□ 國家天文臺 張 鋒 朱永超

如何捕獲近地小行星
——NASA小行星捕獲計劃

□ 國家天文臺 張 鋒 朱永超

小行星是太陽系形成之初的原始產(chǎn)物，是圍繞太陽運行的巖石或金屬天體，但體積和質(zhì)量比行星小得多，尺寸差別也很大——大至直徑可達上千千米的小行星谷神星（2006年國際天文學會將其歸類為矮行星），小至幾十米甚至幾米的石塊。

1.太陽系內(nèi)的小行星分布

圖1 太陽系內(nèi)的主帶小行星（圖片來源：http://w ww.sunflowercosmos.org/ gallery/gallery_7.html）

太陽系內(nèi)的小行星大多分布在火星和木星軌道之間，稱為主帶小行星（圖1），其軌道半長徑為2.1 7～3.64AU（AU，是天文學上的長度單位，1AU約等于地球到太陽的平均距離），平均值為2.77AU。截止到201 2年6月6日，已發(fā)現(xiàn)的主帶小行星數(shù)目已達557482顆，約占已發(fā)現(xiàn)小行星總數(shù)目的93%。特洛伊小行星是與木星共用軌道、一起繞著太陽運行的一大群小行星。

圖2 近地小行星的軌道特征（圖片來源：http://www.sunflowercosmos. org/gallery/gallery_7.html）

2.什么是近地小行星？

近地小行星（Ne a r-E a r t h Aster oid，NEA）指的是軌道近日點在1.3AU以內(nèi)（火星軌道內(nèi)）的小行星，其軌道多數(shù)與地球軌道相交。近地小行星有撞擊地球的危險，成為了21世紀深空探測活動的重要目標。按照近地小行星的軌道分類，可將其分為三類（圖2）：（1）阿登（Aten）型小行星群，這一類小行星的平均軌道半徑均小于1 AU，在地球軌道以內(nèi)，遠日點大于地球的近日點（0.983AU），它們經(jīng)常位于地球軌道內(nèi)；（2）阿莫爾（Amor）型小行星群，這些小行星的近日點均在地球軌道以外，介于1.0 17～1.3AU之間；（3）阿波羅（Apollo）型小行星群，這一類小行星的平均軌道半徑位于地球軌道外，近日點位于地球軌道內(nèi)，可深入到金星軌道處，甚至水星軌道以內(nèi)。阿波羅型小行星的體積都很小，直徑約400～8 000米，有些小行星的軌道與地球軌道相交，存在碰撞風險。

圖3 （模擬圖）小行星捕捉飛船正在捕捉一直徑為7米、重約500噸的小行星（圖片來源：Keck Institute for Space Studies）

3.NASA的小行星捕獲計劃

2010年，在取消了上屆政府制定的以重返月球為主目標的“星座計劃”的同時，奧巴馬政府制定了新的太空計劃，其中一項突出的任務就是在2025年前將航天員送往并登陸一顆小行星?？茖W家們認為，與其讓宇航員到遙遠的地方冒險，還不如把小行星捕捉回來再登陸，既安全又能完成任務，帶入近月軌道后的小行星還可作為繞月空間站或太空基地，未來登陸火星時還可作為一個空間中轉(zhuǎn)站，為2030年后載人探測火星奠定技術(shù)基礎(chǔ)和積累相關(guān)經(jīng)驗。

201 3年2月，美國宇航局（NASA）向白宮提交了一份“小行星捕獲”（Aster oid Capture-and-Return，ACR）計劃。該計劃的最終目標是于2020年之前發(fā)射一艘特制捕捉艙（圖3），預計于2025年前后將一直徑約7米、重約500噸的近地小行星拖回到近地環(huán)月軌道。201 3年4月，小行星捕獲計劃已經(jīng)獲得了美國政府2014年財政預算中1.05億美元的啟動資金，因此，這項總投資超過26.5億美元的小行星捕獲任務已進入了實施階段。

4.小行星捕獲計劃的意義

在近地小行星中選擇科學價值與工程可實現(xiàn)性兼?zhèn)涞奶綔y目標，具有重要的科學與工程意義。小行星捕獲計劃的目的是深化對小行星的科學認識，研究其對地球和人類的潛在威脅和可能蘊藏的資源，并研發(fā)和測試載人登陸火星所需要的技術(shù)。

小行星是太陽系中的重要成員，保留著太陽系形成初期的原始成分以及可能與地球生命起源有關(guān)的有機物質(zhì)，具有類型多樣、外形不規(guī)則和引力弱等特征，是研究太陽系早期形成與演化、生命起源以及開展航天新技術(shù)（推進器、交會、遠距離通信和導航等）試驗的重要對象。

研究近地小行星的運行軌道及撞擊地球的災害性影響，對保護地球和人類安全都具有現(xiàn)實意義。2013年2月15日，一顆較小的小行星在俄羅斯車里雅賓斯克上空發(fā)生爆炸，導致大量房屋玻璃被震碎，很多建筑物遭到嚴重破壞，大約有1500人被飛濺的玻璃和碎片擦傷。同一天內(nèi)，另一顆體積更大的小行星從距離地球大約2.77萬千米(1.72萬英里)的地方飛過，這比電視和通訊衛(wèi)星的軌道距離地球還近。在隕石事件發(fā)生后，許多媒體將這次事件與1908年發(fā)生在俄羅斯西伯利亞地區(qū)的“通古斯大爆炸”相提并論，并稱這兩次小“天體”襲擊事件展示了太空給地球可能帶來的最嚴重的威脅。這又讓我們聯(lián)想到發(fā)生在6500萬年前，最著名的由于小行星撞擊地球引起的恐龍滅絕事件。不過，此次小行星捕獲任務中研發(fā)的小行星表面?？亢推仁剐⌒行寝D(zhuǎn)向技術(shù)可以延緩小行星撞擊地球，將來一旦有小行星撞向地球，NASA能夠?qū)⑽ｋU的小行星引至其他方向。

近地小行星上豐富的金屬與礦產(chǎn)也是人類可以開發(fā)利用的重要太空資源。目前，多家企業(yè)公司已開始為在小行星上進行金屬和礦產(chǎn)的商業(yè)開發(fā)進行各項準備工作。比如，剛剛組建不久的一家名為“行星資源”（Planetar y Resources）的采礦公司計劃針對飛近地球的數(shù)以千計的小行星進行貴重金屬和礦產(chǎn)開采，還包括采集小行星上的水資源。這樣不僅可以將這些物質(zhì)帶回地球，還可以借助小行星就地取材，比如使用小行星上的物質(zhì)建立宇宙射線防護盾以避免宇宙輻射對宇航員造成傷害，提取小行星上的水、氧氣等資源為空間載人探測飛船提供生命所需補給和飛船燃料補充，甚至建立太空站點以幫助人類進行更遙遠的深空探索。

超鏈接：

行星資源公司（Planetary Resources Inc.，舊稱Arkyd Astronautics），是一家成立于2010年11月的公司，2012年改組并更名。行星資源公司的目的是要借著開發(fā)與實踐小行星采礦的技術(shù)以“擴大地球的天然資源基礎(chǔ)”。公司網(wǎng)址為：http:// www.planetaryresources.com/。

圖4 （設(shè)想圖）人類在小行星上進行資源開發(fā)（圖片來源：Planetary Resources）

5.小行星捕獲任務方案設(shè)計

整個小行星捕獲計劃（圖5）主要包括三個任務段：

確定可行的目標小行星

小行星捕捉并返回

載人登陸小行星

1 小行星捕獲任務初期，一重約20噸的小行星返回式太空飛船將由阿特拉斯（Atlas）V型火箭送入近地軌道（Low Eart h Orbi t，LEO），然后一功率約40 kw的太陽能電推進（Solar Electri c Propulsi on, SEP）系統(tǒng)將驅(qū)動這艘飛船到達目標近地小行星，這一過程大約耗時4年。

2 一旦到達近地小行星，將進入為期90天的近地小行星近距離操作段，該階段前期將對近地小行星進行全面的近距離探測，包括其大小、自旋和表面地形地貌；后期則對其進行正式捕捉（圖5）和消旋；最后，在太陽能電推進系統(tǒng)的助推下，小行星/飛船組合體將一起脫離小行星運行軌道，幾年后，小行星/飛船組合體進入地月系統(tǒng)能夠被月球引力捕獲的軌道。

3 目標近地小行星進入環(huán)月軌道之后，飛船還將繼續(xù)附著在小行星上以支持后續(xù)的“就近”載人探測任務。

小行星捕獲飛船將從近地軌道以螺旋軌道飛向月球，期間借助一系列的月球引力助推（Lunar Gravity Assist），由太陽能電推進系統(tǒng)助推使飛船駛離地月系統(tǒng)。最初的地球逃逸階段要花1.6～2.2年的時間，然后星際飛行大約2年的時間到達目標近地小行星。返回用時范圍大致在2～6年，這取決于近地小行星的實際質(zhì)量?？紤]到小行星大小和密度的不確定性，從理論上，飛船系統(tǒng)能夠返回的小行星質(zhì)量在250噸～1 300噸之間。

圖5 （模擬圖）小行星深空捕獲、返回到繞月軌道、載人對接和宇航員登陸并采樣的操作過程（圖片來源：NASA）

引力助推：

是指利用行星或其他天體的相對運動和引力改變飛行器的軌道和速度，以此來節(jié)省燃料、時間和任務計劃成本。引力助推既可用于加速飛行器，也能用于降低飛行器速度。

超鏈接：比沖

比沖或比沖量是對一個推進系統(tǒng)的燃燒效率的描述。比沖的定義為：火箭發(fā)動機單位重量推進劑產(chǎn)生的沖量，或單位重量（重力）流量的推進劑產(chǎn)生的推力。比沖的單位為米/秒（m/s）或牛·秒/千克（N·s/kg），工程上習慣使用秒（s）。比沖越高代表效率越高，即用相同質(zhì)量的燃料產(chǎn)生更多的動量。

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“隼鳥”號（圖6）原預計于2007年6月返回地球，但由于懷疑探測器的燃料泄漏，延長3年后于2010年6月13日日本時間22時51分返回地球，本體于大氣層燒毀，而內(nèi)含樣本的隔熱膠囊與本體分離后在澳大利亞內(nèi)陸著陸。

“隼鳥”號在宇宙中旅行了七年，穿越了約六十億千米的路程。這是人類第一次對地球有威脅性的小行星進行物質(zhì)搜集的研究，也是第一個把小行星物質(zhì)帶回地球的任務。

圖6 “隼鳥”號是日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（The Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA）的小行星探測計劃。這項計劃的主要目的是將“隼鳥”號探測器送往小行星25143（Itokawa, 又名“絲川”），采集小行星樣本并將采集到的樣本送回地球（圖片來源：JAXA）。

圖7 “黎明”號探測器，又稱“曙光”號探測器，是NASA為探索小行星帶的谷神星與灶神星而發(fā)射的無人太空探測器?！袄杳鳌碧柼綔y器于2007年9月27日發(fā)射，2011年7月16日抵達灶神星，2012年9月5日正式啟程前往谷神星，預計2015年抵達（圖片來源：http://www.unawe.org/kids/ unawe1132/）。

6.關(guān)鍵技術(shù)

實施小行星捕獲計劃必不可少的三個技術(shù)條件包括：

小行星搜尋和探測能力的增強，能夠選擇到滿足“小行星捕獲”計劃條件的近地小行星；

大功率太陽能電推進系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，保證近地小行星在星際空間的長距離運輸；

根據(jù)目前出臺的近期國際深空探測計劃，2020年左右能夠?qū)崿F(xiàn)載人登陸返回到近地環(huán)月軌道的近地小行星，并實施“就近”探測和開發(fā)。

基于現(xiàn)有的地基觀測技術(shù)，已有數(shù)百個符合大小要求的小行星被發(fā)現(xiàn)，目前每年能夠發(fā)現(xiàn)的直徑小于10米的小行星大約有數(shù)十個，其中大約有1～3個小行星的軌道符合此次小行星捕獲任務的要求。隨著地面觀測的不斷深入，將可能會有更多的候選小行星陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。此外，目前正處于設(shè)計階段的新一代載人航天器“獵戶座”飛船以及阿波羅計劃以來已經(jīng)成熟的生命保障系統(tǒng)可以滿足對捕捉回來的小行星進行載人登陸探測的要求。

改進型、大功率的新一代太陽能電推進系統(tǒng)的應用是執(zhí)行此次小行星捕獲任務的關(guān)鍵技術(shù)要求。太陽能電推進發(fā)動機以其輕質(zhì)量、高比沖的特點已經(jīng)越來越多地應用于深空特別是小行星探測任務中。比如，歐洲航天局（European Space Agency, ESA）的“智慧1”號（SMART-1，題圖）、日本的“隼鳥”號（Hayabusa，圖6）、“黎明”號（D AW N，圖7），以及美國的“深空1”號（Deep Space 1，圖8）深空探測任務就使用了太陽能電推進系統(tǒng)作為其行進過程中的動力來源。而此次小行星捕獲任務的動力系統(tǒng)將采用改進型、大功率的新一代太陽能電推進系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的化學能推進器（通常是通過燃燒完成）相比，太陽能電推進使用電能+氙離子推進劑的工作模式。首先電離飛船攜帶推進劑氙（Xenon），然后太陽能電力形成的電場使氙離子氣體加速，只要調(diào)整電場強度，就可以調(diào)整推力，其比沖遠大于現(xiàn)有的其他推進技術(shù)，因此只需要少量的推進劑就可以達到很高的最終速度。這一技術(shù)實現(xiàn)了節(jié)省燃料、減輕飛船載重和攜帶更多儀器的目的。目前，新一代的太陽能電推進系統(tǒng)（圖9）正在NASA的噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）不斷進行疲勞測試，以檢驗其可靠性。

圖8 “深空1”號是NASA探測小行星與彗星的一項計劃，旨在驗證未來行星際探測所需的十幾項新技術(shù)，包括離子推進技術(shù)（即本文中的太陽能電推進技術(shù)）。1998年10月24日發(fā)射，于2001年12月18日結(jié)束了它為期3年的使命（圖片來源：http:// commons.wikimedia.org/wiki/File:PIA04496.jpg）。

圖9 處于尖端技術(shù)前沿的新一代太陽能電推進器（圖片來源：NASA）。

除了使用大功率太陽能電推進系統(tǒng)外，將目標近地小行星拖拽到月球附近仍面臨嚴峻的技術(shù)挑戰(zhàn)：

目標小行星會自轉(zhuǎn)，能夠成功將其拖拽的前提是航天器將其捕獲后，首先應讓其停止轉(zhuǎn)動。目前，科學家建議采用推進器提供反作用力的方式進行“消旋”（飛船與小行星自旋軸相匹配和使用動力迫其停止旋轉(zhuǎn)）。

小行星捕獲后，航天器的質(zhì)量勢必增加，使推進、導航等任務的難度增大。除精確導航外，還必須對這顆小行星精挑細選，確保它在導航失靈的情況下即便撞向地球，也不會對人類造成危害。

對目標小行星的搜索至關(guān)重要，因為在浩瀚的深空中辨認出一顆直徑7米左右的小行星也并非易事。

結(jié)語

小行星捕獲計劃一旦成功，這將是人類首次使用外力操控并“移動”地外的一個天體，不但能為探索深空將其設(shè)為中轉(zhuǎn)站，同時也將為避免“小行星撞擊地球”提供實踐經(jīng)驗。雖然此前于2003年5月9日發(fā)射的日本“隼鳥”號小行星探測器已經(jīng)于2010年6月13日完成了人類首次小行星采樣并返回地球的探測活動，但小行星捕獲計劃無論從技術(shù)難度還是從任務規(guī)模以及一旦成功所取得的成果上，都是“隼鳥”號任務無法比擬的，特別是小行星捕獲計劃不僅將要實現(xiàn)將目標小行星“運輸”回來的目標，還將要實現(xiàn)載人登陸小行星的任務，并通過小行星捕獲任務的實施提升載人探測火星所需要的技術(shù)。

目前，小行星捕獲任務已進入設(shè)計階段，NASA宣稱已發(fā)現(xiàn)3顆符合條件的小行星，這些小行星的直徑均在7～10米間，不過目前還需要進行更多試驗，才能確定它們是否合適。實驗將在2014年對候選小行星進行評估，如果一切進展順利，它們都將成為捕捉目標的有效候選對象。