小行星没有带有警告标签，表明它们有一天会撞击地球。尽管我们目前对此一无所知，但我们每年都会发现数以千计的新发现，而且人们总是有能力这样做。我们已经展示了一种可行的技术来处理这种情况 – DART 任务成功地使用“动能撞击器”移动了一颗小行星 – 基本上是一个旨在将小行星推离其轨道的大杆。但 DART 有一个重大缺陷——它与小行星沿同一方向行进，并从小行星后面接近它，最终用在小行星周围轨道上发射的撞击器击中它。如果我们有足够的警告，这项技术就可以发挥作用，但需要多年的轨道机械操纵才能实现。北京航空航天大学研究人员提出的另一种选择是使用新型太阳帆，通过正面撞击危险的小行星来偏转它。
使用撞击器偏转小行星可以归结为一个简单的因素——能量。从撞击物转移到小行星的能量越多，小行星移动得越多。功率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 6 公里/秒的速度击中了目标小行星——这是一个相当不错的速度，但由于它来自同一方向而受到限制。根据这篇新论文，使用太阳帆的撞击器可以接近从相反方向接近的小行星——就像一个错误行驶的高速公路司机——并以大约 100 公里/秒的速度撞击目标——每千克撞击器质量提供的能量是 DART 测试的 230 倍。
弗雷泽谈论我们如何阻止杀手小行星。
问题是航天器正在朝相反的方向移动。几乎所有物体都以逆时针方向围绕太阳旋转，包括地球。此外，当某物从地球发射时，它已经朝那个方向移动。温和地说，反转该方向并进入顺时针（回归）轨道需要大量能量。化学火箭无法做到这一点——齐奥尔科夫斯基火箭方程的专制使其不可能携带足够的燃料来完成机动。但太阳帆可以非常高效。
太阳帆通过利用太阳辐射压力来工作——太阳辐射压力是光子遇到物体时所传递的少量能量。从本质上讲，它们依靠阳光飞行，而不是像传统的化学或离子火箭那样需要燃料。 20 世纪 90 年代，意大利工程师 Giancarlo Vulpetti 意识到，可以使用这种技术让太阳帆进入他所谓的 H 反转轨迹——本质上是太阳帆向后轨道运行的一种方式。
该技术首先使用帆作为制动器，减少飞行器的角动量。一旦它降至零，太阳的引力就会发挥作用，将飞船深深地拉向我们的恒星。但在沃尔佩蒂的轨道上，帆在飞行器最近的接近点（近日点）期间重新启动，弹弓返回到向外的逆行轨道。这似乎是一个很好的解决方案，可以让撞击器朝正确的方向移动，向陨石提供大量的能量。只有一个问题——太阳帆非常笨拙。
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 是本质上充当巨型镜子的传统太阳帆的例子。在它们的例子中，从它们反射的光以与入射时相同的角度离开。推力始终垂直于帆的表面。这种情况对于 H 反转轨迹来说并不理想，这意味着你必须将帆倾斜到与太阳成一个极端的角度，从而为阳光照射提供一个非常小的目标，这大大降低了帆的效率。
输入衍射太阳帆。这些帆的制造材料不是传统的反光膜，而是使用微结构光栅，使光线向侧面偏转，而不会使帆本身转动。这意味着即使在近日点，帆也可以保持其整个面朝向太阳，但推力会将其全部向侧面移动。这极大地简化了姿态控制，并且仍然能够实现完成这种棘手的轨道机动所需的巨大推力。
研究人员针对这种 H 反转轨迹模拟了几种不同的太阳帆配置，发现反射型衍射帆显然是赢家。在他们的模拟中，只有那种类型没有落入太阳或进入完全被推出太阳系的轨道。但找到合适的帆类型只是第一步——他们的第二次模拟例证了另一颗著名小行星阿波菲斯所发生的情况。
弗雷泽谈论太阳帆有多么伟大。
阿波菲斯是一颗宽 340m 的小行星，将于 2029 年 4 月 13 日来到距地球 38,000 公里以内。尽管这并不能保证偏转，但研究人员决定看看他们可以对这颗经过充分研究的小行星做些什么。他们模拟了两种不同配置的衍射反射帆——一组具有永久偏转角，另一种可以在平均角度之间切换以向太阳俯冲，然后在近日点附近将其调至 90 度。
两个版本都能够在发射后大约 200-300 天向阿波菲斯直接发射 100 公里/秒的撞击器。这使标准反射式太阳帆的任务时间缩短了大约一年——这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偏转潜在危险的小行星。但实际上，我们总有一天会面对它。令人振奋的是，这项技术可以提供比我们迄今为止已证明有效的普通共轨效应多数百倍的能量——至少我们知道我们的工具带中有另一种工具可以应对这些危险，我们不必神奇地使用它。
了解更多：
J. 张等人 – 衍射帆 H 反转轨迹：理论可行性、设计策略和应用
UT – 行星协会部署 LightSail 2 的太阳帆。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
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