动能撞击是目前公认最成熟、可行的小天体防御手段。在超高速动能撞击作用下小天体表面会形成撞击坑，同时产生大量溅射物。由于小天体引力较弱，部分溅射物会脱离小天体引力场的束缚而逃逸出去，从而导致小天体的动量改变量比撞击器的动量更大。动量传递因子用来描述这种额外的动量增强效应，将小行星动量改变量与撞击器动量的比值定义为动量传递因子。在溅射物动量增强效应下，动量传递因子甚至可能达到远大于1。

图1 动量传递因子示意图动量传递因子会增强小天体的轨道偏转效果，是评估动能撞击防御小天体效能的重要指标。美国“双小行星重定向测试任务”的一个关键科学目标就是研究动能撞击作用下的动量传递规律。今年中国航天日，中国国家航天局吴艳华副局长在接受采访时表示，将于2025年或者2026年实施一次小行星动能撞击试验。如何科学评估试验效果，是值得研究的方向。

图2 美国“双小行星重定向测试任务”示意图

动量传递因子与撞击器参数（重量、形状、密度、材料等）、撞击场景参数（撞击动能、速度、角度、撞击偏心等）和小行星参数（结构、强度、孔隙率、内摩擦系数、局部地形等）等密切相关，对其完整建模需要开展超高速动力学数值仿真，计算量巨大，难以开展大规模计算，以获得规律性启示。

图3 超高速撞击动力学数值仿真

为了揭示影响传递因子的主要因素并分析其敏感程度，中国科学院国家空间科学中心李明涛研究员团队根据动量传递因子的标度律理论模型，在引力主导和强度主导两种成坑机制下，分析了撞击器特性参数和小天体结构特性参数对动量传递因子的影响，并研究了不同动能撞击方案对典型类型的小天体的成坑效应和动量传递效应，研究成果于2022年6月以“小天体动能撞击防御中动量传递因子敏感参数分析”为题发表在中文核心期刊《空间科学学报》上，论文作者为周琪、郑建华和李明涛。论文选取石块、粗砂、弱胶合玄武岩、致密沙土、珍珠岩/沙土混合物等五种材料为小天体结构材质，开展了动量传递因子参数敏感性分析。研究表明：标度律参数对影响较大，该参数是地面实验拟合得到的系数，与小天体材料强度特性相关；当小天体为单体岩石结构时，撞击器速度及密度、小天体密度及内聚强度对动量传递因子影响较大，而撞击器半径和小天体引力对动量传递因子影响较小；当小天体为碎石堆结构时，对撞击器特性参数和小天体特性参数不敏感，且动量增强效应不显著。

图4 引力主导时动量传递因子随各参数的分布

图5 强度主导时动量传递因子随各参数的分布

作者还对传统动能撞击、“末级击石”和“以石击石”三种典型的动能撞击方案的动量传递效应进行了分析。研究表明，“以石击石”的动量传递效率最高，“末级击石”次之，传统动能撞击最低。此外，“以石击石”具有较高的能量密度，在引力主导机制下有可能摧毁小行星的结构。

图6 引力主导时三种撞击方案对Apophis小行星的撞击成坑效应和动量传递因子

此项研究得到了国防科工局空间碎片与小行星专项资助。目前团队已经在标度律理论模型的基础上，完成了动量传递因子的数值仿真分析，能够对典型撞击场景下的撞击成坑及动量传递效应进行计算分析，可为相关任务设计提供参考。

来源: 行星防御与利用

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