載人探測(cè)小行星的目標(biāo)星選擇

王悅 劉歡 王開(kāi)強(qiáng) 張柏楠

（中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

小行星（Asteroid）是太陽(yáng)系內(nèi)類似行星環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，但體積和質(zhì)量比行星小得多的天體。太陽(yáng)系中絕大多數(shù)的小行星都集中在火星和木星軌道之間，稱為小行星帶。另外在海王星以外也分布有小行星，這片地帶稱為柯伊伯帶（Kuiper Belt）。其中一些小行星的運(yùn)行軌道與地球軌道相交，曾有某些小行星與地球發(fā)生過(guò)碰撞。2009年8月10日發(fā)布的有軌道根數(shù)的小行星為459 433顆［1］，按軌道半長(zhǎng)軸、近日距和遠(yuǎn)日距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，遠(yuǎn)日距小于3．3AU的為340 184顆，占總數(shù)的74%，這些小行星完全運(yùn)行于日心距小于3．3AU 的空間內(nèi)；半長(zhǎng)軸為2AU 至3．23AU 的有437 287顆，占總數(shù)的95．2%。

其中有一類小行星運(yùn)行在地球附近，遠(yuǎn)日點(diǎn)距離小于1．3AU，被稱為近地小行星（NEAs）。根據(jù)小行星的近日點(diǎn)距離和軌道半長(zhǎng)軸的數(shù)值，把它們劃分為4種類型，軌道半長(zhǎng)軸a小于1AU 和近日距q小于0．983AU 的近地小行星被稱為Atira型小行星；軌道半長(zhǎng)軸a小于1AU 和近日距q大于0．983AU 的近地小行星稱為Aten型小行星；軌道半長(zhǎng)軸a大于1AU，而遠(yuǎn)日距Q小于1．017AU 的小行星稱為Apollo型小行星；軌道半長(zhǎng)軸a大于1AU，遠(yuǎn)日距Q小于1．3AU，大于1．017AU 的小行星稱為Amor型小行星（見(jiàn)圖1）。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的近地小行星探測(cè)器已經(jīng)訪問(wèn)過(guò)其中最著名的小行星433 號(hào)（愛(ài)神星）。由于近地小行星的威脅，NASA 從1998年開(kāi)始對(duì)近地小行星進(jìn)行探測(cè)，目前，已發(fā)現(xiàn)直徑大于140 m 近地小行星約6000顆。其中有一類小行星對(duì)地球存在著潛在的威脅，離地球的最近距離小于0．05 AU，它們被稱為潛在威脅小行星（PHAs），共發(fā)現(xiàn)約1200顆［2-3］。

圖1 近地小行星軌道示意圖Fig．1 Sketch map of NEA orbit

在眾多的小行星中，挑選適宜的星體開(kāi)展載人探測(cè)，除了滿足人類強(qiáng)烈的探索欲望，更重要的是可以驗(yàn)證先進(jìn)的深空探測(cè)技術(shù)，同時(shí)利用人類的主觀能動(dòng)性，對(duì)小行星進(jìn)行考察勘測(cè)，甚至可將小行星改造成為人類通往更遠(yuǎn)行星的臨時(shí)補(bǔ)給站。適時(shí)地介入載人小行星探測(cè)研究領(lǐng)域，也必將增強(qiáng)我國(guó)綜合國(guó)力，產(chǎn)生深遠(yuǎn)的政治影響，使我國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域占有一席之地。

2 載人小行星探測(cè)特點(diǎn)及選星原則

2．1 載人小行星探測(cè)特點(diǎn)

載人小行星探測(cè)有著其他深空探測(cè)不可比擬的特殊性，如表1所示，其中重要的一點(diǎn)就是探測(cè)目標(biāo)的多樣化。通過(guò)合理的選擇探測(cè)目標(biāo)，可以在保證航天員安全的情況下，降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難度，提升探測(cè)任務(wù)的性價(jià)比。

表1 三種載人深空探測(cè)任務(wù)的特點(diǎn)比較Table 1 Comparsion of three different missions of human deep space exploration

許多近地小行星的軌道與地球軌道相似，對(duì)于絕大多數(shù)近地小行星，可設(shè)計(jì)地球-小行星日心轉(zhuǎn)移軌道，實(shí)現(xiàn)與小行星的交會(huì)，如圖2所示。同時(shí)，由于小行星引力微弱，幾十米的速度增量就可擺脫小行星引力束縛［3］。還有些進(jìn)入地球引力影響球的特殊小行星，可根據(jù)具體情況進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)，使探測(cè)器不必經(jīng)過(guò)日心轉(zhuǎn)移軌道飛行，就可與小行星在地球引力影響球內(nèi)交會(huì)，從而大幅縮短探測(cè)任務(wù)時(shí)間。所以，目標(biāo)星選擇策略研究是載人小行星探測(cè)任務(wù)需要研究的重點(diǎn)之一。

圖2 地球-小行星日心轉(zhuǎn)移軌道示意圖Fig．2 Sketch map of transfer trajectory

2．2 載人小行星探測(cè)選星原則

從載人小行星探測(cè)特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合我國(guó)實(shí)際，考慮載人探測(cè)的安全性、可行性以及探測(cè)價(jià)值，提煉得到以下3類選星原則。

1）安全性

（1）環(huán)境確定性原則：已編號(hào)的小行星軌道較明確，有較完備的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這樣可以保證了解星上環(huán)境，采取相應(yīng)措施，確保航天員安全。

（2）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原則：小行星的自轉(zhuǎn)周期不應(yīng)太小，自轉(zhuǎn)周期＜10h的星體，在離心力作用下，可能導(dǎo)致小行星的結(jié)構(gòu)松散，存在不穩(wěn)定因素，不利于航天員進(jìn)行艙外活動(dòng)［2］。

2）可行性

（1）Δv原則：考慮動(dòng)力學(xué)因素，運(yùn)載能力是影響載人小行星探測(cè)任務(wù)實(shí)施的重要指標(biāo)。按照我國(guó)未來(lái)運(yùn)載器技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計(jì)在2025 年前發(fā)展LEO運(yùn)載能力50t級(jí)的超大型火箭，在2030年之后發(fā)展LEO能力為130t級(jí)的重型運(yùn)載火箭［5］。因此，對(duì)目標(biāo)小行星進(jìn)行選擇時(shí)，其探測(cè)任務(wù)所需的Δv值，應(yīng)盡量在我國(guó)未來(lái)運(yùn)載能力發(fā)展的允許范圍之內(nèi)。

（2）任務(wù)時(shí)間原則：從空間環(huán)境對(duì)人生理影響的角度考慮，選擇任務(wù)時(shí)間較短的小行星進(jìn)行探測(cè)，能更好的降低環(huán)控生保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，減小探測(cè)器規(guī)模。

（3）窗口寬松原則：目標(biāo)星應(yīng)有寬松的發(fā)射窗口，以增加任務(wù)的靈活性。本文僅考慮2020 年至2050年內(nèi)合適的發(fā)射窗口。

3）探測(cè)價(jià)值

（1）潛在威脅小行星（PHA）原則：PHA 是指與地球最近距離小于0．05AU，直徑大于140m，如果與地球發(fā)生碰撞會(huì)造成破壞性后果的小行星。這類小行星可能更完整地保存有宇宙形成初期的原始信息，擁有更豐富的礦產(chǎn)資源，探測(cè)意義較大［3］。

（2）光譜原則：具有特定光譜類型的小行星具有更大的探測(cè)意義。比如，C 型小行星是含碳的小行星，其化學(xué)組成同太陽(yáng)與原始的太陽(yáng)星云極為相似，可能含有水合（含水的）礦物，具有較大探測(cè)價(jià)值。S型小行星是以硅質(zhì)為主組成，還包括鐵、鎂等元素。X 型小行星含有大量金屬，礦產(chǎn)資源豐富，具有很好的探測(cè)價(jià)值［6-7］。

3 目標(biāo)星約束條件及選星結(jié)果

為滿足我國(guó)未來(lái)各階段深空探測(cè)發(fā)展需求，將小行星根據(jù)探測(cè)難度由易到難分為3類，分別稱之為第一類、第二類和第三類候選星。下面針對(duì)3類候選星分別進(jìn)行分析，并根據(jù)上述選星原則，提出具體約束條件和優(yōu)選條件，對(duì)應(yīng)稱為第一類、第二類和第三類約束條件和優(yōu)選條件。

安全性原則是3 類候選星都要首要考慮的因素，可行性原則根據(jù)3類候選星的探測(cè)難度分別評(píng)估，再根據(jù)探測(cè)價(jià)值從中優(yōu)選。其中，在衡量可行性時(shí)，先定性分析軌道參數(shù)（半長(zhǎng)軸a、偏心率e、軌道傾角i）對(duì)速度增量與任務(wù)時(shí)間的影響，根據(jù)軌道參數(shù)對(duì)小行星進(jìn)行篩選，再對(duì)候選星進(jìn)行定量軌道計(jì)算，評(píng)估探測(cè)技術(shù)難度。由于速度增量與任務(wù)時(shí)間之間存在耦合關(guān)系，將任務(wù)時(shí)間小于200d作為軌道設(shè)計(jì)的約束條件，軌道計(jì)算時(shí)暫不考慮軌道傾角。

3．1 第一類約束條件及選星結(jié)果

根據(jù)安全性原則，候選星應(yīng)為已編號(hào)并且自轉(zhuǎn)周期不小于10h的小行星，周期未知的小行星保留了載人探測(cè)的可能性，故也考慮在內(nèi)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析可知，與地球軌道相似的小行星，任務(wù)所需的速度增量Δv和時(shí)間T較小，所以e應(yīng)盡量小，a應(yīng)盡量接近1AU。軌道傾角增加需消耗額外速度增量（傾角增加1°，速度增量約增加0．5km／s［8］），i較小的小行星更有利于載人探測(cè)任務(wù)。根據(jù)上述分析，得到第一類約束條件為：

（1）自轉(zhuǎn)周期不小于10h（含未知）；

（2）選擇已編號(hào)或有探測(cè)記錄的小行星；

（3）e＜0．125；

（4）0．9AU＜a＜1．1AU；

（5）i＜2°；

（6）發(fā)射窗口擬定于2020—2050年間；

（7）優(yōu)先選擇潛在威脅小行星（PHA）；

（8）優(yōu)先選擇光譜類型為S、C、X 型的小行星（含未知）。

得到第一類候選星共22顆，選星結(jié)果及小行星分布如圖3所示，上述小行星有極小的偏心率、接近1AU的半長(zhǎng)軸和較小的軌道傾角，小行星軌道與地球極為相似。圖3中小行星位置越接近地球，表明小行星軌道與地球軌道相似程度越高。通過(guò)選取不同位置的小行星進(jìn)行軌道計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，雖然由于小行星的軌道特性不同，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有所差異，但呈現(xiàn)與地球軌道相似程度越高的小行星，任務(wù)所需Δv越小的規(guī)律。Ⅲ區(qū)中小行星任務(wù)所需Δv約在6～8km／s；Ⅱ區(qū)中小行星約在5～6km／s；而Ⅰ區(qū)中小行星任務(wù)所需Δv則很有可能小于5km／s，這對(duì)載人小行星探測(cè)極具誘惑力，可優(yōu)先考慮。部分小行星軌道計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖3 第一類候選星分布Fig．3 Distribution of 1st category candidate asteroids

其中值得說(shuō)明的是，本文計(jì)算的任務(wù)所需Δv是指從地球停泊軌道逃逸及以后所需的總速度增量；飛行時(shí)間T是指從地球逃逸（飛出地球引力范圍）至抵達(dá)地球所需的總飛行時(shí)間；發(fā)射窗口是指探測(cè)器從地球逃逸進(jìn)入日心過(guò)渡軌道的時(shí)刻。

綜合考慮此類小行星，雖然任務(wù)所需Δv極具誘惑力，經(jīng)初步計(jì)算，采用50噸級(jí)的超大型火箭發(fā)射4次以內(nèi)即可完成任務(wù)，而采用重型火箭則可能僅需1～2次發(fā)射任務(wù)。但從安全性和探測(cè)價(jià)值考慮，上述小行星的直徑較小，探測(cè)價(jià)值有限，且自轉(zhuǎn)周期未知，探測(cè)器著陸和航天員艙外活動(dòng)可能會(huì)受到的影響不明，不宜直接進(jìn)行載人探測(cè)，需進(jìn)一步探測(cè)其物理特性，以分析判斷其是否滿足載人探測(cè)的安全性要求。

表2 第一類候選星部分軌道計(jì)算結(jié)果Table 2 Trajectory calculation results of part of 1st category candidate asteroids

3．2 第二類約束條件及選星結(jié)果

第二類候選星篩選時(shí)，首先保證滿足載人探測(cè)的安全性，再根據(jù)軌道參數(shù)評(píng)估探測(cè)的技術(shù)難度和可行性，并綜合衡量探測(cè)價(jià)值，作為優(yōu)選，可得到第二類約束條件和優(yōu)選條件：

（1）自轉(zhuǎn)周期不小于10h（含未知）；

（2）選擇已編號(hào)且有探測(cè)記錄的小行星；

（3）e＜0．5；

（4）0．5AU＜a＜1．5AU；

（5）i＜3°；

（6）發(fā)射窗口擬定于2020—2050年間；

（7）優(yōu)先選擇潛在威脅小行星（PHA）；

（8）優(yōu)先選擇光譜類型為S、C、X 型的小行星（含未知）。

根據(jù)約束條件對(duì)已知近地小行星進(jìn)行篩選，得到初選星287顆，并根據(jù)優(yōu)選條件，對(duì)初選星進(jìn)一步優(yōu)選，得到第二類候選星共30顆，選星結(jié)果及小行星分布如圖4所示。

圖4 第二類候選星分布Fig．4 Distribution of 2nd category candidate asteroids

第二類候選星探測(cè)難度略大于第一類候選星，均為PHA，具有一定的探測(cè)價(jià)值；其中一些自轉(zhuǎn)周期未知的小行星的安全性仍存在一些隱患，需要進(jìn)一步的探測(cè)和分析；而對(duì)于自轉(zhuǎn)周期已知且大于10h的小行星，物理特性明確，已初步具備開(kāi)展載人探測(cè)的基本條件。

對(duì)第二類候選星中自轉(zhuǎn)周期明確且大于10h的小行星進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)軌道設(shè)計(jì)結(jié)果可再次驗(yàn)證具有與地球相似軌道特性的小行星，任務(wù)所需Δv可能越小。所以，根據(jù)圖4將第二類候選星粗略劃分為3個(gè)區(qū)域，Ⅲ區(qū)中小行星任務(wù)所需Δv很可能將大于11km／s；Ⅱ區(qū)中小行星約在9～10km／s；而Ⅰ區(qū)中小行星則很可能只需不到9km／s的速度增量。

綜合考慮，小行星89136（2001US16）和65717（1993BX3）物理特性信息較全，較大的星體尺寸和具備的潛在危脅均表明其具有一定探測(cè)價(jià)值，任務(wù)所需Δv約為9km／s。經(jīng)初步計(jì)算，采用50噸級(jí)的超大型火箭需近8～10次以上的發(fā)射任務(wù)，而采用重型火箭最少需要4次發(fā)射任務(wù)。

表3 第二類候選星部分軌道設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 Trajectory calculation results of part of 2nd category candidate asteroids

3．3 第三類約束條件

第三類候選星可作為未來(lái)中長(zhǎng)期深空探測(cè)規(guī)劃參考。同理，可根據(jù)選星原則得到第三類約束條件和優(yōu)選條件：

（1）自轉(zhuǎn)周期不小于10h（含未知）；

（2）選擇已編號(hào)且有探測(cè)記錄的小行星；

（3）e＜0．5；

（4）0．5AU＜a＜1．5AU；

（5）3°＜i＜5°；

（6）發(fā)射窗口擬定于2020—2050年間；

（7）優(yōu)先選擇潛在威脅小行星（PHA）；

（8）優(yōu)先選擇光譜類型為S、C、X 型的小行星（含未知）。

根據(jù)第三類約束條件可得到滿足條件的小行星229顆，根據(jù)優(yōu)選條件進(jìn)一步優(yōu)選，得到第三類候選星共35顆。選星結(jié)果及小行星分布如圖5所示。

圖5 第三類候選星分布Fig．5 Distribution of 3rd category candidate asteroids

第三類候選星的軌道傾角3°～5°，相對(duì)較大，所以需要耗費(fèi)更多的燃料用于消除軌道傾角帶來(lái)的偏差，任務(wù)所需Δv同比第二類候選星約增加1～2km／s，若采用重型火箭其發(fā)射任務(wù)約增加1～2次，在未來(lái)中長(zhǎng)期具備載人探測(cè)的可能性。值得一提的是，小行星99942Apophis在2029年和2036年將與地球兩次親密接觸，其中2029年4月進(jìn)入地球引力影響球范圍，雖然國(guó)外已有針對(duì)這顆小行星的軌道和飛行方案設(shè)計(jì)［9］，但未考慮小行星進(jìn)入地球影響球后，僅通過(guò)地球軌道飛行與其交會(huì)并返回的方案，此時(shí)飛行時(shí)間T可以大幅縮短至數(shù)天，未來(lái)可利用這一特性對(duì)其進(jìn)行載人探測(cè)。

4 啟示與建議

本文基于上述選星結(jié)果和軌道設(shè)計(jì)結(jié)果，提出以下幾方面建議。

（1）第一類候選星探測(cè)技術(shù)難度最小，僅采用超大型火箭發(fā)射，通過(guò)LEO 交會(huì)對(duì)接，即可具備對(duì)其進(jìn)行載人探測(cè)的能力；但是，第一類候選星的科學(xué)探測(cè)價(jià)值較低，且其直徑較小，自轉(zhuǎn)周期不明，需要進(jìn)一步探測(cè)，了解其自轉(zhuǎn)周期等物理特性，并進(jìn)行載人安全性分析和可行性論證；也可擇機(jī)發(fā)射無(wú)人探測(cè)器，以驗(yàn)證載人探測(cè)所需的關(guān)鍵技術(shù)。

（2）第二類候選星探測(cè)技術(shù)難度略大于第一類候選星，采用超大型火箭難以實(shí)施探測(cè)任務(wù)，而采用重型火箭則可具備對(duì)大部分第二類目標(biāo)星進(jìn)行載人探測(cè)的能力；但是，第二類目標(biāo)星具備一定的科學(xué)探測(cè)價(jià)值?？紤]到部分小行星自轉(zhuǎn)周期不明，因此需要進(jìn)一步探測(cè)，了解其自轉(zhuǎn)周期等物理特性，進(jìn)行安全性分析和可行性論證；

（3）表3中小行星軌道參數(shù)及物理特性明確，滿足載人探測(cè)安全性要求，且具備一定的科學(xué)探測(cè)價(jià)值，根據(jù)軌道計(jì)算結(jié)果，小行星89136和65717任務(wù)所需Δv較小，探測(cè)技術(shù)難度相對(duì)較低，可根據(jù)航天技術(shù)發(fā)展情況和需要，考慮擇機(jī)進(jìn)行載人探測(cè)。

（4）第三類候選星探測(cè)技術(shù)難度大于前兩類，采用重型火箭僅具備對(duì)其中部分目標(biāo)星進(jìn)行載人探測(cè)的能力，需根據(jù)中長(zhǎng)期的航天技術(shù)發(fā)展情況和需要，考慮是否進(jìn)行載人探測(cè)。由于第一類、第二類候選星中自轉(zhuǎn)周期明確且滿足安全性的小行星較少，當(dāng)無(wú)合適發(fā)射窗口，可考慮第三類作為備選星。

（5）小行星99942 Apophis，其運(yùn)行軌道特殊，預(yù)計(jì)將于2029年4月飛入地球引力影響球。此時(shí)，探測(cè)器僅通過(guò)地球軌道飛行即可實(shí)現(xiàn)該小行星的載人探測(cè)任務(wù)，其飛行時(shí)間可以大幅縮短至數(shù)天。可考慮利用該窗口對(duì)其開(kāi)展載人探測(cè)。

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