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近日，我國(guó)官宣了小行星動(dòng)能撞擊驗(yàn)證任務(wù)，以 “伴飛 + 撞擊 + 伴飛” 模式探索地球防御之道，引發(fā)全球關(guān)注。

面對(duì)這項(xiàng)體系龐雜、難度極高的工程，各國(guó)科研機(jī)構(gòu)早已借助CAE仿真技術(shù)構(gòu)建了虛擬試驗(yàn)場(chǎng)，通過模擬撞擊力學(xué)響應(yīng)與軌道變化，為防御方案優(yōu)化與風(fēng)險(xiǎn)研判提供精準(zhǔn)支撐。

小行星攔截任務(wù)堪稱千萬(wàn)公里外 “打蒼蠅”，從預(yù)測(cè)撞擊效果、模擬軌道變化，到評(píng)估濺射物分布和任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，都需要CAE仿真技術(shù)提供高精度、全過程的精準(zhǔn)推演。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，小行星攔截技術(shù)就是通過發(fā)射航天器，主動(dòng)改變有潛在威脅的小行星的軌道，使其避免與地球相撞的一系列技術(shù)手段。這是地球主動(dòng)防御的“宇宙盾牌”。

基于人類已有的技術(shù)條件，小行星攔截技術(shù)主要有：核攔截器策略、動(dòng)力沖擊器策略、太陽(yáng)能集熱器策略、低推力推進(jìn)策略、質(zhì)量驅(qū)動(dòng)器策略、引力拖拽策略6大類^[1]。

盡管這些策略僅能夠輕微地改變小行星的速度，但請(qǐng)千萬(wàn)別小看這微小的速度改變。經(jīng)過幾十天甚至幾年的軌道飛行之后，這一點(diǎn)點(diǎn)變化足以讓它在到達(dá)地球時(shí)“錯(cuò)過”數(shù)萬(wàn)公里。

這里我們拋磚引玉，基于云道智造伏圖-物質(zhì)點(diǎn)法引擎（Simdroid-MPM），選取動(dòng)力沖擊器場(chǎng)景，帶您完成一次小行星攔截仿真。

2. 通過沖擊器將小行星撞碎

當(dāng)240kg的沖擊器以一定的相對(duì)速度撞擊巖質(zhì)小行星（整體質(zhì)量達(dá)到1.4e7kg），速度越快，巖質(zhì)行星的損傷效應(yīng)越顯著。可以看到，當(dāng)相對(duì)速度達(dá)到1km/s時(shí)，損傷發(fā)生在撞擊坑周圍不遠(yuǎn)處以及遠(yuǎn)端的自由邊界處；當(dāng)相對(duì)速度達(dá)到5km/s時(shí)，小行星發(fā)生大面積損傷，同時(shí)反向飛濺的物質(zhì)也顯著增加。

根據(jù)已公開的信息，我國(guó)將在距離地球1000萬(wàn)公里（約0.0668AU，1AU即地球與太陽(yáng)的平均距離149,597,870.7公里）處，對(duì)備選小行星實(shí)施動(dòng)能撞擊，從而改變小行星的運(yùn)行狀態(tài)使其避開地球。

我們盡可能真實(shí)地構(gòu)建了“太陽(yáng)-地球-行星”的運(yùn)動(dòng)仿真模型，并設(shè)定了距離地球質(zhì)心7000公里的碰撞預(yù)警范圍（地球半徑約6300公里）。初始狀態(tài)時(shí)，小行星與地球相距0.15AU，之間有25公里/s的徑向相對(duì)速度和40-29.79=10.21公里/s的切向相對(duì)速度。

在未進(jìn)行防御的情況下，小行星在太陽(yáng)引力的作用下將于第11.85天撞上地球，數(shù)據(jù)顯示此時(shí)二者質(zhì)心距離為6621.2公里，行星抵近地球表面。

而在動(dòng)力沖擊器方案中，將在小行星與地球距離1000萬(wàn)公里處（第6.35天）實(shí)施航天器主動(dòng)撞擊。

撞擊發(fā)生后，假設(shè)“行星-地球”的徑向相對(duì)速度降低了1%而切向相對(duì)速度保持不變，此后行星仍朝地球方向追擊，在第11.97天達(dá)到跟地球的最近距離19486公里，該距離已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出跟地球的碰撞預(yù)警范圍（7000公里），撞擊危機(jī)解除。

可見，在動(dòng)能沖擊的主動(dòng)防御方案中，僅需對(duì)行星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)施加微小的改變即可避免撞擊的發(fā)生。

當(dāng)然，實(shí)際情況會(huì)更加復(fù)雜。如由于質(zhì)量差異懸殊，沖擊器對(duì)小行星的速度改變量遠(yuǎn)達(dá)不到本例中的1%，因此撞擊前后小行星軌道的微弱改變可能需要經(jīng)過數(shù)月甚至數(shù)年積累才可被顯著觀測(cè)到（而本例中十幾天就看到改變），且即便是軌道有變化，改變量可能也僅為幾百或幾千公里（安全余量遠(yuǎn)低于本例結(jié)果）。因此，本例參數(shù)僅作為方案效果展示，更真實(shí)、準(zhǔn)確的軌跡模擬需要在大型計(jì)算集群上運(yùn)行。

二、基于MPM的小行星撞擊過程仿真

在行星防御這項(xiàng)關(guān)乎全人類命運(yùn)的宏大課題中，中國(guó)作為負(fù)責(zé)任的航天大國(guó)，正在積極謀劃并打造屬于自己的“數(shù)字盾牌”。發(fā)展自主可控的攔截仿真技術(shù)，不僅是國(guó)家航天實(shí)力的體現(xiàn)，更是保障未來(lái)空間安全、在關(guān)鍵時(shí)刻擁有決策自主權(quán)的戰(zhàn)略必需。

Simdroid-MPM是一款三維顯式并行物質(zhì)點(diǎn)法數(shù)值仿真工具。它憑借獨(dú)特的算法優(yōu)勢(shì)能夠高效、高精度地完成小行星撞擊與防御這類涉及材料斷裂、破碎等極端變形場(chǎng)景的仿真模擬。

我們首先基于文獻(xiàn)^[2]的模型試驗(yàn)開展了MPM算法的精度驗(yàn)證。通過與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以觀察到Simdroid-MPM捕捉了撞擊過程中的材料損傷與物質(zhì)飛濺現(xiàn)象，并能給出準(zhǔn)確的坑口形貌數(shù)據(jù)。