具有实用价值。

本文由安静摘编自闻新等编著《航天器系统工程》（2016年3月 第1版）第12章部分内容。

978-7-03-047397-4

《航天器系统工程》由 12 章组成，集中在航天器总体设计知识和技术方面进行讨论和叙述，并且从系统工程角度，对航天器各个分系统进行论述，其主要内容包括：空间环境及其对航天器的影响、航天器轨道基础、航天任务分析、航天器结构与机构分系统、航天器电源分系统、航天器热控分系统、航天器推进分系统、姿态控制系统、航天器数据管理分系统和遥测遥控分系统，最后结合国际航天领域的先进型号，讨论几种新概念航天器。

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