□ 安慧

2013年12月14日21時(shí)11分,嫦娥三號(hào)探測器成功落月，中國探測器首次登上地外天體，這標(biāo)志著我國已成為世界上第三個(gè)實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的國家。在我國人民為此興高采烈時(shí)，我們自然會(huì)問，美國作為實(shí)現(xiàn)人類登月的國家，如何選擇載人航天的新目的地？

其實(shí)美國在進(jìn)入21世紀(jì)后，就開始研究在完成國際空間站任務(wù)后美國載人航天下一個(gè)目的地是哪里？美國總統(tǒng)布什曾于2004年提議將在2020年前重返月球，并在那里建立月球基地，為進(jìn)行載人探測火星做準(zhǔn)備。美國航宇局（NASA）開始執(zhí)行了一項(xiàng)研發(fā)“戰(zhàn)神”系列火箭和“獵戶座”飛船的“星座計(jì)劃”。奧巴馬總統(tǒng)上臺(tái)后，面臨金融危機(jī)和財(cái)政壓力，考慮到“星座計(jì)劃”基本上是采用當(dāng)年“阿波羅”計(jì)劃的技術(shù)，月球資源開發(fā)的前景也不太明朗，中國正在發(fā)展探月技術(shù)等，決定對(duì)美國載人航天計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。2010年4月奧巴馬提出了美國“21世紀(jì)太空探索戰(zhàn)略”，計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)小行星載人探索任務(wù)，在21世紀(jì)30年代中期實(shí)現(xiàn)進(jìn)入火星軌道的載人飛行，而后進(jìn)行載人登陸火星。同年10月，奧巴馬簽署了《2011年NASA授權(quán)法案》，決定近地軌道以遠(yuǎn)空間的載人航天目標(biāo)，除了小行星、火星外還包括月球，同時(shí)也盡可能利用“星座計(jì)劃”開發(fā)的技術(shù)。

小行星帶

NASA公布的近地小行星的軌道

2012年NASA發(fā)布了《可持續(xù)的載人太空探索路線圖》，提出了多目的地的載人太空探索戰(zhàn)略，探索的長期目標(biāo)定為載人登陸火星，而近期則提出了捕獲、轉(zhuǎn)向和航天員登陸小行星的計(jì)劃，企圖把應(yīng)對(duì)小行星可能撞擊地球的威脅，開發(fā)小行星礦產(chǎn)資源和發(fā)展載人太空探索技術(shù)結(jié)合起來。

“愛神”小行星

小行星2012DA14的軌道

NASA對(duì)載人登陸小行星的一種設(shè)想

探索近地小行星的意義

仔細(xì)閱讀這個(gè)路線圖，不難發(fā)現(xiàn)NASA已將近地小行星作為美國載人航天的近期目的地。小行星（Asteroid）是太陽系內(nèi)類似行星環(huán)繞太陽運(yùn)動(dòng)，但體積和質(zhì)量比行星小得多的天體。太陽系中大部分小行星，其運(yùn)行軌道在火星和木星之間，稱為小行星帶。至今為止，在太陽系內(nèi)一共已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了約70萬顆小行星，但這可能僅僅是所有小行星中的一小部分。其中，直徑大于100千米的小行星很少。在小行星中，目前國際上最關(guān)心的近地小行星(NEA)有數(shù)百個(gè)，而直徑大于1千米的近地小行星卻有成千上萬個(gè)。2012年2月16日凌晨，直徑為44米的小行星2012DA14，從離地面約34800千米的距離飛過。

探索近地小行星，不僅可以揭示太陽系的形成和地球生命起源等科學(xué)問題，而且可以預(yù)測和應(yīng)對(duì)小行星撞擊地球的威脅?？赡芙o人類帶來巨大恐慌和災(zāi)難的太空天體威脅，當(dāng)屬自然天體與地球可能發(fā)生的碰撞。事實(shí)上，這離人類并不遙遠(yuǎn)，例如科學(xué)家最近預(yù)測，在2032年前后可能有小行星撞上地球；又如，2013年2月在俄羅斯車?yán)镅刨e斯克發(fā)生了隕石墜落事件。雖然一些報(bào)道有夸大危險(xiǎn)之嫌，但對(duì)此絕不能輕視。通常，這種較大規(guī)模的碰撞發(fā)生頻率較低，一般幾十年才有一次，但它對(duì)人類社會(huì)可能造成的損失十分巨大。

太空小型天體與地球的碰撞，其實(shí)是一種正常的自然現(xiàn)象，每秒鐘都會(huì)有大量來自太空的微小顆粒沖進(jìn)大氣層，每年都有直徑超過1米的天體墜落地球，每隔一二十年就會(huì)有直徑達(dá)到10米以上（例如在車?yán)镅刨e斯克落下的隕石）的天體“造訪”地球。最危險(xiǎn)天體的直徑能夠達(dá)到數(shù)十米，它的墜落能夠?qū)⒁蛔蟪鞘幸臑槠降亍２贿^，這樣的天體與地球相遇一次，需要數(shù)百年的時(shí)間。雖然這是小概率事件，但并不能因此低估小行星體對(duì)地球的沖撞。為了避免天體襲擊地球，人類需要采取相應(yīng)措施，以防患于未然。

其次，在過去的100年間，全球人口從15億爆炸性地增長，到今天已超過70億，從而使人類對(duì)資源的需求也出現(xiàn)了相應(yīng)的爆炸性增長。為了滿足這種增長的需求，除了要加強(qiáng)全社會(huì)的資源回收利用率之外，人類也必須前往一些前所未有的新疆域，進(jìn)行礦產(chǎn)資源的開發(fā)工作，比如開發(fā)海底和太空的礦產(chǎn)資源等。小行星是太陽系在45億年前形成初期遺留下來的產(chǎn)物，它是巖石和塵埃的聚集體，有時(shí)候還含有一些冰和有機(jī)物質(zhì)。因此，小行星或許將會(huì)成為人類開發(fā)礦產(chǎn)資源的下一個(gè)目的地。

小行星有許多類型，其中最重要的有3類。表面較暗的是C型小行星，它富含碳質(zhì)，并擁有較高含量的水分，還含有一些含水的粘土礦物；稍顯明亮的是S型小行星，主要由巖石組成，其水含量相對(duì)低一些，但含有很大比例的金屬，主要是鐵、鎳和鈷等；還有一類是更明亮的M型小行星，其金屬含量比一般的S型小行星還高出10倍以上。雖然我們目前更多地關(guān)注后兩類小行星，但在未來人類向整個(gè)太陽系擴(kuò)展生存空間時(shí)，富含水的C型小行星將顯得尤為重要。由此可見，小行星采礦將是本世紀(jì)的一個(gè)新興行業(yè)，我們既可以對(duì)小行星上的貴金屬進(jìn)行開采，補(bǔ)充地球上稀缺的資源；又可以利用小行星巖石中的鐵來制造新的航天器，分解含水礦物的水來制成氫和氧，當(dāng)作火箭的燃料。

在技術(shù)上，探索近地小行星可以早于探索火星，以便NASA可以通過這個(gè)項(xiàng)目，試驗(yàn)為探索火星正在研制的“航天運(yùn)載系統(tǒng)”（SLS）和“獵戶座”飛船，從而使探索火星減少風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于美國公眾十分關(guān)心的載人太空探索，也可以有一個(gè)近期的成果，以鼓舞士氣。

發(fā)展小行星探測器

為了探索小行星，除了應(yīng)用地面天文設(shè)備外，NASA在2009年發(fā)射的天基望遠(yuǎn)鏡“廣域紅外探測器”（WISE），將在探索小行星的任務(wù)中發(fā)揮重要作用。此外，美國過去已發(fā)射了多個(gè)小行星探測器，如“近地小行星交會(huì)”（NEAR）、“黎明（Dawn）”探測器等。NEAR探測器在1996年1月發(fā)射升空，經(jīng)過6年的長途跋涉后，在2001年2月14日成功進(jìn)入編號(hào)為433的小行星“愛神”(Eros)的軌道，并且在這顆距地球3.15億千米之遙的小行星上成功著陸。在2007年9月27日發(fā)射升空的“黎明”小行星探測器，是第一個(gè)探測小行星帶的人類探測器，也是第一個(gè)先后環(huán)繞谷神星與灶神星這兩個(gè)體積最大的小行星的人類探測器。

顯然，對(duì)于十分復(fù)雜的探索小行星任務(wù)，上述探測器還無法滿足今后的任務(wù)需求。因此，計(jì)劃將于2016年9月發(fā)射的“起源、光譜解譯、資源辨識(shí)、防護(hù)-風(fēng)化層探測器（OSIRIS-REx）”，就顯得十分重要。該項(xiàng)目計(jì)劃投資大約8億美元，由美國亞利桑那大學(xué)領(lǐng)銜，美國航宇局戈達(dá)德空間飛行中心提供任務(wù)的整體管理、系統(tǒng)工程、安全及保障工作，洛馬公司空間系統(tǒng)分公司負(fù)責(zé)該探測器本體的研制。OSIRIS-Rex探測器，將于2018年10月抵達(dá)直徑為575米的巖石小行星Bennu（編號(hào)1999 RQ36），將對(duì)這顆小行星開展詳細(xì)考察，隨后從其地表采集樣品并在2023年帶回地球。

小行星記錄著有關(guān)太陽系誕生和演化的重要信息，對(duì)其樣品進(jìn)行的分析將有助于人類加深對(duì)行星形成和生命起源等重要問題的認(rèn)識(shí)。除此之外，OSIRISRex探測器，也將仔細(xì)測量太陽光對(duì)小行星的軌道造成的變化，這將幫助天文學(xué)家更好地了解太陽光壓對(duì)小行星軌道造成的影響，提升軌道預(yù)測精度，從而有助于保護(hù)地球免遭小天體撞擊。

為了順利完成任務(wù)，OSIRIS-Rex載有可從軌道上探測小行星地表成分的儀器，這樣就可以讓地面控制中心在進(jìn)行首次取樣嘗試之前，仔細(xì)挑選最理想的取樣地點(diǎn)。由于不同礦物成分，會(huì)在光譜中顯示不同的吸收、反射或輻射特征，因此OSIRIS-Rex上載有3臺(tái)不同的光譜儀，其波段完整涵蓋了從X射線、可見光一直到紅外線的范圍。首先是紅外光光譜儀(OVIRS)，其工作波段位于可見光和近紅外波段。它將有能力探測有機(jī)化合物成分，其中特別敏感的是碳，它還可探測一部分礦物。OSIRIS-Rex計(jì)劃在某個(gè)富含有機(jī)物的區(qū)域，嘗試進(jìn)行取樣，從而得以開展有關(guān)早期太陽系有機(jī)化學(xué)方面的研究，從而幫助揭開地球生命的起源之謎。其次是熱輻射光譜儀(OTES)，它則更深地進(jìn)入了全部紅外光的領(lǐng)域，使其有能力探查小行星地表的礦物種類，并測量小行星地表的溫度分布。這臺(tái)儀器也有能力識(shí)別礦物的信號(hào)，可以據(jù)此繪制出小行星地表富水礦物的分布圖。第三臺(tái)儀器是“風(fēng)化層X射線成像光譜儀”，這臺(tái)儀器將測量小行星的向陽面上，在陽光照射下微弱的X射線閃光。用這種方法可以測量一些元素，如鐵、硅、硫和鎂等的豐度。OVIRS 和OTES 兩臺(tái)儀器將會(huì)協(xié)同工作，確定太陽光對(duì)Bennu小行星的軌道產(chǎn)生的影響。

小行星捕獲轉(zhuǎn)向艙（ACR）

“獵戶座”飛船和小行星捕獲轉(zhuǎn)向艙對(duì)接在一起

然而，通過光譜方法探測到的小行星地表礦物化學(xué)成分分布，也有局限性，那就是其探測的地表深度僅有大約1.5毫米左右，因而無法了解更深層次上的物質(zhì)組成。小行星的物質(zhì)組成，很有可能存在垂直方向上的變化，因此OSIRISRex相應(yīng)設(shè)計(jì)了能獲取一定深度上樣品的采樣機(jī)制：向小行星地表噴射氮?dú)猓蓳P(yáng)起地表物質(zhì)，讓其進(jìn)入飛船的樣品采集艙。這就可以采集到地表之下5厘米～6厘米深的物質(zhì)樣品。

小行星轉(zhuǎn)向任務(wù)（ARM）

在2010年奧巴馬調(diào)整了美國載人航天的目標(biāo)之后，NASA一直在探索載人探索小行星的可行性，研究結(jié)果表明直接載人登陸小行星的難度，并不低于載人登陸火星。因此，2012年12月NASA向白宮提交了一份“小行星轉(zhuǎn)向任務(wù)（ARM）”項(xiàng)目（NASA稱之為“小行星倡議”，也有媒體稱之為“小行星捕獲計(jì)劃”）的報(bào)告，提出了捕獲小行星的大膽設(shè)想。報(bào)告將整個(gè)任務(wù)分成鑒別、轉(zhuǎn)向和探索3個(gè)階段。該報(bào)告指出：開發(fā)小行星的想法早在100多年前就已經(jīng)提出，只不過相應(yīng)的技術(shù)目前才成熟?！氤晒Σ东@小行星，希望做三件事：首先要能找到一個(gè)滿足質(zhì)量、大小等條件的近地小行星；其次還要有一套足夠強(qiáng)大的太陽能電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，能夠?qū)⑿⌒行菐щx原有軌道；最后要能在2020年左右安排相關(guān)人員對(duì)這顆小行星進(jìn)行勘探和開采。

由此可見 ，這個(gè)計(jì)劃首先要確定一顆飛經(jīng)月地空間的小行星作為目標(biāo)。目前，NASA已將目標(biāo)小行星的大小定位在7.6米左右，質(zhì)量接近500噸，并從7000多顆近地小行星中圈定了尺寸和軌道都符合要求的13顆小行星，然后準(zhǔn)備篩選出其中的2顆，最后再從中確定一顆來實(shí)施計(jì)劃。第二步就是要捕獲這顆小行星，并改變其軌道，讓其變成月球的衛(wèi)星，最后要派航天員登上這顆小行星，進(jìn)行實(shí)地勘測。這個(gè)小行星也可充當(dāng)日后航天員登陸火星時(shí)進(jìn)行補(bǔ)給的中轉(zhuǎn)站。在奧巴馬總統(tǒng)提出的NASA 2014年預(yù)算中，已計(jì)劃用 1.05億美元來啟動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目。

NASA在2013年6月18日發(fā)出了“小衛(wèi)星倡議”的“信息征求書（RFI）”,在一個(gè)月內(nèi)，收集到世界各地提出的402份建議書，并歸納出96種關(guān)于小行星捕獲的方案。NASA在2013年9月30日～10月2日的公開研討會(huì)上，對(duì)小行星捕獲方案進(jìn)行了深入探討。其中主要方案是由NASA和加州理工學(xué)院凱克空間研究所共同編制的。該方案選擇由“宇宙神－5”火箭發(fā)射質(zhì)量為5.5噸的“小行星捕獲轉(zhuǎn)向艙（ACR）”來承擔(dān)任務(wù)。ACR有兩個(gè)可展開的太陽電池翼，可發(fā)出40千瓦電功率。ACR在飛到407千米高度后，將軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)調(diào)整到月球軌道的高度,并用2.2年時(shí)間飛至月球軌道；然后再利用太陽能電推進(jìn)系統(tǒng)和月球引力輔助飛行，用1.7年時(shí)間飛向目標(biāo)小行星。一旦ACR靠近小行星后，就會(huì)釋放出一個(gè)直徑約15米寬的巨大“袋子”，將這顆小行星裹住，從而使這顆小行星成為ACR的“囊中之物”。當(dāng)ACR成功“網(wǎng)”住小行星后，它就會(huì)啟動(dòng)推進(jìn)器將小行星推離原有軌道，并至少用2年時(shí)間飛到月球軌道上，讓其成為繞月衛(wèi)星。由于這個(gè)方案只是一個(gè)初步設(shè)想，所以今后實(shí)施的方案，估計(jì)將有很大變化。NASA將在2021年由正在研發(fā)的SLS運(yùn)載火箭和“獵戶座”飛船，運(yùn)送航天員登陸這顆小行星，并采集小行星巖石樣本，對(duì)小行星進(jìn)行全面而徹底的考察。整個(gè)計(jì)劃將在2025年左右完成。據(jù)凱克空間研究所估計(jì)，整個(gè)任務(wù)耗資預(yù)計(jì)26.5億美元左右。

2013年11月20日 至22日，NASA召開了“小行星倡議概念綜合工作會(huì)議”，進(jìn)一步研究了“小行星轉(zhuǎn)向任務(wù)”的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的可行性。目前，這項(xiàng)任務(wù)能否落實(shí)的關(guān)鍵是經(jīng)費(fèi)保證。為此，美國航宇局局長博爾登說：“任何財(cái)政上的削減，都會(huì)將這個(gè)計(jì)劃延遲到2017年以后。我們已經(jīng)將自身的期望表達(dá)得十分清楚，8.22億美元資金是我們能夠?qū)⑦@個(gè)計(jì)劃推向?qū)嵺`的底線。如果沒有這些資金的話，在2017年之前，我們無法真正實(shí)施這個(gè)計(jì)劃?！?/p>

無論是小行星的探測，還是小行星的捕獲和開發(fā)，NASA都呼吁民間及私營企業(yè)參與進(jìn)來。2013年早些時(shí)候，位于西雅圖的行星資源（PR）公司表示，它打算在未來10年內(nèi)開采近地小行星上的礦藏，并計(jì)劃在2016年發(fā)射一艘無人飛船前往一顆小行星，并把樣本帶回地球。當(dāng)前，這家公司正在研發(fā)ARKYD100空間望遠(yuǎn)鏡，成本很低，有望可進(jìn)一步發(fā)展，用于小行星的開礦。近日，NASA與這家公司已達(dá)成合作協(xié)議。

OSIRIS-Rex探測器

小行星探測器接近小行星的示意圖

圖塔蒂斯小行星運(yùn)行軌道

行星資源公司開發(fā)的ARKYD100太空望遠(yuǎn)鏡

探索小行星需要國際合作

NASA的ARM項(xiàng)目在美國國會(huì)和學(xué)術(shù)界引發(fā)了一些爭議，例如，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)是否有一個(gè)符合要求的小行星經(jīng)過月地空間，而又不會(huì)對(duì)地球構(gòu)成威脅；計(jì)劃是否真的對(duì)火星探索等長期太空探索有益；這個(gè)計(jì)劃是否會(huì)分散NASA對(duì)實(shí)施載人火星探索的精力。但是經(jīng)過NASA解釋和廣泛的討論之后，目前在美國國內(nèi)已取得了基本共識(shí)：近地小行星是近期載人太空探索最有價(jià)值的目標(biāo)，也是遠(yuǎn)期太空探索“自然的跳板”。正如執(zhí)行過阿波羅9號(hào)任務(wù)的美國著名航天員拉塞爾·施威卡特所言：“小行星是非常有意思的研究領(lǐng)域。它們本身就是一種資源，我認(rèn)為美國航宇局此次計(jì)劃的潛在目標(biāo)就是為人類更加了解太空，利用太空資源方面進(jìn)行開拓。這只是第一步，不過，如同嬰兒學(xué)步一樣，這樣邁出的第一步讓人激動(dòng)萬分?！睙o疑，這個(gè)計(jì)劃如能實(shí)現(xiàn)，將確保美國在世界航天的領(lǐng)導(dǎo)地位，而其軍事潛力也不言而喻。

當(dāng)前NASA最憂慮的仍然是能否及時(shí)找到這顆小行星，因此在2013年6月18日發(fā)起了一項(xiàng)名為“大挑戰(zhàn)”的活動(dòng)，呼吁全世界所有的組織和團(tuán)體，無論是私人的還是公共的，無論是學(xué)術(shù)類的還是其他的，都能一起來出謀劃策，尋找目標(biāo)和探討如何完成ARM項(xiàng)目。

太空天體威脅是一個(gè)全球性的問題，任何天體都不會(huì)受國界的限制而準(zhǔn)確地落入某個(gè)國家。因此，預(yù)防太空天體威脅需要各國進(jìn)行廣泛的合作。近年來，聯(lián)合國十分重視應(yīng)對(duì)小行星問題的國際合作，專門成立聯(lián)合國近地天體行動(dòng)小組。目前，歐洲、中國、日本和俄羅斯都在開展小行星的研究和探測工作。歐洲空間局在2004年發(fā)射了“羅塞塔”探測器；日本在2003年5月發(fā)射了“隼鳥”探測器，并于2010年6月返回地球，帶回了25143號(hào)小行星的巖石微粒；我國嫦娥2號(hào)衛(wèi)星于2012年12月13日與圖塔蒂斯小行星由遠(yuǎn)及近擦身而過，首次實(shí)現(xiàn)中國對(duì)小行星的飛越探測。無疑，這些工作將為今后小行星探索的國際合作打下基礎(chǔ)。

美國航宇局希望通過“捕獲小行星計(jì)劃”，能夠?yàn)樘仗剿鞯膰H合作創(chuàng)造新的可能，這也可為中美兩國的載人航天和太空探索的合作，提供新的機(jī)會(huì)。