如何阻止天外來物撞擊地球

王達(dá)亮^*，許香照^+,[1]⁾

*(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081)

+(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

摘要：天外來物絕大多數(shù)在進(jìn)入大氣層后就摩擦燒毀了，但始終是潛在的威脅。國際上設(shè)想了多種方法來阻止外來物撞擊地球，但目前只停留在理論設(shè)想中，并未給出定量的理論分析以及可行性分析，在實(shí)際中也未成功攔截過外來物或者是改變其運(yùn)行軌道。本文針對這一國際熱點(diǎn)問題，在理想情況下定量的對采用動能沖擊以及核爆方式改變隕石運(yùn)動軌跡進(jìn)行簡要的理論分析；其次，采用課題組自主開發(fā)軟件，考慮彈體和外來物的變形，對兩種加載方式進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過理論和數(shù)值模擬分析，對于直徑為46米的外來物，千萬噸量級的核爆很可能改變外來物的運(yùn)行軌道甚至將其摧毀；而動能沖擊的方式在目前的科技水平下很難實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：天外來物；撞擊；爆炸與沖擊；數(shù)值仿真

中圖分類號：O389 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

How to prevent outer-space comers strike the earth

WANG Daliang^*，XU Xiangzhao^+,1)

*(School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology，Beijing 100081, China)

+ (State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract： Most outer-space comers burn down after entering the atmosphere, while it is always a potential threat. To prevent outer-space comers strike the earth, international scholars envision a variety of methods which only stay in the theoretical assumptions and don’t give quantitative analysis in theory and feasibility. In practice, there is no successful case of intercepting an outer-space comer or changing its orbit. According to this international hotspot issues, firstly, we did a brief theoretical analysis of changing the meteor trajectory, which were achieved by kinetic energy of impact and nuclear explosion；Secondly, we use self-developed software which consider the deformation of the projectile and outer-space comers to simulate the two loading modes. Through the theoretical analysis and numerical simulation, for an outer-space comer of 46 meters in diameter, ten million tons nuclear explosion may change its orbit or even destroy it. Meanwhile, kinetic energy of impact is difficult to realize under the current level of science and technology.
Key words：outer-space comers； strike, explosion and impact；numerical simulation

引言

歷史上，隕石以及小行星撞擊地球的事件時有發(fā)生，目前估算認(rèn)為大約每1000年會有一顆直徑100m左右的隕石撞擊地球，這樣一場撞擊將會形成一個直徑超過1公里的隕擊坑^[1]。而10公里級的隕星撞擊則大約每隔1億年會發(fā)生一次，其形成的隕擊坑直徑將超過100公里，科學(xué)家們認(rèn)為恐龍滅絕便是在大約6500萬年前由于一顆隕星撞擊導(dǎo)致的^[2-3]。在更近的歷史上，這樣的案例也有很多，其中最著名的當(dāng)屬1908年6月30日發(fā)生在俄國西伯利亞的“通古斯大爆炸”事件。盡管仍然存有分歧，但大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為這次爆炸事件便是由一顆直徑在50~60m左右量級的小行星(或彗星)撞擊形成的^[4]。2013年2月15日早晨在俄羅斯車?yán)镅刨e斯克州墜落的隕石即俄羅斯隕石已造成近500人受傷。墜落的隕石在穿越大氣層時摩擦燃燒，發(fā)生爆炸，產(chǎn)生大量碎片，形成了所謂“隕石雨”。

圖1 隕石撞擊地球示意圖

而隨著技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們已經(jīng)開始能夠在這種小天體進(jìn)入地球大氣層之前便發(fā)現(xiàn)它們并開展追蹤，這樣的成功案例已經(jīng)存在：2008年10月7日，小行星2008TC3進(jìn)入地球大氣層，這顆小天體的直徑僅有2~5m左右，重約80噸，最后它在蘇丹上空大約37km高度發(fā)生爆炸并墜毀，科學(xué)家們隨后在其墜落點(diǎn)附近收集到10.5kg的超過600塊隕石碎塊。一般天文學(xué)上認(rèn)為，幾十米直徑的隕石撞擊地球會造成強(qiáng)烈影響，估計直徑在一二百米的隕石會造成毀滅性的氣候巨變，造成至少90%的人類死亡^[5]。人類依靠了科技，生存能力比其它物種會強(qiáng)一些，對能造成人類滅絕的隕石至少多大科學(xué)界并沒有共識，一般認(rèn)為1km直徑的隕石撞擊地球人類無法承受。目前，國際上對外來物的防護(hù)提出了多種的設(shè)想，其中主要的方式有：１）動能沖擊的方式，采用合適的方式對其進(jìn)行撞擊使其改變運(yùn)行軌道偏離地球；２）核爆方式，核爆目前是人類能夠在瞬間提供巨大能量的最有效手段，被認(rèn)為是地球免受外來物撞擊的最有效方式。但是，國際上提出了這些方法僅存在于理論設(shè)想中，并未給出定量的理論分析以及可行性分析。
本文針對上述問題，對兩種防護(hù)手段進(jìn)行定量的理論和數(shù)值模擬分析。在理想情況下，對采用動能沖擊和核爆方式進(jìn)行理論以及可行性分析；并在理論分析的基礎(chǔ)上，采用課題組自主開發(fā)的三維爆炸與沖擊問題高性能仿真軟件（EXPLOSION-3D）在更貼近真實(shí)情況下對兩種加載方式進(jìn)行數(shù)值模擬分析。綜合理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果可知，以小行星2012 DA14為研究對象，千萬噸量級的核爆能夠改變其運(yùn)行軌跡或是將其摧毀。而在目前的科技水平下，動能沖擊的方式很難實(shí)現(xiàn)。

1、理論建模分析

小行星2012 DA14是一顆典型的近地小行星，直徑40至50m，將在距離地球約27680km的空間掠過，屆時2012DA14將距離地球只有35000km。然而，據(jù)天文學(xué)家對小行星軌道的計算，這顆小行星并不會撞擊地球。本文以其為假想外來物背景作為研究對象。

地球同步衛(wèi)星的軌道高度3.6萬公里，近地軌道上地球?qū)ζ溆幸欢ǖ囊ψ饔?，很有可能地球引力將使得外來物朝著地球飛行。假設(shè)在該距離對外來物進(jìn)行攔截，改變其運(yùn)行軌道。小行星2012 DA14直徑為46m，假定其撞擊地球的位置為地球中心。根據(jù)美國航天局的最新評估，撞擊俄羅斯的隕石進(jìn)入大氣層后飛行速度高達(dá)每秒18公里。在此，假定小行星以恒定速度18km/s向地球靠近，則其到達(dá)地球的時間為1646s。地球的平均半徑為6371.11km。依照上述數(shù)據(jù)建立一個隕石撞擊地球的飛行軌跡示意圖，如圖2所示。

 

圖2 隕石撞擊地球飛行軌跡示意圖

 若使得隕石在這種情況下不與地球發(fā)生碰撞，必須在到達(dá)地面之前使得隕石的橫向運(yùn)動距離超過地球半徑。由勻速運(yùn)動公式s=v t可計算隕石的橫向速度至少為3.87km/s。目前，國際上對這類問題的主要處理方法有兩種設(shè)想，一種是采用動能彈撞擊，使其改變原有的運(yùn)行軌道，偏離地球運(yùn)行；還有一種更為普遍的想法就是采用核彈攻擊，直接摧毀隕石，或通過爆炸驅(qū)動使其改變運(yùn)行軌道偏離地球不對地球造成傷害。

1.1 動能撞擊改變隕石的運(yùn)行軌道

火箭及其運(yùn)載物體空間航天器可以獲得第一宇宙速度7.9km/s。美國1973年4月6日發(fā)射的先驅(qū)者10號，它的速度達(dá)到14km/s左右，在這之后1977年8月20日發(fā)射的旅行者號探測器，能夠達(dá)到這是16.7km/s，也就是第三宇宙速度，這是人類到今天為止能達(dá)到的最快速度。
動能撞擊的外來物，主要的設(shè)想方法是對準(zhǔn)外來物的質(zhì)心進(jìn)行撞擊，使其偏離原有的軌道，不與地球發(fā)生碰撞?；谧罡镜哪芰渴睾?，對撞擊進(jìn)行理論分析。采用最簡單的分析方式，假設(shè)動能撞擊體以及隕石均為完全塑性體。以一個直徑為六米的剛性球體撞擊隕石，如圖3所示。

 

 

圖3 動能撞擊小行星示意圖

采用高強(qiáng)度鋼作為撞擊彈體材料，其密度kg/m³，彈體的質(zhì)量由公式(1)計算得到。

？(1)

隕石的平均密度在3～3.5間，主要成分是硅酸鹽；隕鐵密度為 7.5～8.0，主要由鐵、鎳組成；隕鐵石成分介于兩者之間，密度在5.5～6.0間。在此計算取中間的密度為研究對象，取隕石的密度為kg/m³。小行星的質(zhì)量由公式(2)計算得到。