朱恩涌 孫國江 果琳麗 左光 陳沖
(中國空間技術(shù)研究院,北京 100094)
隨著深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,小行星探測(cè)已成為21世紀(jì)深空探測(cè)的重要內(nèi)容之一。小行星探測(cè)不僅有助于揭開太陽系和生命的起源、演化之謎,而且可促進(jìn)地球防護(hù)、空間科學(xué)和空間技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展,能為更遠(yuǎn)的深空探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)提供驗(yàn)證。近年來世界范圍內(nèi)掀起了小行星探測(cè)的熱潮,多個(gè)國家和組織提出了發(fā)展規(guī)劃,如美國的赫拉(Hera)計(jì)劃、歐洲航天局的“馬可波羅”(Marco Polo)太空探測(cè)計(jì)劃,日本的隼鳥-2小行星探測(cè)任務(wù)等。各主要航天國家都十分重視深空探測(cè)戰(zhàn)略的制定工作,從戰(zhàn)略高度明確了各自的發(fā)展方向和重點(diǎn),美國更是于2010年提出了載人登陸小行星的計(jì)劃。由于小行星探測(cè),尤其是載人小行星探測(cè),技術(shù)難度高、規(guī)模大、系統(tǒng)復(fù)雜、涉及領(lǐng)域廣,它不僅依賴于先進(jìn)的技術(shù)水平,而且需要雄厚的經(jīng)濟(jì)實(shí)力相支持。目前,已成功開展或正在實(shí)施小行星探測(cè)任務(wù)的國家和組織有美國、歐洲和日本。
美國是世界上最早開展小行星探測(cè)的國家。在1991和1993年,美國的伽利略(Galileo)計(jì)劃在前往探測(cè)木星的途中就探測(cè)了小行星Gaspra 和Ida[1],近距離探測(cè)了兩個(gè)小行星的大小、形狀和隕擊坑特征等。美國正在實(shí)施的“發(fā)現(xiàn)”計(jì)劃,以通過探測(cè)太陽系的小行星來增強(qiáng)對(duì)太陽系的了解,并以為未來大型探索任務(wù)提供基本的參考數(shù)據(jù)為主要目標(biāo),目前已成功發(fā)射了“近地小行星交會(huì)”探測(cè)器(NEAR)和黎明號(hào)(Dawn)兩個(gè)小行星探測(cè)器[2-3]。其中“近地小行星交會(huì)”是第一個(gè)專用的近地小行星探測(cè)器,也是第一個(gè)在小行星上降落的航天器。黎明號(hào)是NASA 第一個(gè)以科學(xué)探測(cè)為目標(biāo)的探測(cè)器。美國的另一個(gè)小行星探測(cè)器深空1號(hào)[4]主要是進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn),同時(shí)也對(duì)目標(biāo)小行星進(jìn)行了飛掠探測(cè),為新技術(shù)的演示驗(yàn)證與近地天體探測(cè)任務(wù)的有機(jī)結(jié)合探索出一條最佳途徑。2010年美國提出太空探索新政策,計(jì)劃于2025年實(shí)現(xiàn)人類首次登陸小行星,這樣可以快速、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)地月系以外的載人探索。NASA目前已經(jīng)確定了幾個(gè)候選目標(biāo),并且不排除在一次飛行中登陸多個(gè)小行星的可能。[5]
日本2003年成功發(fā)射隼鳥號(hào)(MUSES-C)小行星探測(cè)器。該探測(cè)器完成了地球借力飛行、在軌與小行星“糸川”交會(huì)、著陸和采樣等任務(wù),并安全返回地球,是世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)小行星取樣返回的航天器。[6]
歐洲羅塞塔號(hào)(Rosetta)探測(cè)器于2004 年發(fā)射,成功近距離飛掠目標(biāo)小行星“斯坦斯”,對(duì)該小行星進(jìn)行了全方位的觀測(cè)。按照計(jì)劃,羅塞塔號(hào)探測(cè)器還將近距離飛掠探測(cè)另一顆小行星“魯特蒂亞”。[7]
表1總結(jié)了國外部分小行星探測(cè)器發(fā)射時(shí)間、技術(shù)特點(diǎn)[2-4,6-7]。世界各國正在規(guī)劃的小行星探測(cè)計(jì)劃見表2[8-13]。
表1 部分小行星探測(cè)器Table 1 Part of asteroid probes
表2 世界各國正在規(guī)劃的小行星探測(cè)計(jì)劃Table 2 Asteroid exploration program being planned by foreign countries
從已實(shí)現(xiàn)的小行星探測(cè)計(jì)劃和各國的規(guī)劃中可以看出,小行星探測(cè)呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)和趨勢(shì)。
(1)小行星探測(cè)已從飛越和伴飛探測(cè)發(fā)展到表面軟著陸和采樣返回探測(cè)。在小行星探測(cè)早期,由于技術(shù)原因,尚不能完成小行星表面著陸及返回探測(cè),只能是進(jìn)行飛越和伴飛探測(cè)。但由于軟著陸和采樣返回探測(cè)能取得更大的科學(xué)探測(cè)成果,隨著技術(shù)的發(fā)展,逐步實(shí)現(xiàn)了表面軟著陸和采樣返回。除隼鳥號(hào)外,正在規(guī)劃中的小行星探測(cè)任務(wù)也有多個(gè)需要采樣返回。
(2)通常一次飛行任務(wù)進(jìn)行多目標(biāo)探測(cè)。為了使探測(cè)任務(wù)價(jià)值最大化,小行星探測(cè)通常探測(cè)多個(gè)目標(biāo)小行星。有的通過精心設(shè)計(jì)飛行軌道,使得探測(cè)器能夠?qū)Χ鄠€(gè)小行星進(jìn)行探測(cè),或者是在其它探測(cè)任務(wù)時(shí),在途中探測(cè)一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)小行星。
(3)從無人探測(cè)向載人探測(cè)發(fā)展。小行星探測(cè)由于周期長,所需軌道轉(zhuǎn)移能力要求高,載人探測(cè)將面臨諸多困難,因此各國都是首先開展無人小行星探測(cè)。2010年美國提出載人登陸小行星計(jì)劃,預(yù)示著人類正朝載人小行星探測(cè)的方向邁進(jìn)。
(4)小行星探測(cè)任務(wù)與新技術(shù)的演示驗(yàn)證相結(jié)合。小行星探測(cè)為新技術(shù)的驗(yàn)證提供了良好的平臺(tái)。與新技術(shù)的演示驗(yàn)證相結(jié)合,小行星探測(cè)能兼顧更多技術(shù)目標(biāo),為后續(xù)的深空探測(cè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。因此不論美國、日本還是歐洲都注重新技術(shù)的驗(yàn)證,即便是某些時(shí)候犧牲了部分科學(xué)探測(cè)價(jià)值。
結(jié)合我國的實(shí)際情況,參考國外小行星探測(cè)的發(fā)展?fàn)顩r,對(duì)我國開展小行星探測(cè)提出如下發(fā)展規(guī)劃、思路和關(guān)鍵技術(shù)建議。
在我國實(shí)施無人月球探測(cè)的同時(shí),應(yīng)積極準(zhǔn)備實(shí)施無人小行星探測(cè)。在無人小行星探測(cè)成功后,再逐步實(shí)施載人小行星探測(cè)。具體可以劃分為4個(gè)階段。
(1)準(zhǔn)備階段。選擇合適的小行星為目標(biāo),繼承探月工程取得的技術(shù)成果,制定科學(xué)目標(biāo)和任務(wù),研制科學(xué)探測(cè)設(shè)備,開展小行星探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)地面試驗(yàn)。
(2)無人小行星探測(cè)階段。研制小行星探測(cè)器,選擇合適的發(fā)射窗口,采用小推力轉(zhuǎn)移軌道,進(jìn)行伴飛探測(cè),同時(shí)驗(yàn)證新技術(shù)。開展離子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、小推力軌道轉(zhuǎn)移技術(shù),以及深空自主管理技術(shù)等試驗(yàn)。
(3)機(jī)器人登陸,取樣返回階段。選擇質(zhì)量較大的小行星作為探測(cè)目標(biāo);采用鉆取和機(jī)械臂相結(jié)合的方式取樣。探測(cè)器釋放搭載的小型機(jī)器人,進(jìn)行長期探測(cè)分析。最終掌握深空環(huán)境和目標(biāo)小行星的地理特征,為載人登陸小行星做好準(zhǔn)備。
(4)載人小行星探測(cè)階段。研制重型運(yùn)載火箭,通過多次發(fā)射,在地球軌道交會(huì)對(duì)接完成飛行器的組裝,最后實(shí)現(xiàn)載人登陸小行星進(jìn)行相關(guān)科學(xué)考察。
探月二期、三期工程的實(shí)施將為我國開展無人小行星探測(cè)任務(wù)奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。在開展無人小行星探測(cè)任務(wù)時(shí)應(yīng)提前規(guī)劃,采用繼承與創(chuàng)新相結(jié)合的原則,根據(jù)我國國情控制任務(wù)規(guī)模,同時(shí)開展相關(guān)新技術(shù)驗(yàn)證。
(1)選擇合適的目標(biāo)小行星。小行星的交會(huì)任務(wù)通常對(duì)資金和技術(shù)的要求很高,因此在進(jìn)行探測(cè)目標(biāo)選擇時(shí),通常要求被選目標(biāo)盡可能的兼具重要的科學(xué)價(jià)值和技術(shù)上的可實(shí)現(xiàn)性。理想的目標(biāo)小行星直徑應(yīng)至少達(dá)到數(shù)百米,自轉(zhuǎn)周期至少要大于10h,而且有撞擊地球的危險(xiǎn)。由于已編號(hào)小行星的軌道相對(duì)準(zhǔn)確,便于進(jìn)行探測(cè)任務(wù)分析與設(shè)計(jì),也便于進(jìn)行多目標(biāo)探測(cè)的優(yōu)化,因此優(yōu)先選擇已編號(hào)近地小行星。
(2)充分繼承探月工程所取得的科技成果。在我國現(xiàn)有航天技術(shù)水平基礎(chǔ)上,以嫦娥探月衛(wèi)星平臺(tái)為基礎(chǔ),研制小行星探測(cè)器,利用長征三號(hào)系列運(yùn)載火箭將小行星探測(cè)器送入地球-小行星轉(zhuǎn)移軌道。
(3)采用多目標(biāo)、多任務(wù)的探測(cè)實(shí)施方式。結(jié)合未來我國的火星探測(cè)計(jì)劃,選擇合適的發(fā)射窗口發(fā)射,可以采用復(fù)合飛行器,即探測(cè)器為包含兩個(gè)及以上飛行器的組合體,分別對(duì)火星和目標(biāo)小行星進(jìn)行探測(cè)。由于近地小行星與地球的距離比火星近,在地球-火星轉(zhuǎn)移軌道途中小行星探測(cè)器與火星探測(cè)器分離,之后火星探測(cè)器繼續(xù)飛往火星,最后進(jìn)入環(huán)火星軌道。小行星探測(cè)器則飛往目標(biāo)小行星,進(jìn)行繞飛或伴飛探測(cè)。
(4)應(yīng)用X 頻段測(cè)控通信系統(tǒng)。嫦娥二號(hào)探月衛(wèi)星對(duì)X 頻段測(cè)控通信系統(tǒng)進(jìn)行了有效驗(yàn)證。我國發(fā)射小行星探測(cè)器,將采用X 頻段統(tǒng)一測(cè)控體制,數(shù)據(jù)格式符合CCSDS國際標(biāo)準(zhǔn)。
(5)采用行星借力技術(shù)。行星借力技術(shù)是國外小行星探測(cè)的常用技術(shù),利用行星借力技術(shù)可以有效降低探測(cè)器對(duì)運(yùn)載的需求,整個(gè)任務(wù)的經(jīng)費(fèi)較少。目前我國還沒有采用行星借力技術(shù)的先例,但從長遠(yuǎn)考慮應(yīng)掌握此技術(shù),為更遠(yuǎn)的深空探測(cè)奠定基礎(chǔ)。
(6)使用電推進(jìn)系統(tǒng)。從地球至小行星軌道轉(zhuǎn)移和接近制動(dòng)的過程中,需要至幾千米每秒(甚至更高)的速度增量。使用高效電推進(jìn)技術(shù),可成倍地降低探測(cè)器攜帶燃料的重量,將更多的有效載荷送入軌道。電推進(jìn)器可連續(xù)工作幾十天甚至幾年,通過長期的連續(xù)加速,探測(cè)器仍然可以獲得很高的速度。
由于飛行距離遙遠(yuǎn),探測(cè)目標(biāo)的特殊性,小行星探測(cè)器所需的技術(shù)要求有別于地球衛(wèi)星和月球探測(cè)器,所需的技術(shù)要求更高,難度更大。我國小行星探測(cè)面臨的技術(shù)難題主要有以下5項(xiàng)。
(1)軌道設(shè)計(jì)
小行星探測(cè)器的運(yùn)行軌道可分為繞飛或伴飛軌道和轉(zhuǎn)移軌道。由于目標(biāo)小行星質(zhì)量相對(duì)很小,即使探測(cè)器接近的距離足夠小,也難以被小行星捕獲,而是和小行星處于一種共同繞日運(yùn)行的“伴飛”狀態(tài)。對(duì)于質(zhì)量稍大的目標(biāo)小行星,由于絕大多數(shù)小行星形狀不規(guī)則、引力較弱且引力場(chǎng)分布不均勻、自轉(zhuǎn)速度較快且自轉(zhuǎn)軸不固定,使得繞飛探測(cè)軌道動(dòng)力學(xué)問題存在較強(qiáng)的非線性,從而導(dǎo)致繞飛軌道的設(shè)計(jì)與分析非常困難。轉(zhuǎn)移軌道的設(shè)計(jì)與優(yōu)化無疑也是一項(xiàng)重要的技術(shù)。小推力轉(zhuǎn)移軌道可以有效節(jié)省探測(cè)器燃料,但其最優(yōu)控制問題是其中的一個(gè)難點(diǎn)。國外無人小行星探測(cè)已成功運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù),如“羅塞塔”探測(cè)任務(wù)。對(duì)于載人小行星探測(cè),則采用直接轉(zhuǎn)移軌道更為有利,但對(duì)運(yùn)載技術(shù)又提出了更高的要求。對(duì)于多目標(biāo)探測(cè),軌道設(shè)計(jì)更是需要反復(fù)進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。
(2)自主取樣技術(shù)
探測(cè)器取樣時(shí)必須附著在小行星表面或與之相對(duì)固定。但是小行星的表面重力很小,探測(cè)器與小行星表面若剛性連接,取樣時(shí)產(chǎn)生的沖擊力會(huì)對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生不良影響,若是柔性連接,又對(duì)取樣設(shè)備提出了考驗(yàn)。取樣機(jī)構(gòu)須適應(yīng)其微重力條件工作,取樣過程要防止污染,以及要求重量輕、功耗少等。除此以外,小行星組成成分的未知性使得鉆孔難度提高。因此,傳統(tǒng)的鉆孔取樣、挖掘取樣等方法難以在取樣機(jī)器人中應(yīng)用,需要開發(fā)具有自主性強(qiáng)的采樣系統(tǒng)。日本隼鳥號(hào)探測(cè)器采用獨(dú)特的金屬球撞擊方式進(jìn)行采樣,但從回收的效果看,也不盡理想[14]。我國的探月三期工程要實(shí)現(xiàn)月球無人自主取樣與返回,但小行星的環(huán)境與月球的差別很大,所以我國還需要研制新的自主取樣系統(tǒng)。
(3)測(cè)控通信技術(shù)
小行星探測(cè)器完成任務(wù)的過程需要與地面保持聯(lián)系,返回科學(xué)數(shù)據(jù),交換指令和狀態(tài)信息。因此測(cè)控通信系統(tǒng)必須確保地球與探測(cè)器間不間斷地通信,實(shí)時(shí)地掌握探測(cè)器在運(yùn)行過程中的真實(shí)信息,便于有效地對(duì)其進(jìn)行管理和控制,完成各項(xiàng)預(yù)定的飛行任務(wù)。在深空通信中電波主要是在宇宙空間中傳播,和地面微波通信相比,傳播條件較好,但無線電波傳輸耗時(shí)巨大,信號(hào)微弱,數(shù)據(jù)傳輸速率受限,需要高的等效全向輻射功率(EIRP),存在上、下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟粚?duì)稱。美國、俄羅斯、歐洲航天局都有較為完善的深空測(cè)控網(wǎng)。美國最大的地面站天線直徑為70m,還實(shí)現(xiàn)了全球布站,支持飛行距離超出50AU 的旅行者2號(hào)探測(cè)任務(wù)[15]。我國嫦娥二號(hào)任務(wù)將首次驗(yàn)證我國新建的X 頻段深空測(cè)控體制,但現(xiàn)有的性能指標(biāo)與小行星探測(cè)的要求相比,還有一定差距。
(4)自主導(dǎo)航與控制技術(shù)
由于距離較遠(yuǎn),使小行星探測(cè)器與地球之間的通信存在時(shí)間延遲,若遇到其它星體的遮擋,可能較長時(shí)間不能與地面取得聯(lián)系,尤其是在探測(cè)器到達(dá)探測(cè)目標(biāo)時(shí),任務(wù)時(shí)間短,實(shí)時(shí)性要求更高?;诘孛鏈y(cè)控導(dǎo)航的反應(yīng)速度慢,不利于突發(fā)和緊急事件的處理,尤其對(duì)于載人小行星探測(cè)將是十分危險(xiǎn)的。另外,小行星很多參數(shù)未知或地面測(cè)定精度低,包括慣性姿態(tài)、旋轉(zhuǎn)速率及慣性張量等信息需要在軌確定;小行星形狀的不規(guī)則、質(zhì)量分布的不均勻以及弱引力場(chǎng)等還會(huì)對(duì)接近小行星的軌道有較強(qiáng)的攝動(dòng)。因此,小行星探測(cè)器必須有自主性強(qiáng)、精度高和魯棒性強(qiáng)的導(dǎo)航和控制系統(tǒng),如深空1號(hào)和隼鳥號(hào)探測(cè)器都具有先進(jìn)的高精度自主導(dǎo)航系統(tǒng)。小行星探測(cè)器比月球探測(cè)器對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)自主性的要求更強(qiáng),將是小行星探測(cè)必需解決的關(guān)鍵技術(shù)。
(5)航天員登陸活動(dòng)技術(shù)
小行星表面幾乎沒重力,航天員若無必要防護(hù)措施登陸小行星,則很容易就會(huì)飛離小行星,更不必考慮在小行星上駕駛探測(cè)車等工具了。采用小行星表面錨定機(jī)構(gòu),可以避免航天員飄浮在空中,但由于不清楚小行星表面的堅(jiān)固程度能否支撐固定航天員,因此也并不可靠。零重力還意味著航天員勘測(cè)小行星過程中形成的任何灰塵微粒都會(huì)長時(shí)間懸浮。微粒對(duì)航天服及航天員攜帶工具的影響也有待于進(jìn)一步深入研究。目前人類還未開展載人小行星探測(cè),但如何確保航天員安全著陸,并在小行星表面順利實(shí)施科學(xué)探測(cè)活動(dòng),必定是其中的一個(gè)重要研究課題。
綜上所述,國外已開展了多次無人小行星探測(cè),并成功取回樣品進(jìn)行科學(xué)研究,目前正積極規(guī)劃新的探測(cè)任務(wù),甚至是載人小行星探測(cè)任務(wù)。隨著我國航天事業(yè)的進(jìn)展,我國若適時(shí)開展無人小行星探測(cè),一方面可以加入國際深空探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的大家庭,取得廣泛的國際合作支持與幫助;另一方面,小行星探測(cè)的成功實(shí)施,可以極大地提高我國在深空探測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)水平,對(duì)地球防護(hù)和空間科學(xué)的發(fā)展具有重要意義。當(dāng)前我國應(yīng)深入開展小行星探測(cè)尤其是載人小行星探測(cè)的前期研究工作,對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,以盡早實(shí)現(xiàn)小行星探測(cè)。
(References)
[1]Wang Z,Kivelson M G,Joy S,et al.Solar wind interaction with small bodies:1.whistler wing signatures near Galileo's closest approach to Gaspra and Ida[J].Advances in Space Research,1995,16(4):47-57
[2]Strikwerda Thomas E,Ray J C,Haley David R.The near guidance and control system[J].Johns Hopkins APL Technical Digest,1998,19(2):205-212
[3]Rayman M D,Varghese P.The deep space 1extended mission[J].Acta Astronautica,2001,48(5-12):693-705
[4]Russell C T,Capaccioni F.Dawn discovery mission to vesta and ceres:present status[J].Advances in Space Research,2006,38:2043-2048
[5]張夢(mèng)然.NASA 計(jì)劃派遣載人航天器登陸小行星[N].科技日?qǐng)?bào),2010-09-02(2)
Zhang Mengran.NASA arranges to lunch manned spacecraft landing asteroid[N].Science and Technology Daily,2010-09-02(2)(in Chinese)
[6]Fujiwara A,Kawaguchi J,Uesugi K T.Role of sample return mission MUSES-C in asteroid study[J].Advances in Space Research,2004,34(11):2267-2269
[7]Accomazzo A,F(xiàn)erri P.Rosetta visits asteroid(21)lutetia[C]//CZ:61st International Astronautical Congress.City of Light,F(xiàn)rance:IAF,2006:1-7
[8]Sears Derek,Allen Carl,Britt Dan,et al.The Hera mission:multiple near-earth asteroid sample return[J].Advances in Space Research,2004,34(11):2270-2275
[9]王存恩.日本“隼鳥”小行星探測(cè)器在軌運(yùn)行成果及其后續(xù)計(jì)劃[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2009,7(1):51-55
Wang Cunen.Japan Hayabusa asteroid probe motion in orbit and subsequent programs[J].Satellite Application,2009,7(1):51-55(in Chinese)
[10]靳力,瞭望.歐洲“馬可波羅”計(jì)劃擬登陸小行星取樣回地球[J].航天器工程,2008,17(6):148
Jin Li,Liao Wang.European “Marco Polo”mission plan to land asteroid and sample return[J].Spacecraft Engineering,2008,17(6):148(in Chinese)
[11]Arrigo P D’,Santandrea S.The APIES mission to explore the asteroid belt[J].Advances in Space Research,2006,38:2060-2067
[12]Andersena A C,Michelsenb R,Haackc H,et al.The autonomous asteroid mapping mission “Bering”[J].Acta Astronautic,2006,59:966-973
[13]Martinot Vincent.Morbidelli Alessandro.The EUNEOS mission:a European NEO space-based observatory[J].Acta Astronautic,2006,59:679-688
[14]Japan Aerospace Exploration Agency.Identification of origin of particles brought back by Hayabusa[EB/OL]. [2010-11-16].http://www.jaxa.jp/press/2010/11/20101116_h(yuǎn)ayabusa_e.html
[15]李平,劉寶國,劉迎春.國外深空測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及其對(duì)發(fā)展我國深空測(cè)控能力的啟示[C]//航天測(cè)控技術(shù)研討會(huì).北京:中國宇航學(xué)會(huì),2003
Li Ping,Liu Baoguo,Liu Yingchun.Trend of development of foreign deep space tracking and communication systems and enlightenment of developing our country deep space tracking and communication capability[C]// Workshop of Aerospace TT&C Technology.Beijing:Chinese Society of Astronautics,2003:23-26(in Chinese)