脉冲能量偏转过程中不同小行星几何构型下蒸气喷射物的高效计算

《Icarus》：Efficient computation of vapor ejecta over asteroid geometries during pulsed energy deflection

　　•直接模拟蒙特卡洛方法（DSMC）模拟了来自真实小行星地形的喷射物。
•DSMC将偏转计算速度提升了至少1600倍。
•小行星的形状和朝向会影响辐射驱动的偏转速度。
•阴影效应和非对称性会使小行星偏转速度改变最多五倍。
•断裂和碎石喷射物在偏转任务中取决于地形。

引言

小行星2024 YR4于2032年12月22日掠过月球——该小行星最初被归类为可能撞击地球，后经JWST观测确认其安全——然而，若对地球或其卫星造成的损害被视为不可接受，这一问题仍引发了关于最有效应对措施的疑问（Barbee et al., 2026; Rivkin et al., 2026）。尽管被视为最后手段，但已有观点认为，对近地天体（NEO）或彗星进行末期拦截（无论是为了摧毁还是偏转）可能只能依靠脉冲能量装置爆炸所提供的更高能量集中度来实现（Ahrens and Harris, 1992; Green et al., 2026; King et al., 2021）。另一方面，考虑到碎片风险（Cohen et al., 2024），偏转、摧毁或两者相结合的缓解方案孰优孰劣尚未达成共识；甚至可能需要采矿或长周期慢推/慢拉方法（Marin-Rivera et al., 2023; National Academies of Sciences, 2023; Trigo-Rodriguez, 2022; Trigo-Rodríguez et al., 2026）。远距离能量爆炸——即在小行星表面远处引爆——相较于表面爆炸具有潜在优势，因为它们可能在不严重破坏原始结构的情况下实现偏转，从而更可控地引导小行星及其碎片的运动方向（Dearborn et al., 2020）。此外，远距离拦截对小行星内部结构（通常未知）的敏感度可能较低（Hammerling and Remo, 1995）。为了研究这些问题，精确模拟爆炸缓解措施需要将真实地形纳入偏转模型中。然而，由于计算成本高昂，以往的分析要么局限于理想化形状，要么局限于物理过程的简化模型。例如，Burkey等人（Burkey et al., 2023）在研究刚性球体上远距离X射线爆炸时，采用了近似二维模型，讨论了由于辐射散射和小行星流体动力学响应相关的不同长度尺度所导致的网格需求而带来的模拟缩放挑战。在早期工作中，他们使用了一个半尺度的小行星（101955）贝努模型，并采用有限数量的场景来控制计算成本（Burkey et al., 2020）。Howley等人（Howley et al., 2014）同样强调了在一维X射线和中子偏转模拟中，精度与计算效率之间的权衡是一个挑战。

Brack和McMahon（Brack and McMahon, 2020）使用多面体表示的巨石来研究旋转状态的变化；然而，计算整个天体上喷射蒸气的质量需要高度简化的解析描述来表示蒸气生成过程（Hammerling and Remo, 1995; Sanchez et al., 2009）。虽然McMahon和Scheeres（McMahon and Scheeres, 2017）使用恒力模型预测仅小行星形状就可使偏转速度降低最多20%，但该方法更适用于激光或反射镜的定向加热，尚不清楚其是否适用于远距离爆炸产生的广域照射。Managan等人（Managan et al., 2015）以及后来的Burkey和Managan等人（Burkey et al., 2023）通过将一维能量沉积计算映射到表面，同时考虑注量和能量穿透的局部变化，解决了全尺度近地天体的模拟问题。虽然他们的方法涵盖了更完整的物理过程，但随着所需精度的提高，计算成本急剧增加，这是因为在斜入射情况下解析熔融层需要精细的离散化。因此，能量沉积映射仅用于轴对称天体，例如球体（Burkey et al., 2023; Managan et al., 2015）。

精确网格收敛所需的大量自由度在模拟基于动能撞击的缓解措施时也可能带来挑战（Syal et al., 2016）。Feldhacker等人使用自适应光滑粒子流体动力学（SPH）模拟，研究了航天器动能撞击对小行星（6489）Golevka及其他近地天体的地形效应，导致偏转速度呈非对称分布（Feldhacker et al., 2017）。同样，Scheeres等人（Scheeres et al., 2015）发现，Golevka动能撞击时撞击位置的角度依赖性遵循非高斯分布，这表明动能撞击可能难以实现精确偏转。Syal等人使用光滑粒子流体动力学（SPH）研究了Golevka的偏转，注意到其对局部地形和撞击位置的敏感性（Syal et al., 2016）。其他研究也发现了动能撞击的类似敏感性（Cohen et al., 2024; King et al., 2021; Stickle et al., 2022; Syal et al., 2013; Wie, 2013）。表面撞击产生的碎片本身就是一种破坏形式——可能是有益的——但准确预测仍需要详细的地形信息。例如，在偏转双卫一时，NASA双小行星改道测试（DART）航天器的撞击导致动量增强因子β为2.2至4.9，这是由于撞击后形成的喷射物流所致（Cheng et al., 2023; Daly et al., 2023）。近地表爆炸的模拟同样突出了小行星偏转过程中的地形依赖性（Han et al., 2024）。

对于使用X射线脉冲的远距离缓解方案，一个主要问题是实际预测蒸气产生和后续蒸气及小行星天体演化的计算成本。蒸气产生需要辐射流体动力学代码来处理辐射散射、加热、相变和性质演化之间的复杂相互作用（Moore et al., 2025b），而由于辐射耦合（微米级）、蒸气演化（米级）和天体力学（千米级）相关的不同长度尺度（Burkey et al., 2023），需要数十亿或更多离散单元。局部地形，如巨石、山脊和凹形特征，预计也会影响喷射物的数量和能量及其对天体偏转和旋转的后续影响（Brack and McMahon, 2020; Durda et al., 2015）。

我们还注意到，尽管近地天体的编目和巡天工作持续扩展，但行星防御的一个现实是，来袭近地天体的形状——尤其是那些晚期才发现的——可能并不已知。相对较少的近地天体已通过航天器上的仪器进行过近距离研究（Barnouin et al., 2019; Hudson et al., 2000; Warner et al., 2009），这对于准确的任务规划可能很重要（Lauretta et al., 2019; Sanchez et al., 2009）。尽管DART航天器在撞击Didymos时成功通过光学成像进行引导，但Didymos在撞击时的朝向并未精确控制（Fletcher et al., 2022）。因此，在规划无法通过动能撞击解决的晚期缓解方案时，可能有必要同时考虑小行星朝向的不确定性（我们称之为“盲目瞄准”）和形状的不确定性。

一个相关的问题涉及根据实验室实验验证的偏转模型进行缩放。最近，一种评估小行星材料偏转有效性的方法被展示出来，该方法通过将模拟小行星（即小型化样本）释放到自由落体中，并使用Z机器（桑迪亚国家实验室）以兆焦耳级X射线脉冲照射它们（Moore et al., 2024）。虽然这允许在准一维（平面）样本上评估偏转模型，但将结果有效缩放到千米级且具有不同地形的小行星仍然是一个挑战。

为此，我们展示了一种新颖的模拟框架，用于高效准确地表示复杂形状近地天体受辐射后的蒸气演化。首先，使用耦合辐射流体动力学代码来考虑辐射在演化的表面材料和喷射物中的传播，同时考虑相变、冲击流体动力学和初始喷射物形成过程中的热再辐射。然后，我们使用直接模拟蒙特卡洛（DSMC）气体动力学代码来高效模拟整个天体上的蒸气演化。该方法利用了流体动力学求解器在较高密度、无粘性流动中的精度和效率，以及DSMC代码在整个人体稀薄流动中的效率。由于两种模拟技术都守恒动量，蒸气状态随后可用于计算近地天体表面上随时间变化的力和力矩，并具有高空间保真度。

DSMC在大规模应用中的使用类似于其他涉及高马赫数流动的研究（Schwartzentruber and Boyd, 2015），例如航天飞机的气动加热（Gallis et al., 2005）和和平号空间站的加热（Gallis et al., 2005）。这里，该方法针对预测近距离X射线脉冲后近地天体受力和力矩的独特需求进行了定制。特别是，使用完全耦合的辐射流体动力学代码可以同时考虑热波和材料加热时不断演化的材料不透明度，这对于可能需要进行摧毁的较高注量（>0.04 kt/m2）也很重要（Burkey et al., 2023）。

最近，我们展示了应用于贝努多个拦截场景的蒸气映射框架（Moore et al., 2026）。在此，我们通过更详细地评估响应分布和数值精度，并考虑168个不同的拦截场景，显著扩展了该研究，展示了该方法在探索广泛小行星缓解方案方面的效率。具体而言，我们探讨了盲目瞄准（拦截时天体朝向不受控制）对最终偏转速度和旋转状态不确定性的影响，针对三个形状不同的近地天体以及两种表示近场和远场X射线照射的近距离条件。最后，我们使用动态表面压力来估计由冲击断裂产生的固体喷射物量，进一步说明了局部地形的依赖性。

章节片段

辐射流体动力学模拟

为了模拟蒸气演化的动力学，我们使用完全耦合的辐射流体动力学模拟，采用任意拉格朗日-欧拉通用研究应用（ALEGRA）多物理场代码（Bova et al., 2019; Niederhaus et al., 2023）。使用ALEGRA的辐射流体动力学框架已与涉及二氧化硅的模拟小行星偏转实验（Moore et al., 2024）和涉及铝的X射线驱动羽流膨胀实验（Moore et al., 2025a）进行了有利的比较。我们

局部蒸气演化

我们首先考虑使用辐射流体动力学模型模拟X射线加热后蒸气的产生和随后的一维传播。图2显示了距离小行星表面1毫米处的点的瞬时状态历史，包括蒸气密度ρ、温度T、速度V和面动量M=ρV。这些量在图2(a,c,e,g)中作为不同注量的时间历程显示，在图2(b,d,f,h)中作为每种注量的最大值显示。将热波纳入模型中

讨论与结论

我们已经展示了一种计算上高效的数值方法，用于预测任意形状小行星在远距离爆炸的X射线照射后的压力载荷，同时保留了蒸气生成模型中的地形分辨率和物理准确性。该方法可用于在刚体假设下估算偏转速度或旋转状态的变化，和/或随后检查固体喷射物的产生以及

CRediT作者贡献声明

Nathan W. Moore：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法论，调查，正式分析，概念化。Michael A. Gallis：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，软件，资源，项目管理，资金获取，正式分析，概念化。Zakari S. Eckert：软件，调查，正式分析。Timothy P. Koehler：软件，调查，正式分析。Kevin N. Long：可视化，

未引用的参考文献

三维小行星目录：小行星（101955）贝努，2025年
Ansys?学术研究机械，2026年
ParaView v. 5.12.0，2026年
SPARTA，2026年

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

我们感谢Kaitlyn Amodeo、Dan Bolintineanu、Thom Edwards和John Niederhaus的有益讨论，以及Jeffrey Mauldin在可视化方面的协助。桑迪亚国家实验室实验室指导研发计划提供了支持。桑迪亚国家实验室是由霍尼韦尔国际公司的全资子公司国家技术与工程解决方案有限责任公司管理的多任务实验室，隶属于美国能源部。

Nathan W. Moore|Michael A. Gallis|D. Gregory Tipton|Zakari S. Eckert|Timothy P. Koehler|Kevin N. Long|Joel T. Clemmer|Kyle R. Cochrane|Brian C. Franke|Mekiel Olguin