□ 國(guó)家天文臺(tái) 張 鋒 朱永超

如何捕獲近地小行星
——NASA小行星捕獲計(jì)劃

□ 國(guó)家天文臺(tái) 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(yùn)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(dá)上千千米的小行星谷神星（2006年國(guó)際天文學(xué)會(huì)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(zhǎng)徑為2.1 7～3.64AU（AU，是天文學(xué)上的長(zhǎng)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(dá)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(yùn)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(diǎn)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(xiǎn)，成為了21世紀(jì)深空探測(cè)活動(dòng)的重要目標(biāo)。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(yuǎn)日點(diǎn)大于地球的近日點(diǎn)（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(diǎn)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(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)。

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(jì)劃

2010年，在取消了上屆政府制定的以重返月球?yàn)橹髂繕?biāo)的“星座計(jì)劃”的同時(shí)，奧巴馬政府制定了新的太空計(jì)劃，其中一項(xiàng)突出的任務(wù)就是在2025年前將航天員送往并登陸一顆小行星?？茖W(xué)家們認(rèn)為，與其讓宇航員到遙遠(yuǎn)的地方冒險(xiǎn)，還不如把小行星捕捉回來再登陸，既安全又能完成任務(wù)，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(shí)還可作為一個(gè)空間中轉(zhuǎn)站，為2030年后載人探測(cè)火星奠定技術(shù)基礎(chǔ)和積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

201 3年2月，美國(guó)宇航局（NASA）向白宮提交了一份“小行星捕獲”（Aster oid Capture-and-Return，ACR）計(jì)劃。該計(jì)劃的最終目標(biāo)是于2020年之前發(fā)射一艘特制捕捉艙（圖3），預(yù)計(jì)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(jì)劃已經(jīng)獲得了美國(guó)政府2014年財(cái)政預(yù)算中1.05億美元的啟動(dòng)資金，因此，這項(xiàng)總投資超過26.5億美元的小行星捕獲任務(wù)已進(jìn)入了實(shí)施階段。

4.小行星捕獲計(jì)劃的意義

在近地小行星中選擇科學(xué)價(jià)值與工程可實(shí)現(xiàn)性兼?zhèn)涞奶綔y(cè)目標(biāo)，具有重要的科學(xué)與工程意義。小行星捕獲計(jì)劃的目的是深化對(duì)小行星的科學(xué)認(rèn)識(shí)，研究其對(duì)地球和人類的潛在威脅和可能蘊(yùn)藏的資源，并研發(fā)和測(cè)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(jī)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(jìn)器、交會(huì)、遠(yuǎn)距離通信和導(dǎo)航等）試驗(yàn)的重要對(duì)象。

研究近地小行星的運(yùn)行軌道及撞擊地球的災(zāi)害性影響，對(duì)保護(hù)地球和人類安全都具有現(xiàn)實(shí)意義。2013年2月15日，一顆較小的小行星在俄羅斯車?yán)镅刨e斯克上空發(fā)生爆炸，導(dǎo)致大量房屋玻璃被震碎，很多建筑物遭到嚴(yán)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(yán)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(wù)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(xiǎn)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(jìn)行金屬和礦產(chǎn)的商業(yè)開發(fā)進(jìn)行各項(xiàng)準(zhǔn)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(jì)劃針對(duì)飛近地球的數(shù)以千計(jì)的小行星進(jìn)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(hù)盾以避免宇宙輻射對(duì)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(cè)飛船提供生命所需補(bǔ)給和飛船燃料補(bǔ)充，甚至建立太空站點(diǎn)以幫助人類進(jìn)行更遙遠(yuǎn)的深空探索。

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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(shí)踐小行星采礦的技術(shù)以“擴(kuò)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(jìn)行資源開發(fā)（圖片來源：Planetary Resources）

5.小行星捕獲任務(wù)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)小行星捕獲計(jì)劃（圖5）主要包括三個(gè)任務(wù)段：

確定可行的目標(biāo)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(wù)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(jìn)（Solar Electri c Propulsi on, SEP）系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)這艘飛船到達(dá)目標(biāo)近地小行星，這一過程大約耗時(shí)4年。

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

3 目標(biāo)近地小行星進(jìn)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(cè)任務(wù)。

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(jìn)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(shí)間，然后星際飛行大約2年的時(shí)間到達(dá)目標(biāo)近地小行星。返回用時(shí)范圍大致在2～6年，這取決于近地小行星的實(shí)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(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)和引力改變飛行器的軌道和速度，以此來節(jié)省燃料、時(shí)間和任務(wù)計(jì)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(duì)一個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的燃燒效率的描述。比沖的定義為：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量，或單位重量（重力）流量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的推力。比沖的單位為米/秒（m/s）或?！っ?千克（N·s/kg），工程上習(xí)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(dòng)量。

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“隼鳥”號(hào)（圖6）原預(yù)計(jì)于2007年6月返回地球，但由于懷疑探測(cè)器的燃料泄漏，延長(zhǎng)3年后于2010年6月13日日本時(shí)間22時(shí)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(hào)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(duì)地球有威脅性的小行星進(jìn)行物質(zhì)搜集的研究，也是第一個(gè)把小行星物質(zhì)帶回地球的任務(wù)。

圖6 “隼鳥”號(hào)是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（The Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA）的小行星探測(cè)計(jì)劃。這項(xiàng)計(jì)劃的主要目的是將“隼鳥”號(hào)探測(cè)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(hào)探測(cè)器，又稱“曙光”號(hào)探測(cè)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(cè)器?！袄杳鳌碧?hào)探測(cè)器于2007年9月27日發(fā)射，2011年7月16日抵達(dá)灶神星，2012年9月5日正式啟程前往谷神星，預(yù)計(jì)2015年抵達(dá)（圖片來源：http://www.unawe.org/kids/ unawe1132/）。

6.關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)施小行星捕獲計(jì)劃必不可少的三個(gè)技術(shù)條件包括：

小行星搜尋和探測(cè)能力的增強(qiáng)，能夠選擇到滿足“小行星捕獲”計(jì)劃條件的近地小行星；

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

根據(jù)目前出臺(tái)的近期國(guó)際深空探測(cè)計(jì)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(shí)施“就近”探測(cè)和開發(fā)。

基于現(xiàn)有的地基觀測(cè)技術(shù)，已有數(shù)百個(gè)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(gè)，其中大約有1～3個(gè)小行星的軌道符合此次小行星捕獲任務(wù)的要求。隨著地面觀測(cè)的不斷深入，將可能會(huì)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(jì)階段的新一代載人航天器“獵戶座”飛船以及阿波羅計(jì)劃以來已經(jīng)成熟的生命保障系統(tǒng)可以滿足對(duì)捕捉回來的小行星進(jìn)行載人登陸探測(cè)的要求。

改進(jìn)型、大功率的新一代太陽能電推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用是執(zhí)行此次小行星捕獲任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)要求。太陽能電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)以其輕質(zhì)量、高比沖的特點(diǎn)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于深空特別是小行星探測(cè)任務(wù)中。比如，歐洲航天局（European Space Agency, ESA）的“智慧1”號(hào)（SMART-1，題圖）、日本的“隼鳥”號(hào)（Hayabusa，圖6）、“黎明”號(hào)（D AW N，圖7），以及美國(guó)的“深空1”號(hào)（Deep Space 1，圖8）深空探測(cè)任務(wù)就使用了太陽能電推進(jìn)系統(tǒng)作為其行進(jìn)過程中的動(dòng)力來源。而此次小行星捕獲任務(wù)的動(dòng)力系統(tǒng)將采用改進(jìn)型、大功率的新一代太陽能電推進(jìn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的化學(xué)能推進(jìn)器（通常是通過燃燒完成）相比，太陽能電推進(jìn)使用電能+氙離子推進(jìn)劑的工作模式。首先電離飛船攜帶推進(jìn)劑氙（Xenon），然后太陽能電力形成的電場(chǎng)使氙離子氣體加速，只要調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度，就可以調(diào)整推力，其比沖遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的其他推進(jìn)技術(shù)，因此只需要少量的推進(jìn)劑就可以達(dá)到很高的最終速度。這一技術(shù)實(shí)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(jìn)系統(tǒng)（圖9）正在NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）不斷進(jìn)行疲勞測(cè)試，以檢驗(yàn)其可靠性。

圖8 “深空1”號(hào)是NASA探測(cè)小行星與彗星的一項(xiàng)計(jì)劃，旨在驗(yàn)證未來行星際探測(cè)所需的十幾項(xiàng)新技術(shù)，包括離子推進(jìn)技術(shù)（即本文中的太陽能電推進(jìn)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(jìn)器（圖片來源：NASA）。

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

目標(biāo)小行星會(huì)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(yīng)讓其停止轉(zhuǎn)動(dòng)。目前，科學(xué)家建議采用推進(jìn)器提供反作用力的方式進(jìn)行“消旋”（飛船與小行星自旋軸相匹配和使用動(dòng)力迫其停止旋轉(zhuǎn)）。

小行星捕獲后，航天器的質(zhì)量勢(shì)必增加，使推進(jìn)、導(dǎo)航等任務(wù)的難度增大。除精確導(dǎo)航外，還必須對(duì)這顆小行星精挑細(xì)選，確保它在導(dǎo)航失靈的情況下即便撞向地球，也不會(huì)對(duì)人類造成危害。

對(duì)目標(biāo)小行星的搜索至關(guān)重要，因?yàn)樵诤棋纳羁罩斜嬲J(rèn)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(jì)劃一旦成功，這將是人類首次使用外力操控并“移動(dòng)”地外的一個(gè)天體，不但能為探索深空將其設(shè)為中轉(zhuǎn)站，同時(shí)也將為避免“小行星撞擊地球”提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。雖然此前于2003年5月9日發(fā)射的日本“隼鳥”號(hào)小行星探測(cè)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(cè)活動(dòng)，但小行星捕獲計(jì)劃無論從技術(shù)難度還是從任務(wù)規(guī)模以及一旦成功所取得的成果上，都是“隼鳥”號(hào)任務(wù)無法比擬的，特別是小行星捕獲計(jì)劃不僅將要實(shí)現(xiàn)將目標(biāo)小行星“運(yùn)輸”回來的目標(biāo)，還將要實(shí)現(xiàn)載人登陸小行星的任務(wù)，并通過小行星捕獲任務(wù)的實(shí)施提升載人探測(cè)火星所需要的技術(shù)。

目前，小行星捕獲任務(wù)已進(jìn)入設(shè)計(jì)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(jìn)行更多試驗(yàn)，才能確定它們是否合適。實(shí)驗(yàn)將在2014年對(duì)候選小行星進(jìn)行評(píng)估，如果一切進(jìn)展順利，它們都將成為捕捉目標(biāo)的有效候選對(duì)象。