劉映國 （中國國防科技信息中心）

美國“小行星重定向任務(wù)”研究

劉映國 （中國國防科技信息中心）

Study on U.S. Asteroid Redirect Mission

“小行星重定向任務(wù)”（ARM）是美國奧巴馬政府規(guī)劃的近期載人航天探索目標(biāo)，由機器人階段和載人飛行階段兩部分組成。其主要任務(wù)是無人航天器在飛越地-月空間的近地小行星上收集巨型石塊，并改變該石塊飛行方向進入遠距離月球逆向軌道，然后由載人航天器與巨型石塊交會并俘獲，航天員對石塊進行采樣返回?！靶⌒行侵囟ㄏ蛉蝿?wù)”是美國載人探索火星計劃的過渡性項目，旨在為21世紀(jì)30年代載人探索火星演示驗證相關(guān)技術(shù)。同時，美國政府實施該項目計劃的意圖還在于，彌補“國際空間站”（ISS）2024年退役后的載人飛行活動空白期，并推進載人航天飛行技術(shù)與能力創(chuàng)新發(fā)展，爭奪世界航天發(fā)展的戰(zhàn)略優(yōu)勢。

“小行星重定向任務(wù)”機器人階段任務(wù)于2016年7月完成關(guān)鍵決策點B（KDP-B）里程碑評審，并由美國航空航天局（NASA）管理機構(gòu)在8月15日正式批準(zhǔn)。關(guān)鍵決策點B評審是任何一項航天飛行任務(wù)一系列全壽命里程碑審查計劃中的關(guān)鍵評審，標(biāo)志著整個任務(wù)向發(fā)射前進了一大步。在關(guān)鍵決策點B里程碑階段，NASA確定了“小行星重定向任務(wù)”機器人階段任務(wù)的具體內(nèi)容、所需費用和計劃進度，標(biāo)志著該任務(wù)進入全面實施階段。2016年11月17日，美國國家研究委員會特別任務(wù)小組發(fā)布《“小行星重定向任務(wù)”與優(yōu)先小物體科學(xué)與探索目標(biāo)關(guān)系》報告，提供的專家研究意見是該任務(wù)可實現(xiàn)數(shù)十項科學(xué)目標(biāo)，并為未來載人深空探測任務(wù)提供戰(zhàn)略知識服務(wù)。“小行星重定向任務(wù)”是美國2010年提出載人探索火星任務(wù)目標(biāo)后，NASA在2013年正式提出并力推的一項短期載人航天飛行活動的第一階段任務(wù)，既有為載人探索火星演示驗證技術(shù)與能力的想法，又有保持載人航天戰(zhàn)略優(yōu)勢的意圖，引發(fā)了國際社會的廣泛關(guān)注。2017年3月，美國特朗普政府提出終止“小行星重定向任務(wù)”，但仍將保留部分關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。

1 “小行星重定向任務(wù)”設(shè)想

NASA宣稱，其正在實施一項破天荒的機器人探訪近地小行星任務(wù)，將從小行星表面收集質(zhì)量為數(shù)噸的巨大石塊，并改變其運行方向進入圍繞月球的穩(wěn)定軌道。當(dāng)這塊巨石進入月球軌道后，由航天員對其進行探測，并在21世紀(jì)20年代實現(xiàn)取樣返回。這個被稱作“小行星重定向任務(wù)”的計劃，是NASA在21世紀(jì)30年代實現(xiàn)載人探索火星系統(tǒng)對所需技術(shù)進行驗證，并積累航天飛行經(jīng)驗工作的一部分。

按照計劃設(shè)想，“小行星重定向任務(wù)”由機器人俘獲小行星階段和航天員探測重定向巨石階段兩部分任務(wù)組成。第一階段任務(wù)計劃在2020年前后發(fā)射“小行星重定向任務(wù)”機器人航天器，使用機械臂從一個小行星上俘獲一塊巨石，然后將小行星巨石塊收攏，并由機器人航天器將其運行方向改變到圍繞月球的穩(wěn)定軌道上，這一軌道稱作“遠距離逆向軌道”。第二階段任務(wù)是2025年前后由NASA的“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）運載火箭發(fā)射“獵戶座”（Orion）載人飛船，運送航天員對重定向的小行星巨石進行探測并取樣返回。

NASA將選擇在體積與質(zhì)量上便于俘獲的小行星，且這種體積與質(zhì)量的小行星能夠在穿越地球大氣層時燃盡，而不會對人類造成危害。另外，為確保進入一個穩(wěn)定軌道，重定向的小行星巨石塊將選擇月球的遠距離逆向軌道，從而能夠保證它不會撞擊地球。

從2013年提出小行星倡議以來，NASA的“近地目標(biāo)觀測項目”對由各類搜尋小組發(fā)現(xiàn)的1000多顆近地小行星進行了分類編目。目前，有4個近地小行星可作為“小行星重定向任務(wù)”的候選目標(biāo)?？茖W(xué)家期望在未來幾年能夠搜尋到更多的此類小行星，NASA也將對這些候選小行星的速度、軌道、體積與旋轉(zhuǎn)情況進行研究，以為“小行星重定向任務(wù)”確定最終的目標(biāo)小行星。

“小行星重定向任務(wù)”是NASA小行星倡議工作的一部分。該倡議還包括一個“小行星挑戰(zhàn)大賽”，目標(biāo)是通過非傳統(tǒng)的協(xié)作與合作方式，以加速NASA找出對地球具有潛在危險小行星的工作。該挑戰(zhàn)大賽也能夠幫助NASA為其“小行星重定向任務(wù)”確認候選的小行星。

2016年初，NASA將機器人任務(wù)發(fā)射日期更新為2021年12月。此次評審后，該任務(wù)的總建設(shè)費用也由12.5億美元增加到14億美元，這不包括發(fā)射費用和發(fā)射后運行階段的費用。另外，“小行星重定向任務(wù)”第二階段的載人飛行任務(wù)發(fā)射時間預(yù)定在2026年，目前仍處于早期任務(wù)方案規(guī)劃階段。

經(jīng)過關(guān)鍵決策點B里程碑評審，NASA批準(zhǔn)“小行星重定向任務(wù)”進入下一設(shè)計階段，并啟動機器人部分的研發(fā)工作。此次評審確定“小行星重定向任務(wù)”機器人階段任務(wù)主要是演示相關(guān)技術(shù)，包括：①先進、高能、高效太陽能電推進技術(shù)；②低重力星體周圍自主高速運行技術(shù)；③受控降落并從低重力星體攜帶大量物質(zhì)飛離技術(shù)，演示航天員艙外活動選樣、采集、儲存與返回；④無人航天器與載人航天器對接任務(wù)操作技術(shù)。NASA還提出，機器人階段任務(wù)還將演示行星防護技術(shù)，以在未來必要時能使危險的小行星偏離其運行軌道，從而為地球提供保護。

2 “小行星重定向任務(wù)”的技術(shù)貢獻

NASA宣稱，小行星是來自太陽系形成物的殘留物質(zhì)，航天員將攜帶更多可用于研究的樣品返回地球，這將開啟有關(guān)太陽系組成與地球上生命起源新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之門。同時，NASA還強調(diào)，“小行星重定向任務(wù)”將極大推進其載人探索火星的步伐，為在21世紀(jì)30年代載人探測這一“紅色星球”試驗提供所需能力。

通往火星的試驗場

在過往的40年里，在太空飛行的航天員始終依賴來自地球的再補給與運行支持，像“阿波羅”（Apollo）飛船與航天飛機這樣的載人航天器，其任務(wù)持續(xù)時間僅為數(shù)天或數(shù)周。即使是在近地軌道的“國際空間站”上，一般航天員在軌停留也只有6個月。在出現(xiàn)緊急情況時，空間站上的航天員幾個小時就能返回地球，這些任務(wù)都被稱作“地球依賴型”。

在空間站上開展的試驗，將幫助人類開發(fā)出打破這種“地球依賴”束縛的方式，從而使航天員能夠更自主地進入遙遠的太陽系完成其探索任務(wù)?！靶⌒行侵囟ㄏ蛉蝿?wù)”中的機器人任務(wù)和載人任務(wù)對小行星的探索，將在地-月空間“試驗場”進一步提升這些能力。

圍繞月球的深空環(huán)境與近地軌道環(huán)境大不相同，但與來往于火星的“獵戶座”飛船所經(jīng)歷的環(huán)境則極為相似，都需要對太陽與宇宙輻射進行更嚴密的防護。就現(xiàn)有技術(shù)能力而言，來往于地-月空間的運行時間比進入近地軌道耗費時間要長，對航天員來說將需要9～11天，運送貨物則需要10～100天。而來往于火星系統(tǒng)的載人任務(wù)可能會持續(xù)500天或更長時間，其中每次運送人員都需要6～9個月，且在火星及其衛(wèi)星的火星系統(tǒng)中飛行與地球的關(guān)聯(lián)將更少。因此，前往火星的任務(wù)將必須是“地球非依賴型”。NASA將“小行星重定向任務(wù)”定位為通往火星的試驗場，通過研發(fā)和試驗大量新的技術(shù)與能力，直接促進未來火星任務(wù)的實現(xiàn)。

太陽能電推進

使用先進的太陽能電推進技術(shù)，是未來任務(wù)中將更大載荷運送到深空和火星系統(tǒng)中不可或缺的技術(shù)能力。與化學(xué)推進由燃燒與噴嘴產(chǎn)生推力方式不同，太陽能電推進由太陽帆板陣列產(chǎn)生的電能形成電磁場來加速帶電原子，以產(chǎn)生非常低的但推進效率高的推力。傳統(tǒng)的化學(xué)推進能源推力是“小行星重定向任務(wù)”采用的太陽能電推進推力的5～10倍。

在第一階段，機器人將俘獲并改變從小行星上所收集巨石的運行方向，試驗這種最大的也是最先進的太陽能電推進系統(tǒng)。該任務(wù)還將試驗由“航天發(fā)射系統(tǒng)”運載火箭發(fā)射的“獵戶座”飛船。這些新技術(shù)將幫助NASA把大量貨物、居住艙和推進劑先于載人任務(wù)運送到火星上。

軌道控制與導(dǎo)航

在地球重力場與月球重力場作用下，積累使用低推力推進系統(tǒng)移動像小行星這樣的大質(zhì)量物體的經(jīng)驗，有助于為未來火星任務(wù)研發(fā)更有價值的軌道控制與導(dǎo)航技術(shù)?；鹦禽d人任務(wù)需要從地球上遠距離運送更多貨物，其數(shù)量要遠大于目前運送到空間站上的貨物，而現(xiàn)在向空間站運送貨物也就耗費1～3天的時間。

在地-月空間俘獲小行星，并將從小行星上收集的數(shù)噸重巨石運送到月球遠距離逆向軌道，需要完成一系列精準(zhǔn)機動，實現(xiàn)軌道控制。同時，這些任務(wù)是在長時間延遲情況下遠距離完成，需要精準(zhǔn)的自主技術(shù)作支撐，且具備精準(zhǔn)的動力平衡與姿態(tài)控制能力，這與提前將貨物運送到火星的工作類似。

此外，在地-月空間利用“獵戶座”飛船前往小行星的載人任務(wù)，也需要1套與機器人航天器機動、交會和對接的裝置。無論是離開還是進入月球遠距離逆向軌道，在月球表面100km上空完成這樣的任務(wù)都需要克服月球重力的作用。因此，在進入和離開月球遠距離逆向軌道時，需要非常精準(zhǔn)的導(dǎo)航能力，就好像是進入和離開火星軌道一樣需要這種精準(zhǔn)導(dǎo)航能力。

先進航天服

NASA目前在“國際空間站”上使用的航天服仍是40年前設(shè)計的，需要定期來自地球上的物資再補給。航天服作為艙外活動單元（EMUS），不能由航天員在太空進行維修，而是要返回地球維護。為在深空和火星表面運行而設(shè)計的航天服，必須對“基本生命保障系統(tǒng)”（PLSS）進行改進，因為在火星表面有二氧化碳大氣層存在的情況下，將使現(xiàn)有“基本生命保障系統(tǒng)”的冷卻技術(shù)失效。

NASA正在研究一種先進的“基本生命保障系統(tǒng)”，通過提高二氧化碳清除、濕度控制和氧氣管理效率，用于火星任務(wù)或在深空為航天員提供保護。冷卻系統(tǒng)也將重新設(shè)計，以確保液體在空間的長時間儲存，并小幅增加大氣壓力，以形成與火星表面相似的環(huán)境。為提高航天服熱容量和敏捷性，NASA也在通過評估手套的適用性來改進航天服的機動性。目標(biāo)是使新設(shè)計的“基本生命保障系統(tǒng)”壽命更長，并可由航天員在太空或火星上進行維修。在“小行星重定向任務(wù)”的載人飛行任務(wù)期間，航天員進行早期探索并為收集小行星樣品進行太空行走，同時也將對先進的“基本生命保障系統(tǒng)”進行試驗。

樣品收集與儲存技術(shù)

搭乘“獵戶座”飛船的航天員將從改變了運行方向的小行星巨石上收集樣品，并將這些樣品帶回地球進行科學(xué)評估與研究。另外，通過對小行星的研究獲得有關(guān)小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，可回答許多長期爭論的太陽系構(gòu)成等問題。一些小行星還可能攜帶有可供未來航天員使用的資源，如可提取水、可供呼吸的空氣，以及可用于生產(chǎn)火箭燃料或3D打印的材料等。

這些經(jīng)驗將有助于研發(fā)新一代安全的樣品收集和儲存技術(shù)，可使NASA為火星取樣返回做準(zhǔn)備。新樣品儲存技術(shù)能夠確保這些樣品不會被地球上的微生物污染，同時也能保護地球不會受到返回樣品的任何潛在危害。此外，這些技術(shù)還將用于火星塵埃的處理，以減緩火星塵暴對航天服、“基本生命保障系統(tǒng)”和“獵戶座”飛船內(nèi)部的污染。交會與對接裝置

未來的載人探索火星任務(wù)需要航天器在深空進行交會與對接的新能力，NASA將改進現(xiàn)在用于“國際空間站”上的“國際對接系統(tǒng)”?；鹦翘綔y任務(wù)需要首先將居住艙或貨物艙等一些艙段運送到地-月空間，然后由航天員艙段與這些艙段完成對接后再正式飛往火星。航天員從火星表面返回地球時仍需要與“獵戶座”飛船進行再對接。

通過“小行星重定向任務(wù)”，NASA將研發(fā)新的交會與逼近探測器系統(tǒng)，并通過機械與電子裝置將兩個航天器聯(lián)結(jié)在一起。這些組件對未來地-月空間和火星任務(wù)都十分關(guān)鍵。

此外，“小行星重定向任務(wù)”使用的是為未來火星探索任務(wù)研發(fā)的“獵戶座”飛船和“航天發(fā)射系統(tǒng)”運載火箭。這將有效降低自身任務(wù)所需費用，也將節(jié)省對這些硬件系統(tǒng)進行技術(shù)改進所需的時間。因此，“小行星重定向任務(wù)”不會增加火星探索任務(wù)的研發(fā)工作，又在地-月空間積累了飛行經(jīng)驗，并對新系統(tǒng)與能力進行試驗，將更有助于推動載人探索火星目標(biāo)的實現(xiàn)。