高磊 （探月與航天工程中心）

小天體探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)和特點(diǎn)

高磊 （探月與航天工程中心）

Key Technologies and Characteristics of Small Body Exploration

包含小天體探測(cè)任務(wù)在內(nèi)的空間探測(cè)任務(wù)是當(dāng)前最為復(fù)雜的航天任務(wù)之一，實(shí)施空間探測(cè)需要多方面的技術(shù)支持。美國在《2015 NASA技術(shù)路線圖》中將空間探測(cè)任務(wù)涉及的關(guān)鍵技術(shù)分為15個(gè)領(lǐng)域，包括發(fā)射推進(jìn)系統(tǒng)，空間推進(jìn)系統(tǒng)，進(jìn)入、下降與著陸系統(tǒng)，材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)與制造等。每個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都包含了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，但大多數(shù)技術(shù)是所有空間探測(cè)任務(wù)都需要的。這里重點(diǎn)介紹小天體探測(cè)特殊性帶來的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合任務(wù)中各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)闡述，包括行星借力及先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)，小天體著陸技術(shù)和小天體采樣返回技術(shù)。

1 行星借力及先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)

小天體探測(cè)目標(biāo)通常距離遙遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)交會(huì)需要的速度增量較大，而行星借力技術(shù)和高效先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)可以有效減少燃料消耗，提高任務(wù)的可達(dá)范圍并減少任務(wù)的發(fā)射成本。因此，近期幾乎所有的小天體探測(cè)任務(wù)都應(yīng)用了行星借力技術(shù)或/和先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)。

行星借力技術(shù)

行星借力技術(shù)指借助行星的引力調(diào)整或改變探測(cè)器飛行軌道的技術(shù)，采用行星借力技術(shù)可以減小星際探測(cè)任務(wù)發(fā)射能量和總速度增量，進(jìn)而降低發(fā)射成本和燃料消耗、增加有效載荷質(zhì)量，是空間探測(cè)的一項(xiàng)重要技術(shù)。

行星借力技術(shù)通常會(huì)大幅度增加探測(cè)器的飛行時(shí)間，一般適用于軌道與地球軌道相差較大的探測(cè)目標(biāo)，因此通常只有水星、火星以遠(yuǎn)探測(cè)任務(wù)以及小行星探測(cè)會(huì)用到行星借力技術(shù)。

在過去進(jìn)行的14次小天體探測(cè)中，只有深空－1任務(wù)沒有采用借力飛行技術(shù)，其他的任務(wù)都在主任務(wù)或擴(kuò)展任務(wù)期間通過借力飛行實(shí)現(xiàn)了軌道的改變。盡管行星借力技術(shù)會(huì)增加任務(wù)的時(shí)間，但其可以顯著降低任務(wù)的燃料消耗，是小天體探測(cè)常用的一項(xiàng)技術(shù)。要完成精準(zhǔn)的行星借力，需要軌道設(shè)計(jì)技術(shù)、測(cè)控技術(shù)等技術(shù)的支持。

小天體探測(cè)器的行星借力

先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)

先進(jìn)推進(jìn)方式可以通過增加比沖或其他方式，減少或去除燃料消耗，進(jìn)而達(dá)到減少發(fā)射成本、增加有效載荷質(zhì)量的效果。主要的先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)包括先進(jìn)化學(xué)推進(jìn)、核推進(jìn)、電推進(jìn)、太陽帆推進(jìn)、微波推進(jìn)和反物質(zhì)推進(jìn)等。大多數(shù)先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)仍處于研究階段，用在實(shí)際任務(wù)且是近期研究熱點(diǎn)的先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)是電推進(jìn)技術(shù)。

離子推進(jìn)是空間電推進(jìn)技術(shù)中的一種，原理為將工作介質(zhì)電離，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速離子并將其噴出，利用離子的反作用力推動(dòng)探測(cè)器運(yùn)動(dòng)。由于加速后離子的速度顯著高于化學(xué)推進(jìn)中噴射氣體的速度，因此單位質(zhì)量的燃料可以獲得更大的速度增量，也就是比沖高、效率高。但電推進(jìn)同樣存在推力小導(dǎo)致飛行時(shí)間過長(zhǎng)的問題，當(dāng)前研究的主要方向?yàn)槿绾卧黾与娡七M(jìn)的推力。

目前，美國、日本和歐洲都已經(jīng)掌握了成熟的電推進(jìn)技術(shù)，并將其應(yīng)用于空間探測(cè)任務(wù)中。其中，美國和日本在小天體探測(cè)任務(wù)中采用了離子發(fā)動(dòng)機(jī)，包括深空－1、“黎明”、“隼鳥”和隼鳥－2。

小天體探測(cè)中采用的電推進(jìn)技術(shù)

2 小天體著陸技術(shù)

不同于月球和火星，小天體的引力非常微弱，且沒有大氣，因此小天體探測(cè)對(duì)于著陸技術(shù)的需求與火星等大天體的著陸技術(shù)完全不同，需要通過精確的推力控制實(shí)現(xiàn)零速度著陸。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要掌握探測(cè)器自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)，緩沖吸能部件方案選取和設(shè)計(jì)，錨定機(jī)構(gòu)技術(shù)等。探測(cè)器自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)可以解決通信延遲、小天體可知信息少等問題；緩沖吸能部件可以吸收探測(cè)器相對(duì)于小天體表面的沖擊能量，防止探測(cè)器反彈飄走；錨定機(jī)構(gòu)技術(shù)同樣是應(yīng)對(duì)探測(cè)器反彈飄走的情況，通過錨定機(jī)構(gòu)將探測(cè)器固定在小天體表面。

目前，只有美國的“近地小行星交會(huì)”、日本的“隼鳥”和歐洲的“羅塞塔-菲萊”等3個(gè)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了完全不同方式的小天體著陸。

“近地小行星交會(huì)”的著陸技術(shù)

美國“近地小行星交會(huì)”原本執(zhí)行一項(xiàng)小行星環(huán)繞任務(wù)，并沒有設(shè)計(jì)著陸裝置，其構(gòu)型為普通的衛(wèi)星構(gòu)型，擁有展開的太陽能電池板。但美國航空航天局（NASA）的科學(xué)家在任務(wù)末期為“近地小行星交會(huì)”探測(cè)器增加了軟著陸任務(wù)，通過一系列的軌道降低和精確控制完成了小天體表面的軟著陸，著陸速度約為1.5～1.8m/s，實(shí)現(xiàn)了首次小行星軟著陸，并在小行星表面工作了數(shù)天時(shí)間。

“隼鳥”的著陸技術(shù)

日本“隼鳥”完成了小行星的采樣返回，但其著陸不同于傳統(tǒng)意義上的著陸，可以描述為點(diǎn)觸式的接觸。實(shí)質(zhì)上，“隼鳥”攜帶了一個(gè)迷你著陸器，即跳躍式機(jī)器人“密涅瓦”（MINERVA）。按照原計(jì)劃，“密涅瓦”將利用小行星低重力的特點(diǎn)進(jìn)行跳躍式前進(jìn)，穿行小行星的表面并進(jìn)行拍照。但由于釋放位置發(fā)生偏差，最終“密涅瓦”沒有著陸在小行星表面，而是成為了一顆環(huán)繞小行星的衛(wèi)星?！蚌励B”探測(cè)器本身則與小行星表面進(jìn)行了短暫接觸，在接觸時(shí)收集了小行星表面的樣品?！蚌励B”探測(cè)器為了著陸在引力非常弱的小行星上，采用了自主導(dǎo)航與路標(biāo)技術(shù)。具體方法為：在距離小行星表面100m處，拋下一個(gè)導(dǎo)航路標(biāo)進(jìn)行自主導(dǎo)航。導(dǎo)航路標(biāo)被安裝在底座上的閃光燈照亮，使寬視場(chǎng)相機(jī)的照相與閃光燈的閃光同步。導(dǎo)航路標(biāo)像一種充滿玻璃球的軟包，所以它具有較小的反彈系數(shù)，能避免路標(biāo)被彈起。

“羅塞塔-菲萊”的著陸技術(shù)

歐洲“羅塞塔-菲萊”彗星探測(cè)器則實(shí)現(xiàn)了真正意義上的小天體著陸，即釋放著陸器“菲萊”使其著陸在目標(biāo)彗星上并開展科學(xué)探測(cè)?！胺迫R”著陸器為了克服彗星引力小帶來的問題，采用了腿式緩沖機(jī)構(gòu)和叉鉤技術(shù)。由于將要探測(cè)的彗星引力很小，根本不用火星著陸器那樣的安全氣囊作為緩沖。為防止探測(cè)器在彗星表面著陸時(shí)被彈出去，科學(xué)家們將著陸器緩沖裝置設(shè)計(jì)成3條“腿”，在與彗核接觸瞬間，3條“腿”可吸收掉大部分撞擊，起到緩沖作用。一旦同彗核接觸，著陸器立即伸出一個(gè)叉鉤，將自己固定在彗核表面。

不幸的是，“菲萊”著陸器以大約1m/s的相對(duì)速度著陸彗星表面后，由于推進(jìn)器和魚叉裝置失效，著陸器反彈了兩次并最終停留在一個(gè)被遮蔽的區(qū)域。著陸器在著陸后進(jìn)行了一些探測(cè)，并通過軌道器向地球傳輸了信息。之后，著陸器在電池用盡后進(jìn)入了休眠狀態(tài)。

3 小天體采樣返回技術(shù)

小天體采樣返回與火星等大天體采樣返回具有一些共同的技術(shù)，例如樣品罐密封技術(shù)、再入返回技術(shù)等，同時(shí)也具有一些特殊的技術(shù)。由于小天體引力微弱，小天體采樣返回可以采用接觸的方式進(jìn)行采樣，而不用在完全著陸之后進(jìn)行采樣，從而降低燃料消耗。因此，如何在有限接觸時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)采樣是小天體采樣返回所面臨的主要問題。目前，小行星采樣主要采取了喇叭狀的采樣器，在接觸時(shí)通過發(fā)射拋射物等方式使小行星表面濺起表面物質(zhì)，并收集樣品，“隼鳥”、隼鳥－2和“奧西里斯”都采用了類似的技術(shù)?！靶菈m”探測(cè)器則不同，只是在飛越彗星時(shí)利用氣凝膠收集彗星的塵埃粒子。

“星塵”的彗星采樣技術(shù)

盡管美國“星塵”彗星探測(cè)器以緩慢的速度接近威爾德2號(hào)彗星，但兩者之間的相對(duì)速度仍達(dá)到6.1km/s。在這樣的情況下，收集彗星物質(zhì)相當(dāng)困難，因?yàn)檫@些塵埃粒子很容易穿透收集器。為解決這個(gè)難題，科學(xué)家發(fā)明一種物質(zhì)，稱為氣凝膠。這種物質(zhì)是目前世界上最輕的固體材料，密度比玻璃低1000倍，是海綿狀的玻璃。粒子撞擊后，在氣凝膠內(nèi)產(chǎn)生胡蘿卜狀軌跡，使粒子停下來，即可以捕獲和保存高速彗星物質(zhì)粒子，還不影響粒子本身的特性。

采樣罐是一個(gè)鉸鏈蛤殼式機(jī)械裝置，飛經(jīng)彗發(fā)時(shí)，蛤殼打開，伸出采樣板；完成樣品收集后，采樣板縮回密封艙，蛤殼自動(dòng)關(guān)閉并密封?！靶菈m”探測(cè)器利用氣凝膠，即低密度惰性多孔硅膠基質(zhì)的物質(zhì)進(jìn)行樣品收集，能夠在最小限度的物理和化學(xué)變化下捕獲高速微粒。氣溶膠為簡(jiǎn)單的硅膠基質(zhì)的薄片，由模塊化的鋁單元格攜帶并部署在槳上。采樣期間，氣溶膠將暴露于空間中，在其他時(shí)間將被儲(chǔ)藏在樣品庫中。

“隼鳥”的小行星采樣技術(shù)

日本“隼鳥”是首個(gè)實(shí)現(xiàn)小天體表面采樣返回的探測(cè)器，其采樣裝置采用了喇叭狀的設(shè)計(jì)，從探測(cè)器的底端伸出。采樣裝置的內(nèi)部裝有小的金屬球，在探測(cè)器接觸到小行星表面時(shí)，采樣裝置將發(fā)射金屬球撞擊小行星表面，使表面濺起碎片樣品，然后將樣品收集到角狀容器中并裝入密封艙內(nèi)的容器中。

隼鳥－2的小行星采樣技術(shù)

日本隼鳥－2采用了與“隼鳥”相似的設(shè)計(jì)。隼鳥－2將在小行星上進(jìn)行3次采樣，其中前2次將直接在表面進(jìn)行采樣，第3次則將從小型便攜撞擊器造成的撞擊坑中采樣。典型的采樣過程如下：首先探測(cè)器命令接近選擇的采樣區(qū)域，在100m高度探測(cè)器將進(jìn)入自主模式并很快釋放信標(biāo)著陸在目標(biāo)區(qū)域，在30m高度探測(cè)器將與信標(biāo)排成一線并很快接近表面并完成接觸；1m長(zhǎng)的喇叭狀采樣器將覆蓋目標(biāo)區(qū)域，鉭拋射物將撞擊表面，將材料濺射至采樣搖臂上，材料將進(jìn)入3個(gè)儲(chǔ)存罐中的1個(gè)，之后儲(chǔ)存罐將被密封。然后，探測(cè)器將飛離表面并繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。

“奧西里斯”的小行星采樣技術(shù)

美國“奧西里斯”將不會(huì)在小行星上登陸，而是盡量接近小行星，然后在5s的相互接觸過程中收集樣品。洛馬公司設(shè)計(jì)了一種反向真空系統(tǒng)“快速樣品獲取機(jī)構(gòu)”（TAGSAM）。“快速樣品獲取機(jī)構(gòu)”將噴射出氮?dú)?，使小行星表面的巖石和塵埃被激起并被吹入位于鉸鏈?zhǔn)綑C(jī)械臂末端的采樣頭中。當(dāng)采樣收集器接觸小行星表面時(shí)，“快速樣品獲取機(jī)構(gòu)”外部的表面接觸板也將收集微粒物質(zhì)。樣品將被存儲(chǔ)在“采樣返回艙”中的容器內(nèi)?！翱焖贅悠帆@取機(jī)構(gòu)”有3個(gè)獨(dú)立的氣體瓶，可以進(jìn)行3次采樣嘗試。盡管這是一項(xiàng)新技術(shù)，但是對(duì)其采樣頭進(jìn)行的真空和微重力實(shí)驗(yàn)證明其具有采集60g樣品的能力。

4 小天體探測(cè)特點(diǎn)

小天體探測(cè)科學(xué)目標(biāo)集中于成分構(gòu)成

小天體探測(cè)的頂層科學(xué)目標(biāo)為研究太陽系、行星、宇宙的形成與演化，探測(cè)生命的起源與發(fā)展，為此需要研究小天體的成分構(gòu)成，進(jìn)而研究小天體的形成與演化過程，得知太陽系形成早期的過程，并研究生命起源與小天體水、有機(jī)物之間的關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)對(duì)小天體成分構(gòu)成的探測(cè)，小天體探測(cè)經(jīng)歷了遠(yuǎn)距離探測(cè)、表面原位探測(cè)階段，已進(jìn)入采樣返回并進(jìn)行詳盡研究的階段，未來探測(cè)將重點(diǎn)研究小天體的內(nèi)部構(gòu)成、水和有機(jī)物質(zhì)。

小天體探測(cè)項(xiàng)目規(guī)劃多包含試驗(yàn)?zāi)康?/p>

小天體探測(cè)的科學(xué)意義重大，很多近地小天體具有良好的接近性，探測(cè)難度較低。在包含科學(xué)探測(cè)目的的基礎(chǔ)上，美國和歐洲對(duì)于小天體的定位都屬于新技術(shù)試驗(yàn)的絕佳場(chǎng)所，美國過去的小天體探測(cè)任務(wù)均為小型任務(wù)，在進(jìn)行科學(xué)探測(cè)的同時(shí)試驗(yàn)了大量設(shè)計(jì)方案和新型技術(shù)，并且未來的多次小行星探測(cè)任務(wù)都將為載人火星探測(cè)任務(wù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)；而歐洲的“羅塞塔-菲萊”任務(wù)是歐洲航天局開展空間探測(cè)任務(wù)的基石任務(wù)之一，驗(yàn)證了多行星借力、彗星表面著陸等多項(xiàng)技術(shù)。日本起初為“隼鳥”任務(wù)設(shè)定的目標(biāo)也是進(jìn)行多項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)。因此，各國在小天體探測(cè)項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)，除了科學(xué)探測(cè)和占領(lǐng)先機(jī)的政治意圖以外，多考慮為后續(xù)任務(wù)試驗(yàn)一些新方案和新能力。此外，小天體探測(cè)的實(shí)施還包含了演練軍事技術(shù)的含義，在小天體表面實(shí)現(xiàn)著陸和采樣操作可以驗(yàn)證“尋找非合作目標(biāo)”等軍事能力和技術(shù)。

小天體探測(cè)任務(wù)的復(fù)雜程度不斷提高

小天體探測(cè)方式經(jīng)歷了飛越、環(huán)繞、著陸和采樣返回等多個(gè)階段，目前探測(cè)任務(wù)的復(fù)雜度仍在不斷提高，未來規(guī)劃的探測(cè)任務(wù)主要形式為采樣返回任務(wù)，同時(shí)還有美國的載人小行星探測(cè)任務(wù)。隨著小天體對(duì)地球的撞擊威脅受到更多關(guān)注，未來小天體摧毀/軌道偏轉(zhuǎn)等任務(wù)也成為了研究的熱點(diǎn)。此外，任務(wù)的科學(xué)探測(cè)內(nèi)容和操作難度也在不斷增加，以輔助獲得更多的科學(xué)探測(cè)成果。

小天體探測(cè)技術(shù)要求集中于精確控制

小天體探測(cè)，特別是近地小天體探測(cè)的難度并不大，其對(duì)于任務(wù)設(shè)計(jì)、發(fā)射、推進(jìn)、通信等能力的要求相對(duì)較低。小天體探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)主要集中于解決如何著陸、如何實(shí)施采樣返回等問題，這就需要精確自主導(dǎo)航、采樣等對(duì)探測(cè)器進(jìn)行精確控制的技術(shù)。日本在運(yùn)載、推進(jìn)等方面的能力并不強(qiáng)，但其掌握了微重力下通過精確控制接近小行星、采樣并返回的能力，成功實(shí)施了首次小行星采樣返回任務(wù)。未來小天體探測(cè)技術(shù)將仍重點(diǎn)關(guān)注著陸技術(shù)和采樣返回技術(shù)。