邱成波，孫煜坤，王亞敏，蔣峻，陳昕

（1.中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 200120；2.中國科學(xué)院微小衛(wèi)星重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201210）

1 近地小行星探測(cè)概況

小行星是太陽系形成早期的殘留物質(zhì)，廣泛存在于火星–木星軌道之間、近地及木星L4和L5點(diǎn)。近地小行星由于距離地球近，探測(cè)成本相對(duì)較低，有利于行星科學(xué)和空間資源利用探測(cè)任務(wù)的實(shí)施，同時(shí)，近地小行星也存在撞擊地球的風(fēng)險(xiǎn)。因此，小行星探測(cè)近年來受到了各航天機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。到目前為止，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了1.2萬多顆近地小行星，且此數(shù)字每年以上千顆的速度在上升，這些近地小行星幾乎全都含有水，其中不少還有鎳、鉑、金等貴重金屬，空間資源十分豐富[1]。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、歐洲空間局（European Space Agency，ESA）、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）等航天機(jī)構(gòu)已經(jīng)完成了小行星交會(huì)、著陸、采樣和返回等技術(shù)積累，正在規(guī)劃行星防御和行星采樣與采礦任務(wù)。特別值得關(guān)注的是，美國和盧森堡政府批準(zhǔn)民間自行開展小行星采礦，行星資源公司（Planetary Rescource[2]，PR）和深空工業(yè)公司（Deep Space Insdustry，DSI[3]）兩家公司均規(guī)劃了小行星采礦藍(lán)圖，制定了分步走戰(zhàn)略，已經(jīng)開始了小行星特征識(shí)別的空間在軌試驗(yàn)。

美、日、歐洲很早便開展了深空探測(cè)小行星任務(wù)，NEAR（Near Earth Asteroid RendezvoHs）探測(cè)器最終在設(shè)計(jì)任務(wù)之外完成了在“愛神”小行星上的軟著陸，獲得了寶貴的探測(cè)資料和成果。日本的小行星探測(cè)器“隼鳥–1號(hào)”（Hayabusa-1）攜帶有一個(gè)小行星探測(cè)機(jī)器人Minerva，原計(jì)劃在“隼鳥–1號(hào)”運(yùn)行至行星表面20 m時(shí)投放至行星表面，但最終探測(cè)器投放失敗，并未達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，不過“隼鳥–1號(hào)”還是實(shí)現(xiàn)了小行星表面的接觸工作。“羅塞塔號(hào)”彗星探測(cè)器于2004年3月2日發(fā)射，2014年11月13日，由“羅塞塔號(hào)”彗星探測(cè)器釋放的“菲萊”探測(cè)器成功登陸67P/Churyumov-Gerasimenko彗星。

到目前為止，NASA、ESA、JAXA通過一系列的小行星飛越、交會(huì)、繞飛與采樣返回探測(cè)任務(wù)的實(shí)施，深空探測(cè)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。近幾年，NASA和ESA的深空探測(cè)計(jì)劃不再局限于空間探測(cè)和行星表面取樣，而是傾向于行星防御及近地小行星資源利用的研究。NASA、ESA和JAXA均已經(jīng)啟動(dòng)了繼小行星探測(cè)和行星表面樣本提取任務(wù)之后的進(jìn)展性任務(wù)，OSIRISRex（Origins Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer）預(yù)計(jì)在2022年左右將小行星Bennu上的樣品帶回地球，日本JAXA的“隼鳥–2號(hào)”（Hayabusa-2）也已開展了近地小行星采樣與地表下樣本分析的任務(wù)，NASA和兩家新成立的民間公司已經(jīng)啟動(dòng)了行星防御及行星資源利用的計(jì)劃。

行星防御和小行星采礦已經(jīng)成為小行星探測(cè)的兩大熱點(diǎn)問題，對(duì)其進(jìn)一步研究有助于解決行星資源利用、地球安全保護(hù)、地外殖民計(jì)劃、行星科學(xué)等一系列問題，具有重大的研究意義。

2 近期近地小行星計(jì)劃

美國和日本目前正在實(shí)施的小行星計(jì)劃分別為OSIRIS-Rex和“隼鳥–2號(hào)”，目標(biāo)均為采樣返回。美國作為小行星領(lǐng)域研究大國，其近期近地小行星計(jì)劃的主要推動(dòng)者為NASA和商業(yè)航天公司。商業(yè)航天公司PR和DSI的遠(yuǎn)景規(guī)劃更突顯小行星探測(cè)所帶來的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，通過低成本的前期小行星礦產(chǎn)勘探，對(duì)具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的小行星開展采集計(jì)劃。NASA提出了ARM（Asteroid Redirect Mission），計(jì)劃將直徑為幾米量級(jí)的小行星抓捕并實(shí)施軌道重定向進(jìn)入月球逆行軌道，然后由航天員開展采樣任務(wù)并將樣品帶回地球。

2.1 OSIRIS-Rex采樣返回計(jì)劃

2011年5月，OR被選中成為第3個(gè)新邊境計(jì)劃，耗資上限為8.5億美金。參與單位為洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司（Lockheed Martin Space System Company）和NASA的戈達(dá)德太空飛行中心（NASA Goddard Spaceflight Center）。2016年9月使用AtlasV411火箭將OSIRIS-Rex發(fā)射升空[4-5]。

該任務(wù)從50萬顆小行星中篩選出能夠滿足當(dāng)前火箭能力內(nèi)速度增量的小行星。以其軌道特性能夠滿足在計(jì)劃時(shí)間內(nèi)采樣返回為篩選條件，篩選后剩下350顆。尋找直徑大于200 m，避免自旋過快而無法著陸接觸采樣的小行星，余下29顆，其中C類小行星只有5顆，Bennu就在其中。在篩選完成之后，NASA在1999—2000年和2005—2006年利用地面觀測(cè)手段進(jìn)行了兩次地面觀測(cè)，獲取了Bennu的7 m分辨率的圖片，并得到大致的密度和軌道特性[6-7]。

OSIRIS-Rex的任務(wù)目標(biāo)主要包括以下5部分：

1）表征原始碳基小行星的綜合屬性，并與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。

2）對(duì)全球性質(zhì)、化學(xué)成分和含碳礦物學(xué)的分布進(jìn)行測(cè)繪，探索原始的小行星的特征地質(zhì)和動(dòng)態(tài)的演變，并提供返回的樣品。

3）記錄小行星質(zhì)地、形態(tài)、生物化學(xué)，將采樣點(diǎn)的風(fēng)化層的光譜特性提高到厘米量級(jí)。

4）返回并分析足夠質(zhì)量原始碳基小行星風(fēng)化層的樣品，用以研究小行星自然、歷史，以及它的構(gòu)成物質(zhì)和有機(jī)材料的分布。

5）測(cè)量有潛在危險(xiǎn)的小行星亞爾科夫斯基效應(yīng)。

OSIRIS-Rex已于2018年底抵達(dá)Bennu小行星，后于2019年1月成功進(jìn)入Bennu軌道。其上的載荷有OCAMS相機(jī)套裝、OVIRS可見光/紅外光譜儀、OTES熱輻射光譜儀、OLA激光雷達(dá)掃描、DEXIS X射線成像光譜儀和無線電科學(xué)觀測(cè)儀器。任務(wù)初期，探測(cè)器對(duì)Bennu進(jìn)行繞飛，OSIRIS-Rex探測(cè)器內(nèi)部的激光雷達(dá)掃描儀（OLA）已初步完成掃描Bennu表面，掃描得到的Bennu小行星3D激光影像已在NASA官網(wǎng)公布。同時(shí)，使用中端視場(chǎng)成像儀MapCam觀測(cè)小行星的塵埃羽狀物，將光度和光譜數(shù)據(jù)與地球觀測(cè)值作對(duì)比，其結(jié)果將決定如何規(guī)劃安全逼近策略。在逼近后期階段，獲取Bennu具體圖像，用以建立Bennu形狀模型，刻畫Bennu綜合全局屬性[8-9]。隨著不斷的逼近，相繼獲得Bennu的全局特性參數(shù)、重力場(chǎng)分布、小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，在1 km軌道上預(yù)計(jì)獲取5 cm精度圖像、具體雷達(dá)觀測(cè)、X光探測(cè)和熱學(xué)探測(cè)地表最高溫度，優(yōu)選出2個(gè)基本采樣點(diǎn)和2個(gè)備用采樣點(diǎn)[10]。

OSIRIS-Rex采用接觸式采樣，采樣裝置為TAGSAM采樣機(jī)構(gòu)，如圖1所示。逼近任務(wù)結(jié)束后，航天器緩慢下降，先從1 km軌道下降到距離表面125 m處待命，然后在55 m處匹配上Bennu自旋和表面指向，主要采用視覺導(dǎo)航引導(dǎo)采樣機(jī)構(gòu)貼近采樣點(diǎn)[11]。在采樣過程中，使用高壓氮?dú)獯祫?dòng)表層風(fēng)化層采樣，通過預(yù)設(shè)機(jī)構(gòu)將表面風(fēng)化層從兩側(cè)吹入收集裝置內(nèi)部。OSIRIS-Rex在實(shí)際采樣前會(huì)進(jìn)行兩次預(yù)演，預(yù)演成功后才進(jìn)行真正的采樣任務(wù)，以提高采樣成功的概率。采樣結(jié)束后，OSIRIS-Rex離開小行星表面，回到安全軌道，將TAGSAM中的樣品放入樣品返回裝置，用特制相機(jī)確認(rèn)其已經(jīng)擺放穩(wěn)妥后，將在2021年3月離開Bennu返航[12]。

圖1 TAGSAM采樣機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Illustration of TAGSAM sampling

2.2 “隼鳥–2號(hào)”采樣返回任務(wù)

“隼鳥–2號(hào)”是日本第2個(gè)小行星采樣返回任務(wù)，目標(biāo)小行星為1999 JU3。小行星 1999 JU3的自轉(zhuǎn)周期為7.6 h，直徑為0.922 ± 0.048 km，外形比例為1.3∶1.1∶1.0，幾何反照率為0.063 ± 0.006，星等為18.82 ±0.021，傾斜參數(shù)為0.110 ± 0.007，近日點(diǎn)/遠(yuǎn)日點(diǎn)為0.85/1.4 AU，光譜類型為Cg?！蚌励B–2號(hào)”提供至多2 km/s的速度增量。“隼鳥–2號(hào)”總重為600 kg，比“隼鳥–1號(hào)”重了90 kg，90 kg中一半用在提升各模塊的冗余量，一半提升科學(xué)能力?！蚌励B–2號(hào)”自帶2個(gè)大視場(chǎng)相機(jī)和1個(gè)望遠(yuǎn)相機(jī)以實(shí)現(xiàn)視覺導(dǎo)航。

“隼鳥–2號(hào)”上載有MASCOT著陸器及3個(gè)跳動(dòng)探測(cè)器，MASCOT是由德國宇航局制造的重量為10 kg的著陸器，稱為“行星表面跳動(dòng)偵察機(jī)”，它是300 mm ×300 mm×200 mm的盒狀結(jié)構(gòu)，用于行星表面探測(cè)及科學(xué)研究。MASCOT著陸器已于2018年10月4日成功投放到目標(biāo)小行星表面。的大致結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由上蓋、鋁架外框、捆綁電源、無線電收發(fā)單元、光口過濾裝置、common E-box、動(dòng)力和傳動(dòng)裝置、近紅外高光譜顯微鏡、ILMA、相機(jī)共10個(gè)部分組成。3個(gè)跳動(dòng)探測(cè)器分別是MINERVA-II-A1、A2及B, A1、A2與“隼鳥–1號(hào)”上的相同，B由一個(gè)日本大學(xué)協(xié)會(huì)研制，每個(gè)探測(cè)器重1 kg左右。這些跳動(dòng)探測(cè)器的目的是驗(yàn)證超低重力場(chǎng)環(huán)境下行星表面移動(dòng)技術(shù)，同時(shí)進(jìn)行行星表面科學(xué)測(cè)量[13]。

圖2 MASCOT內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 The inner structure of MASCOT

其中主要載荷為空間相機(jī)、紅外輻射計(jì)、磁力計(jì)和近紅外高光譜顯微鏡。高度和軌道控制系統(tǒng)（AOCS）包括高度軌道控制處理器單元（AOCPs）、2個(gè)跟蹤雷達(dá)（STTs），2個(gè)慣性參考單元（IRUs），4個(gè)加速計(jì)（ACMs），4個(gè)低精度的太陽敏感器（CSASs），4個(gè)反應(yīng)輪（RWs）。行星抵近過程中，LIDAR用于測(cè)量飛行器距行星表面的高度，精確表面地質(zhì)測(cè)量，5個(gè)星標(biāo)用于抵近過程中的導(dǎo)航。

2.2.1 下降過程

“隼鳥–2號(hào)”于日本當(dāng)?shù)貢r(shí)間2019年2月22日抵近1999 JU3，第1個(gè)任務(wù)是進(jìn)行目標(biāo)行星的全局測(cè)量，測(cè)量的特征包括自轉(zhuǎn)軸、自轉(zhuǎn)周期、行星形狀、行星表面溫度分布、表面組成分布等，前3個(gè)特征由ONCT/W1獲得，后2個(gè)特征由TIR和NIRS3，為之后的任務(wù)奠定基礎(chǔ)。MASCOT通過彈簧裝置被驅(qū)逐，初始速度保持在cm/s級(jí)的可控范圍內(nèi)，通過歷時(shí)12～16 h在行星表面跳動(dòng)探測(cè)實(shí)現(xiàn)行星參數(shù)的測(cè)定、著陸起飛環(huán)境的探測(cè)及最佳采樣點(diǎn)的確定。

著陸過程大概分為3個(gè)過程：①初始下降；②自主控制下降；下放星標(biāo)；③近表面下降，如圖3所示。過程①使用地面配合飛船自主的混合導(dǎo)航方式，垂直下降速度控制在0.1～1 m/s。行星表面的地標(biāo)作為地面控制點(diǎn)，由地標(biāo)精確判斷飛船與行星間的相對(duì)偏移及飛船的速度，偏移過大時(shí)，飛船機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)向預(yù)定路線；對(duì)于過程②，飛至離行星表面100 m高度時(shí)，下放星標(biāo)，飛船用ONC-W1和FLASH捕捉星標(biāo)，根據(jù)星標(biāo)位置來進(jìn)行導(dǎo)航，探測(cè)器進(jìn)行多次采樣機(jī)動(dòng)，在其中一次機(jī)動(dòng)中釋放MASCOT跳動(dòng)偵查機(jī)構(gòu)，依次探測(cè)星標(biāo)位置科學(xué)數(shù)據(jù)，“隼鳥–2號(hào)”返回20 km高空，與MASCOT進(jìn)行通訊，經(jīng)過12～16 h的探測(cè)，MASCOT最終選定采樣點(diǎn)，如圖4所示；過程③，向采樣選定點(diǎn)自主導(dǎo)航下降，在30 m高度，LRF打開，邊遵循星標(biāo)位置，邊控制姿態(tài)，最后5 m自由落體，是否落地通過SMP的彎曲或者姿態(tài)晃動(dòng)比率來監(jiān)測(cè)?！蚌励B–2號(hào)”一共進(jìn)行3次著陸演習(xí)，確保在指定位置平穩(wěn)著陸[14]。

圖3 下降及采樣過程Fig.3 Descend and sampling process

2.2.2 采樣過程

下降過程中ACOS監(jiān)測(cè)“隼鳥–2號(hào)”離小行星表面的高度，一定高度時(shí)，發(fā)射物發(fā)射至行星表面并撞擊行星表面，反彈起較多行星表面的顆粒，由于行星引力較小，反彈升起的顆粒重力加速度微弱，顆粒將沿著樣本收集器內(nèi)壁折射進(jìn)入樣本容器中，一次樣本大致100 mg，采樣機(jī)構(gòu)中一共有3個(gè)發(fā)射物，進(jìn)行3次發(fā)射試驗(yàn)，共收集3次樣本。最后將樣本容器移至返回艙中，如圖5為采樣過程。

圖4 MASCOT跳動(dòng)探測(cè)Fig.4 Hopping detection of MASCOT

圖5 采樣示意圖Fig.5 Illustration of sampling

“隼鳥–2號(hào)”與“隼鳥–1號(hào)”不同的是它采集地表下1 m的樣本，地表下的采樣主要由2種裝置完成，它使用氣動(dòng)鉆頭配合樣本收集罩進(jìn)行。氣動(dòng)鉆頭深入地表下1 m進(jìn)行挖掘，將地表下1 m的地質(zhì)材料裸露在外，之后再進(jìn)行與地表采樣相同的采樣過程，氣動(dòng)鉆頭如圖6所示。除了這2個(gè)裝置，“隼鳥–2號(hào)”采用樣本輸送系統(tǒng)將樣本轉(zhuǎn)移到一個(gè)旋轉(zhuǎn)式裝置（HRMS）中，如圖7所示，樣本進(jìn)入收集罩后通過旋轉(zhuǎn)輪輸送至樣本容器，采樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示[15]。

2.2.3 撞擊過程

彈坑試驗(yàn)由一個(gè)小型撞擊器（SCI）完成，直徑2 m，是一個(gè)18 kg重的載荷，圓柱形，直徑300 mm，高度200 mm，它在離行星表面500 m高度處釋放，撞擊前加速至2 km/s，載荷中有計(jì)時(shí)器，能延遲爆炸，確保飛行器離開并進(jìn)入安全空間?！蚌励B–2號(hào)”通過釋放DCAM3相機(jī)來觀測(cè)爆炸過程，將爆炸圖像傳至“隼鳥–2號(hào)”，如圖9所示。爆炸直徑可達(dá)2 m，之后飛行器返回至HP（行星表面20 km高空）觀測(cè)爆炸產(chǎn)生的彈坑細(xì)節(jié)[16]。撞擊器已成功與探測(cè)器分離，并在“龍宮”表面撞擊產(chǎn)生隕石坑，便于探測(cè)器次表層采樣的實(shí)施。

圖6 氣動(dòng)鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.6 Pneumatic bit structure

圖7 樣本輸送機(jī)構(gòu)Fig.7 Sampling conveying mechanism

圖8 地表下1 m采樣裝置簡(jiǎn)圖Fig.8 Mechanism for 1 meter underground sampling

2.3 DSI公司的小行星勘探和收獲計(jì)劃

深空工業(yè)公司DSI 2013年1月23日成立，其主旨是為空間市場(chǎng)提供“水、推進(jìn)劑和建筑材料”。 DSI長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略規(guī)劃分為4個(gè)階段：對(duì)近地小行星的勘探、收獲、對(duì)原材料的提煉、制造。在2016年的計(jì)劃中，DSI在研兩個(gè)微納星型號(hào)：Prospector-X、Prospector-1。在后續(xù)研制計(jì)劃中，DSI目前初步完成了對(duì)收獲環(huán)節(jié)的概念設(shè)計(jì)。

圖9 撞擊試驗(yàn)路線圖Fig.9 The roadmap of impact test

2.3.1 礦產(chǎn)勘探計(jì)劃

DSI的勘探計(jì)劃由兩個(gè)型號(hào)完成，一個(gè)是技術(shù)驗(yàn)證型號(hào)Prospector-X，另一個(gè)是正式深空探測(cè)型號(hào)Prospector-1。

1）技術(shù)驗(yàn)證型號(hào)Prospector-X

Prospector-X號(hào)是由盧森堡和DSI共同支持研發(fā)的一顆3U立方星。計(jì)劃于2017年發(fā)射升空，運(yùn)行于近地軌道，對(duì)星上搭載的水推進(jìn)系統(tǒng)Comet-1、深空航電系統(tǒng)和自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，為下一步Prospector-1的設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)積累。

2）深空探測(cè)型號(hào)Prospector-1

DSI的目標(biāo)是從近地小行星帶中選取可能富含水的目標(biāo)小行星。在開展探測(cè)目標(biāo)篩選和軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)后，DSI將發(fā)射歷史上第一顆商業(yè)小行星采礦探測(cè)器Prospector-1[17]。Prospector-1預(yù)計(jì)干重為30 kg，濕重位50 kg，立方星尺寸約為50 cm。在探測(cè)器3個(gè)側(cè)面各布置一套推進(jìn)系統(tǒng)，每套推進(jìn)系統(tǒng)由4個(gè)200 s比沖的Comrt-1水推進(jìn)器組成。推進(jìn)系統(tǒng)能提供的總速度增量為1 000 m/s。能源系統(tǒng)由3塊展開太陽能的和3塊體裝太陽能板組成，在1 Au的距離上可以提供120 W的能源；使用X波段通訊系統(tǒng)，在最惡劣情況下能滿足1 kbps和3.1 dB的性能指標(biāo)；使用雷達(dá)測(cè)距技術(shù)進(jìn)行絕對(duì)導(dǎo)航，使用遠(yuǎn)紅外技術(shù)進(jìn)行相對(duì)導(dǎo)航，使用視覺測(cè)距進(jìn)行近距離導(dǎo)航；使用貨架產(chǎn)品VIS/MWIR相機(jī)（10 km上0.5 m分辨率）、中子質(zhì)譜儀、磁場(chǎng)重力場(chǎng)測(cè)量?jī)x和其他降落設(shè)備。

2.3.2 收獲概念設(shè)計(jì)

DSI對(duì)收獲階段的設(shè)計(jì)處于概念階段，目前考慮兩個(gè)方案。方案一是將近地小行星運(yùn)回，方案二是從近地小行星上獲取一部分材料，將其帶回。整星收獲方案需要攻關(guān)大目標(biāo)物體的固定技術(shù)、消旋技術(shù)和大推力推進(jìn)技術(shù)。部分收獲方案的實(shí)施需要開展小行星著陸、樣品抓捕、探測(cè)器–樣品共同體返回等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。根據(jù)DSI的計(jì)劃安排，收獲計(jì)劃的研究將在Prospector-1發(fā)射后啟動(dòng)。

2.4 PR公司的Arkyd計(jì)劃

行星資源公司（PR）的小行星采礦計(jì)劃由技術(shù)驗(yàn)證型號(hào)Arkyd-3、Arkyd-6和正式型號(hào)Arkyd-100、Arkyd-200、Arkyd-300組成[18]。

2.4.1 技術(shù)驗(yàn)證型號(hào)

PR將在Arkyd-3與Arkyd-6上驗(yàn)證相應(yīng)的衛(wèi)星分系統(tǒng)技術(shù)，并為第一個(gè)正式型號(hào)Arkyd-100進(jìn)行技術(shù)積累。Arkyd-3與Arkyd-6如圖10所示。

圖10 Arkyd-3和Arkyd-6Fig.10 Arkyd-3 and Arkyd-6

Arkyd-3在發(fā)射過程中由于“獵鷹9號(hào)”貨運(yùn)飛船爆炸而失敗，后由其備份星Arkyd-3R執(zhí)行任務(wù)。Arkyd-3R是一顆采用3U立方星模型的技術(shù)驗(yàn)證星，主要搭載用于Arkyd-100正式型號(hào)中的分系統(tǒng)：航電、姿控軌控、推進(jìn)和星務(wù)系統(tǒng)，以及驗(yàn)證地面與衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。Arkyd-3R的總質(zhì)量小于5 kg，功率為30 W，配備S頻段通訊系統(tǒng)。

Arkyd-3R于2015年4月14日20點(diǎn)10分（UTC）使用“獵鷹9號(hào)”火箭發(fā)射升空，跟隨貨艙至國際空間站ISS，并于2015年7月16日由Kibo氣閘艙釋放，傾角為51.6°。在軌運(yùn)行5個(gè)月后，于2015年12月23日5點(diǎn)30分左右（± 41分）進(jìn)入大氣層燒毀。

Arkyd-6 與Arkyd-3一樣同為技術(shù)驗(yàn)證星，采用6U立方星模型，發(fā)射計(jì)劃經(jīng)4次延期，通過搭載“獵鷹9號(hào)”升空。Arkyd-6 將攜帶新的姿控、能源、通訊和航電系統(tǒng)，并測(cè)試用于Arkyd-100的富水探測(cè)載荷。富水探測(cè)載荷主要由中波紅外圖像系統(tǒng)組成，用近地小行星的溫度差異來判斷小行星所屬種類，并獲得富水礦物和行星的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。整個(gè)載荷將在近地低軌以地球?yàn)槟繕?biāo)進(jìn)行測(cè)試，并將在Arkyd-100上對(duì)近地小行星進(jìn)行觀測(cè)。

Arkyd-6重量約為10 kg，配備35 W功率的太陽能電池片。遙測(cè)信號(hào)使用UHF頻段，設(shè)計(jì)速率為40 kbps；上行信號(hào)使用S頻段，速率為500 kbps；下行信號(hào)使用X頻段，速率為6 Mbps。Arkyd-6上配備主要儀器包括中波紅外通用接口，波長(zhǎng)3～5 μm，26 m地面分辨率。

2.4.2 正式型號(hào)

PR將正式型號(hào)定為Arkyd-100、Arkyd-200和Arkyd-300。其中Arkyd-100的任務(wù)是在地球軌道對(duì)近地小行星進(jìn)行紅外探測(cè)，以確定其是否含水等情況。Arkyd-200和Arkyd-300將飛臨近地小行星附近完成觀測(cè)。其中Arkyd-200將為最終Arkyd-300集群任務(wù)進(jìn)行技術(shù)積累。

Arkyd-100計(jì)劃在地球低軌運(yùn)行，并攜帶一個(gè)15 kg的電子望遠(yuǎn)鏡，總重20 kg，配備90 W功率的太陽能電池片。遙測(cè)信號(hào)使用UHF頻段，設(shè)計(jì)速率為40 kbps；上行信號(hào)使用S頻段，最高速率2 Mbps；下行信號(hào)使用X頻段，最高速率為40 Mbps。Arkyd-100上配備的主要儀器包括可見與遠(yuǎn)紅外高光譜儀，波長(zhǎng)400～900 nm，40光譜通道，10 m地面分辨率；配備中波紅外儀，波長(zhǎng)3～5 μm，20 m地面分辨率。Arkyd-100將觀測(cè)近地小行星和地球，提供地球圖像并獲取低至19等星的科學(xué)圖像。Arkyd-100將支持高速激光通訊。

Arkyd-200目前停留在概念設(shè)計(jì)階段，其主要任務(wù)是整合合適的推進(jìn)系統(tǒng)、載荷配置和觀測(cè)余量，以完成對(duì)近地小行星的觀測(cè)任務(wù)，它的設(shè)計(jì)濕重為250 kg，載荷重量為10 kg，尺寸為95×80 cm，太陽能電池片在1 AU的距離上設(shè)計(jì)功率大于100 W；使用光學(xué)通信，在火星軌道保證高達(dá)2 Mbps的通信速度；搭載可見與遠(yuǎn)紅外高光譜儀和中波紅外儀。推進(jìn)系統(tǒng)提供5 km/s的速度增量。

Arkyd-300將在Arkyd-200的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更為強(qiáng)大的功能。PR將執(zhí)行針對(duì)近地小行星的“Arkyd-300”集群計(jì)劃。Arkyd-300在環(huán)繞近地小行星的軌道上完成對(duì)近地小行星的形狀、旋轉(zhuǎn)姿態(tài)、密度和表面組成成分的分析，從而評(píng)估小行星的科學(xué)和商業(yè)價(jià)值。

2.5 NASA的ARM計(jì)劃

2010年4月，時(shí)任美國總統(tǒng)奧巴馬宣布了人類探索小行星的任務(wù)，該任務(wù)由NASA總體負(fù)責(zé)。任務(wù)目標(biāo)有3個(gè)，一是對(duì)具有潛在威脅的近地小行星進(jìn)行防御，二是提升人類探索宇宙的能力和技術(shù)，三是小行星采礦。鑒于此，NASA在2013年提出了ARM，它是NASA未來10年發(fā)展的一個(gè)重要任務(wù)，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)人類歷史上首次小行星抓捕，并將其轉(zhuǎn)移至月球軌道，宇航員在月球軌道提取小行星樣本之后帶回地球[19]。ARM的實(shí)施不僅能夠嘗試及驗(yàn)證一系列深空探索的技術(shù)，同時(shí)有利于提升小行星防御能力，還能奠定小行星采礦技術(shù)的基礎(chǔ)。

ARM任務(wù)分為3個(gè)大階段，第1階段由地基和天基探測(cè)器共同選定目標(biāo)小行星；第2階段抓捕小行星并轉(zhuǎn)移至月球軌道（ARRM）；第3階段為載人航天器與共同體進(jìn)行交會(huì)與對(duì)接并進(jìn)行采樣任務(wù)。

第1階段需選擇和確認(rèn)目標(biāo)小行星。小行星的選擇和確認(rèn)是小行星重定向任務(wù)的基礎(chǔ)，NASA利用天基GEO-hosted探測(cè)器配合地基SST和PS-2探測(cè)器進(jìn)行小行星的特征提取，主要考慮小行星軌道、尺寸、自旋速率、組成成分等。

目前，NASA通過深空探測(cè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有潛在利用價(jià)值的目標(biāo)小行星有12顆[20]，分別為2007 UN12、2008 EA9、2013 EC20、2010 UE51、2009 BD、2011 MD、2008 HU4、2012 TF79、2006 RH120、2012 LA、2011 BL45及2008 UA202，它們的部分參數(shù)如表1所示。

表1 目標(biāo)小行星部分參數(shù)Table 1 Some parameters of the target asteroids

第2階段是小行星抓捕及轉(zhuǎn)移過程。小行星抓捕及轉(zhuǎn)移過程包括小行星交會(huì)抓捕探測(cè)器（ACR）抵近小行星、ACR探測(cè)器抓捕小行星并消旋、控制ACR探測(cè)器–小行星共同體轉(zhuǎn)移至地月軌道這3個(gè)過程。對(duì)于抓捕NASA提出了兩種方案，分別為捕獲袋式結(jié)構(gòu)（方案一）、空間機(jī)械臂式結(jié)構(gòu)（方案二），方案一中抓取的理想小行星的尺寸是內(nèi)徑4～10 m，最大返回質(zhì)量1 000 t，具體最大返回質(zhì)量取決于近地小行星的軌道和太陽能電推進(jìn)器的功率，任務(wù)要求自旋周期大于2 min；方案二中抓取石塊的尺寸是內(nèi)徑2～4 m，來自內(nèi)徑大于100 m的小行星上，抓取的最大質(zhì)量是70 t，電推進(jìn)功率為40 KW[17]。兩種方案如圖11所示。為了最大限度地提高目標(biāo)小行星返回質(zhì)量，ACR探測(cè)器可多次利用月球引力加速，這樣的多次加速在40 KW的太陽能電推進(jìn)系統(tǒng)下需要用時(shí)1.4年；將小行星存放在月球逆行軌道（DRO）上，高度約7萬km。為了低成本進(jìn)入穩(wěn)定的逆行軌道，利用地–月和地–日三體系統(tǒng)的低能量特性對(duì)共同體減速。軌道優(yōu)化計(jì)算表明，在地–月系統(tǒng)中飛行8個(gè)月，機(jī)動(dòng)20次，實(shí)現(xiàn)16 m/s減速機(jī)動(dòng)后，共同體進(jìn)入穩(wěn)定的月球逆行軌道[21]。

圖11 NASA小行星捕獲結(jié)構(gòu)方案Fig.11 NASA’s asteroid capture scheme

載人飛船開采小行星是小行星重定向任務(wù)的最后階段。在ACR探測(cè)器與小行星共同體進(jìn)入月球軌道之后，空間發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，SLS）火箭搭載“獵戶座”（Orion）載人飛船進(jìn)入地月軌道，通過月球引力加速進(jìn)入遠(yuǎn)月球軌道，進(jìn)行與ACR探測(cè)器的對(duì)接任務(wù)，對(duì)接完畢后宇航員出艙進(jìn)行采樣作業(yè)，采集完畢將樣品運(yùn)至艙內(nèi)，返回地球。往返飛行的軌跡圖如圖12所示。

圖12 Orion載人飛船與ACR衛(wèi)星對(duì)接軌跡Fig.12 Docking trajectory of the Orion and the ACR satellite

2.6 ESA的AIDA計(jì)劃

AIDA（Asteroid Impact and Deflection Assessment mission）是ESA和NASA合作的小行星項(xiàng)目。AIDA由兩個(gè)系統(tǒng)組成：小行星撞擊監(jiān)測(cè)器（AIM）和雙星系統(tǒng)重定向測(cè)試星（DART），如圖13所示，其中AIM由ESA研制，DART由NASA研制。AIM能夠執(zhí)行小行星抵近操作，進(jìn)行空間光通信試驗(yàn)，攜帶的有效載荷能夠研究整個(gè)撞擊過程任務(wù)參數(shù)[22]。DART用于測(cè)量小行星10%以內(nèi)的偏轉(zhuǎn)，獲取及傳遞撞擊前小行星的高分辨圖像，自主導(dǎo)航配合相對(duì)導(dǎo)航抵近次星的中心，配合天基導(dǎo)彈技術(shù)撞擊小行星。

圖13 AIDA任務(wù)示意圖Fig.13 Task sketch map of AIDA

AIDA的目標(biāo)是近地小行星65803（1996GT）Didymos，18星等，直徑為670 m，軌道類型為apollo。AIM攜帶的一級(jí)載荷能夠確定雙星系統(tǒng)的軌道和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)、小行星質(zhì)量、地質(zhì)學(xué)物理性能、地表及地下結(jié)構(gòu)，同時(shí)，能夠開展通信工程實(shí)驗(yàn)（TEX），部署MASCOT-2小行星著陸器的小衛(wèi)星工程實(shí)驗(yàn)（MEX），測(cè)試COPINS和MASCOT-2著陸器衛(wèi)星間的網(wǎng)絡(luò)連接；二級(jí)載荷在行星撞擊期間，通過測(cè)量行星旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的變化，由撞擊產(chǎn)生的撞擊坑影像及撞擊產(chǎn)生的碎石動(dòng)量來確定這一過程造成的動(dòng)量轉(zhuǎn)移，了解小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)，AIM的主要載荷[23]如表2所示。

表2 AIM主要載荷Table 2 Payload of AIMs

DART的有效載荷是基于“新地平線號(hào)”探測(cè)器LORRI的紅外熱像儀，DART能夠自主導(dǎo)航至目標(biāo)星中心進(jìn)行撞擊任務(wù)，撞擊點(diǎn)的精度在直徑的1%范圍內(nèi)，同時(shí)它能夠記錄撞擊之前的小行星表面形態(tài)及地質(zhì)特點(diǎn)。

AIDA是世界航天史上的一個(gè)突破性計(jì)劃，無論在宇宙科學(xué)、行星防御還是深空資源探索上均有十分重大的意義。在宇宙科學(xué)上：①雙星系統(tǒng)重定向的實(shí)施有利于探索主星和次星之間的質(zhì)量傳遞規(guī)律；②通過檢測(cè)彈坑的形成和小行星材料的分布有助于行星科學(xué)的研究；③有利于評(píng)估小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成分組成。在行星防御上：①能夠掌握動(dòng)能沖擊對(duì)行星偏轉(zhuǎn)的影響規(guī)律；②通過動(dòng)能撞擊及撞擊產(chǎn)生的碎石的濺射規(guī)律，評(píng)估動(dòng)能的轉(zhuǎn)移。在深空資源探索上：①推動(dòng)了地區(qū)宇航局之間合作，有利于集中各單位空間技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)國際空間硬實(shí)力的提高；②發(fā)展小天體任務(wù)的飛行技術(shù)，獲得重要經(jīng)驗(yàn)；③有利于小行星資源的調(diào)研。

3 未來近地小行星技術(shù)展望

3.1 深空探測(cè)推進(jìn)技術(shù)

面對(duì)深空任務(wù)的特點(diǎn)，巡航段采用太陽能電推進(jìn)較為廣泛，核能推進(jìn)技術(shù)有著較大的挖掘潛質(zhì)，但目前仍有較大的技術(shù)瓶頸。核能的推進(jìn)方式主要有核熱推進(jìn)、核電推進(jìn)和核爆炸推進(jìn)。

核電推進(jìn)技術(shù)使用前景較好，它具有高效能、高速度增量、極高比沖（可達(dá)1萬s）、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，可以大幅縮短任務(wù)周期、提高有效載荷比。深空任務(wù)常用核電源主要有兩類：放射性同位素溫差電源和核反應(yīng)堆電源。放射性同位素溫差電源的研制需要解決放射性同位素的選取和制備、溫差電轉(zhuǎn)換器技術(shù)、同位素?zé)嵩磫卧昂税踩夹g(shù)等，技術(shù)門檻較高，且高純度放射性同位素的制備周期較長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)10年[24]。目前國內(nèi)外大量研究在如何提高反射性同位素溫差電源的熱電轉(zhuǎn)換效率和質(zhì)量比功率方面，這對(duì)小衛(wèi)星，微小衛(wèi)星，航天器推進(jìn)方式的研究具有重大意義。

3.2 寬適應(yīng)性探測(cè)器平臺(tái)技術(shù)

探測(cè)器與地球的最遠(yuǎn)距離可達(dá)2 AU（3×108km）以上，探測(cè)器從發(fā)射到與小行星交會(huì)、采樣、采礦返回及地球再入需要持續(xù)至少3年多的時(shí)間，探測(cè)任務(wù)對(duì)深空環(huán)境中的熱控、測(cè)控與通信、電源等分系統(tǒng)提出了嚴(yán)格的指標(biāo)要求，且在各個(gè)階段有所不同。由于小行星星歷、引力場(chǎng)存在較大的不確定性，在以往的地球軌道衛(wèi)星或月球探測(cè)器中并未遇見，這是深空小行星探測(cè)任務(wù)所面對(duì)的特殊問題，對(duì)小行星表面附著、采樣、采礦及返回任務(wù)的實(shí)施帶來挑戰(zhàn)。

深空探測(cè)器的重量直接關(guān)系到運(yùn)載火箭選型與交會(huì)–返回過程的燃料消耗，即探測(cè)器研制成本與發(fā)射成本，因此，需通過載荷平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器小型化、輕量化等指標(biāo)。

3.3 空間機(jī)器人技術(shù)

隨著空間任務(wù)的不斷深入，對(duì)空間機(jī)器人在軌服務(wù)技術(shù)的要求也不斷提高。目前，空間機(jī)器人可提供的在軌服務(wù)有4種方式[25]，分別為視覺監(jiān)測(cè)、燃料補(bǔ)給、衛(wèi)星援助和空間建設(shè)?？臻g機(jī)器人技術(shù)在小行星消旋、載人飛船對(duì)接任務(wù)中至關(guān)重要。例如大型的小天體取樣過程，需要大型柔性機(jī)械臂對(duì)天體進(jìn)行抓取，同時(shí)還需要結(jié)合小型靈巧手進(jìn)行取樣作業(yè)。未來空間機(jī)器人將朝著環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、靈活性更高、技術(shù)容錯(cuò)率更大、功能更多的方向發(fā)展。

3.4 深空立方星技術(shù)

隨著低功耗、小型化深空通信、推進(jìn)、導(dǎo)航、能源與探測(cè)器平臺(tái)等技術(shù)的成熟，低成本、研制周期短的立方星在深空探測(cè)領(lǐng)域前景廣闊。為實(shí)現(xiàn)高效、高精度的小行星特征測(cè)量，需研究不規(guī)則小行星附近的星群組網(wǎng)與小行星特征協(xié)同測(cè)量，如立方星編隊(duì)多視角測(cè)量三維形狀、星–星跟蹤測(cè)量重力場(chǎng)。

4 結(jié)束語

發(fā)達(dá)國家對(duì)于近地小行星深空探測(cè)方面的技術(shù)愈加成熟，目前已對(duì)近地小行星做了較為充分的調(diào)研及空間技術(shù)驗(yàn)證。未來更深層次的采樣、行星防御、小行星抓捕與采礦等空間任務(wù)已經(jīng)提上日程。這類任務(wù)對(duì)空間推進(jìn)技術(shù)、小行星抓捕技術(shù)要求較高，需要加強(qiáng)研制合適的深空推進(jìn)器，提高空間機(jī)器人技術(shù)?？臻g技術(shù)難度不斷加大，新領(lǐng)域在不斷地被開辟，發(fā)達(dá)國家正在不斷拓寬空間技術(shù)的深度和廣度。我國在行星防御及小行星采礦方面的科研及工程實(shí)施還屬于空白，亟須開展相關(guān)領(lǐng)域的研究與創(chuàng)新，不斷提升自身空間技術(shù)水平。站在全球空間任務(wù)實(shí)施的致高點(diǎn)上，獲得空間資源采集和利用的主動(dòng)權(quán)。