近地小行星：美國載人航天新目的地

近地小行星：美國載人航天新目的地

黃志澄：空氣動力學(xué)家、航天技術(shù)專家、技術(shù)評論家。長期從事空氣動力學(xué)、航天發(fā)展戰(zhàn)略研究，為我國大型試驗基地建設(shè)、載人航天方案論證、新型航天器研制做出了貢獻(xiàn)。近十年來從事科學(xué)、技術(shù)與社會等宏觀科學(xué)領(lǐng)域研究，在國內(nèi)外有較大影響。

進(jìn)入21世紀(jì)后，美國就開始研究，完成“國際空間站”任務(wù)后美國載人航天下一個目的地是哪里？

美國總統(tǒng)布什曾于2004年提議將在2020年前重返月球，并在那里建立月球基地，為進(jìn)行載人探測火星做準(zhǔn)備。美國航空航天局（NASA）開始執(zhí)行一項研發(fā)“戰(zhàn)神”（Ares）系列火箭和“獵戶座”（Orion）飛船的“星座計劃”。奧巴馬總統(tǒng)上臺后，面臨金融危機和財政壓力，考慮到“星座計劃”基本上是采用當(dāng)年“阿波羅”計劃的技術(shù)，月球資源開發(fā)的前景也不太明朗，中國正在發(fā)展探月技術(shù)等，決定對美國載人航天計劃進(jìn)行調(diào)整。2010年4月奧巴馬提出了美國“21世紀(jì)太空探索戰(zhàn)略”，計劃在2025年實現(xiàn)小行星載人探索任務(wù)，在21世紀(jì)30年代中期實現(xiàn)進(jìn)入火星軌道的載人飛行，而后載人登陸火星。同年10月，奧巴馬簽署了《2011年NASA授權(quán)法案》，決定了近地軌道以遠(yuǎn)空間的載人航天目標(biāo)，除了小行星、火星外還包括月球，同時也盡可能利用“星座計劃”開發(fā)的技術(shù)。

2012年NASA發(fā)布了《可持續(xù)的載人太空探索路線圖》，提出了多目的地的載人太空探索戰(zhàn)略，探索的長期目標(biāo)定為載人登陸火星，而近期則提出了捕獲、轉(zhuǎn)向和航天員登陸小行星的計劃，企圖把應(yīng)對小行星可能撞擊地球的威脅，開發(fā)小行星礦產(chǎn)資源和發(fā)展載人太空探索技術(shù)結(jié)合起來。

1 探索近地小行星的意義

仔細(xì)閱讀這個路線圖，不難發(fā)現(xiàn)NASA已將近地小行星作為美國載人航天的近期目的地。探索近地小行星，不僅可以揭示太陽系的形成和地球生命起源等科學(xué)問題，而且可以預(yù)測和應(yīng)對小行星撞擊地球的威脅。可能給人類帶來巨大恐慌和災(zāi)難的太空天體威脅，當(dāng)屬自然天體與地球可能發(fā)生的碰撞。事實上，這離人類并不遙遠(yuǎn)，例如科學(xué)家最近預(yù)測，在2032年前后可能有小行星撞上地球；又如，2013年2月在俄羅斯車?yán)镅刨e斯克發(fā)生的隕石墜落事件。雖然一些報道有夸大危險之嫌，但對此絕不能輕視。通常，這種較大規(guī)模的碰撞發(fā)生頻率較低，一般幾十年才有一次，但它對人類社會可能造成的損失十分巨大。

NASA公布的近地小行星軌道

太空小型天體與地球的碰撞，其實是一種正常的自然現(xiàn)象，每秒鐘都會有大量來自太空的微小顆粒沖進(jìn)大氣層，每年都有直徑超過1m的天體墜落地球，每隔一二十年就會有直徑達(dá)到10m以上（例如在車?yán)镅刨e斯克落下的隕石）的天體“造訪”地球。最危險天體的直徑能夠達(dá)到數(shù)十米，它的墜落可將一座大城市夷為平地。不過，這樣的天體與地球相遇一次，需要數(shù)百年的時間。雖然這是小概率事件，但并不能因此低估小行星體對地球的沖撞。為了避免天體襲擊地球，人類需要采取相應(yīng)措施，以防患于未然。

其次，在過去的100年間，全球人口從15億爆炸性地增長到今天超過70億，從而使人類對資源的需求也出現(xiàn)了相應(yīng)的爆炸性增長。為了滿足這種增長的需求，除了要加強全社會的資源回收利用率之外，人類也必須前往一些前所未有的新疆域，進(jìn)行礦產(chǎn)資源的開發(fā)工作，比如開發(fā)海底的礦產(chǎn)資源等。小行星是太陽系在45億年前形成初期遺留下來的產(chǎn)物，它是巖石和塵埃的聚集體，有時候還含有一些冰和有機物質(zhì)。因此，小行星或許將會成為人類開發(fā)礦產(chǎn)資源的下一個目的地。

小行星一般可以劃分為三類：表面較暗的是C型小行星，它富含碳質(zhì)，并擁有較高含量的水分，還有一些含水的粘土礦物；稍顯明亮的是S型小行星，主要由巖石組成，其水含量相對低一些，但含有很大比例的金屬，主要是鐵、鎳和鈷；最后一類是更明亮的M型小行星，其金屬含量比一般的S型小行星還高出10倍以上。雖然我們目前更多地關(guān)注后兩類小行星，但在未來人類向整個太陽系擴展生存空間時，富含水的C型小行星將顯得尤為重要。由此可見，小行星采礦將是本世紀(jì)的一個新興行業(yè)，我們既可以對小行星上的貴金屬進(jìn)行開采，補充地球上稀缺的資源；又可以利用小行星巖石中的鐵來制造新的航天器，分解含水礦物的水來制成氫和氧，當(dāng)作火箭的燃料。

在技術(shù)上，探索近地小行星可以早于探索火星，以便NASA可以通過這個項目，試驗為探索火星正在研制的“航天運載系統(tǒng)”（SLS）和Orion飛船，從而使探索火星減少風(fēng)險。對于美國公眾十分關(guān)心的載人太空探索，也可以有一個近期的成果，以鼓勵士氣。

2 NASA的“小行星轉(zhuǎn)向任務(wù)”（ARM）

2012年12月，NASA向白宮提交了一份ARM項目（也有媒體稱之為“小行星捕獲計劃”）的報告，將整個任務(wù)分成鑒別、轉(zhuǎn)向和探索3個階段。該報告指出：開發(fā)小行星的想法早在100多年前就已經(jīng)提出，只不過相應(yīng)的技術(shù)目前才成熟。想成功捕獲小行星，希望做三件事：首先要能找到一個滿足質(zhì)量、大小等條件的近地小行星；其次還要有一套足夠強大的太陽能電動推進(jìn)系統(tǒng)，能夠?qū)⑿⌒行菐щx原有軌道；最后要能在2020年左右安排相關(guān)人員對這顆小行星進(jìn)行勘探和開采。

由此可見，這個計劃首先要確定1顆飛經(jīng)月地空間的小行星作為目標(biāo)。目前，NASA已將目標(biāo)小行星的大小定位在7.6m左右，質(zhì)量接近500t，并從7000多顆近地小行星中圈定了尺寸和軌道都符合要求的13顆小行星，然后準(zhǔn)備篩選出其中的2顆，最后再從中確定1顆來實施計劃。第二步是捕獲這顆小行星，并改變其軌道，讓其變成月球的衛(wèi)星，最后要派航天員登上這顆小行星，進(jìn)行實地勘測。這顆小行星也可充當(dāng)日后航天員登陸火星時進(jìn)行補給的中轉(zhuǎn)站。在奧巴馬總統(tǒng)提出的NASA 2014年預(yù)算中，已計劃用 1億美元來啟動這個項目。

NASA正在審查96種關(guān)于小行星捕獲的方案，并在2013年9月30日－10月2日的公開研討會上對小行星捕獲方案進(jìn)行了深入探討。其中主要方案由NASA和加州理工學(xué)院共同編制，該方案選擇宇宙神－5火箭發(fā)射質(zhì)量為5.5t的“小行星捕獲轉(zhuǎn)向艙”（ACR）來承擔(dān)任務(wù)。ACR有兩副可展開的太陽電池翼，可發(fā)出40kW電功率。ACR在飛到407km高度后，將軌道的遠(yuǎn)地點調(diào)整到月球軌道的高度,并用2.2年時間飛至月球軌道；然后再利用太陽能電推進(jìn)系統(tǒng)和月球引力輔助飛行，用1.7年時間飛向目標(biāo)小行星。一旦ACR靠近小行星后，就會釋放出一個直徑約15m寬的巨大“袋子”，將這顆小行星裹住，從而使這顆小行星成為ACR的“囊中之物”。當(dāng)ACR成功“網(wǎng)”住小行星后，它就會啟動推進(jìn)器將小行星推離原有軌道，并至少用2年時間飛到月球軌道上，讓其成為繞月衛(wèi)星。由于這個方案只是一個初步設(shè)想，所以今后實施的方案，估計將有很大變化。NASA將在2021年由正在研發(fā)的SLS和Orion飛船運送航天員登陸這顆小行星，并采集小行星巖石樣本，對小行星進(jìn)行全面而徹底的考察。整個計劃將在2025年左右完成。

ACR示意圖

Orion飛船和ACR對接在一起

無論是小行星的探測，還是小行星的捕獲和開發(fā)，NASA都呼吁民間及私營企業(yè)參與進(jìn)來。2013年早些時候，位于西雅圖的行星資源（PR）公司表示，打算在未來10年內(nèi)開采近地小行星上的礦藏，并計劃在2016年發(fā)射一艘無人飛船前往一顆小行星，并把樣本帶回地球。

3 發(fā)展小行星探測器

美國ARM計劃成功的前提是找到符合需求的近地小行星。為此，除了應(yīng)用地面天文設(shè)備外，NASA在2009年發(fā)射的空間望遠(yuǎn)鏡“寬視場紅外測量探測器”（WISE）將在這項任務(wù)中發(fā)揮重要作用。此外，美國過去已發(fā)射了多個小行星探測器，如“近地小行星交會”（NEAR）、“黎明”（Dawn）探測器等，但顯然還無法滿足當(dāng)前的任務(wù)需求。因此，計劃將于2016年9月發(fā)射的“起源、光譜解譯、資源辨識、防護-風(fēng)化層探測器”（OSIRIS-REx）就顯得十分重要。該項目計劃投資大約8億美元，由美國亞利桑那大學(xué)領(lǐng)銜，NASA戈達(dá)德航天飛行中心提供任務(wù)的整體管理、系統(tǒng)工程、安全及保障工作，洛馬公司空間系統(tǒng)分公司負(fù)責(zé)該探測器本體的研制。OSIRIS-REx探測器將于2018年10月抵達(dá)直徑為575m的巖石小行星Bennu（編號1999 RQ36），將對這顆小行星開展詳細(xì)考察，隨后從其地表采集樣品并在2023年帶回地球。

OSIRIS-REx探測器

小行星記錄著有關(guān)太陽系誕生和演化的重要信息，對其樣品進(jìn)行的分析將有助于人類加深對行星形成和生命起源等重要問題的認(rèn)識。除此之外，OSIRIS-REx探測器也將仔細(xì)測量太陽光對小行星的軌道造成的變化，這將幫助天文學(xué)家更好地了解太陽光壓對小行星軌道造成的影響，提升軌道預(yù)測精度，從而有助于保護地球免遭小天體撞擊。

NASA問計全球

NASA的ARM項目在美國國會和學(xué)術(shù)界引發(fā)了一些爭議，例如，在規(guī)定時間內(nèi)是否有一個符合要求的小行星經(jīng)過月地空間，而又不會對地球構(gòu)成威脅；計劃是否真的對火星探索等長期太空探索有益；這個計劃是否會分散NASA實施載人火星探索的精力。但是經(jīng)過NASA解釋和廣泛的討論之后，目前在美國國內(nèi)已取得了基本共識：近地小行星是近期載人太空探索最有價值的目標(biāo)，也是遠(yuǎn)期太空探索“自然的跳板”。這個計劃如能實現(xiàn)，將確保美國在世界航天的領(lǐng)導(dǎo)地位，而其軍事潛力也不言而喻。

當(dāng)前NASA最憂慮的仍然是能否及時找到這顆小行星，因此在2013年6月18日發(fā)起了一項名為“大挑戰(zhàn)”的活動，呼吁全世界所有的組織和團體，無論是私人的還是公共的，無論是學(xué)術(shù)類的還是其他的，都能一起來出謀劃策，尋找目標(biāo)和探討如何完成ARM項目。

太空天體威脅是一個全球性的問題，任何天體都不會受國界的限制而準(zhǔn)確地落入某個國家。因此，預(yù)防太空天體威脅需要各國進(jìn)行廣泛的合作。近年來，聯(lián)合國十分重視應(yīng)對小行星問題的國際合作，專門成立聯(lián)合國近地天體行動小組；歐洲、中國、日本和俄羅斯都在開展小行星的研究和探測工作。歐洲航天局（ESA）在2004年發(fā)射了“羅塞塔”探測器；日本在2003年5月發(fā)射了“隼鳥”探測器，并于2010年6月返回地球，帶回了25143號小行星的巖石微粒；我國嫦娥－2衛(wèi)星于2012年12月13日與4179號小行星由遠(yuǎn)及近擦身而過，首次實現(xiàn)中國對小行星的飛越探測。無疑，這些工作將為今后小行星探索的國際合作打下基礎(chǔ)。（本評論僅代表專家個人觀點，不代表官方或本刊觀點）

黃志澄/文