近地小行星探測(cè)目標(biāo)選擇

焦維新，鐘俊

1 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 1008712 中國(guó)科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

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近地小行星探測(cè)目標(biāo)選擇

焦維新1，鐘俊2

1 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 1008712 中國(guó)科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

從數(shù)以萬(wàn)計(jì)的近地小行星(NEAs)中選擇探測(cè)目標(biāo)，是一項(xiàng)非常重要的工作.選擇小行星時(shí)需要考慮的主要問(wèn)題是：NEAs的軌道參數(shù)、自旋周期、大小、科學(xué)價(jià)值、表面特征以及到達(dá)NEAs的時(shí)間.本文采用排除法從眾多近地小行星中確定候選者，并根據(jù)科學(xué)目標(biāo)的要求確定最終探測(cè)目標(biāo).

近地小行星；目標(biāo)選擇；速度增量；自旋周期

1 引言

隨著探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)近地小行星(NEAs)的探測(cè)格外重視，國(guó)外已經(jīng)發(fā)射了多顆小行星探測(cè)器，我國(guó)的一些單位也正醞釀探測(cè)小行星.面對(duì)這種態(tài)勢(shì)，有的學(xué)者認(rèn)為，未來(lái)行星科學(xué)的研究將進(jìn)入小行星學(xué)時(shí)代.

小行星的科學(xué)研究?jī)r(jià)值是巨大的，概括來(lái)說(shuō)有以下幾方面：

(1) 小行星是太陽(yáng)系誕生時(shí)留下來(lái)的碎片，對(duì)小行星的研究有助于研究太陽(yáng)系的起源與演變；

(2) 一些小行星含有豐富的水和有機(jī)物，對(duì)于研究生命的起源與演化有重要意義；

(3) 小行星表面成分影響雅克夫斯基效應(yīng)，而這種效應(yīng)直接影響小行星軌道的變化.為了確切了解軌道變化，分析撞擊地球的危險(xiǎn)性，深入了解小行星的表面成分是非常重要的；

(4) 一些小行星含有重要的資源，如稀有金屬.確切了解小行星的資源分布，是開(kāi)發(fā)和利用小行星資源的前提.

當(dāng)然，對(duì)于一次探測(cè)活動(dòng)，不可能涵蓋如此多的科學(xué)目標(biāo)，總是有所側(cè)重.

探測(cè)是研究的基礎(chǔ)，但與探測(cè)大天體相比，小行星探測(cè)面臨許多新問(wèn)題，這些問(wèn)題包括：

(1) 近地小行星數(shù)量巨大，截止到2016年7月19日，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了14557顆.從如此眾多的天體中選擇探測(cè)目標(biāo)，其難度可想而知.

(2) NEAs的軌道各異，如軌道傾角、偏心率、自旋周期、半主軸長(zhǎng)度等參數(shù)相差很大.根據(jù)美國(guó)NASA噴氣與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)給出的NEAs數(shù)據(jù)，NEAs軌道傾角的范圍是0.02°～154°；偏心率的范圍是0.062～0.999.自旋周期的范圍是4 min到700多小時(shí).因此與這些小行星進(jìn)行軌道交會(huì)所需要的能量也相差很大.如何權(quán)衡科學(xué)目標(biāo)和探測(cè)成本，也是值得考慮的重要問(wèn)題.

(3) NEAs的大小相差很大，直徑從1 m到33 km.

(4) 按成分劃分，NEAs可分為C型、M型和S型等，各種類(lèi)型的成分相差較大.而且表面形態(tài)各異，這些因素既影響到科學(xué)目標(biāo)的選擇，也直接關(guān)系到著陸和取樣的方法.

(5) NEAs的引力一般都很低，與在大天體上的EDL(進(jìn)入、減速與著陸)很不相同，一般不存在嚴(yán)重撞擊目標(biāo)天體的問(wèn)題；相反，往往是要注意著陸后的彈跳出逃問(wèn)題，因此，很多情況下需要考慮固定方法.

(6) 對(duì)NEAs表面的地質(zhì)特征、形態(tài)特征等情況了解甚少，這就給著陸器的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的不確定性.如有的是巖石的表面，有的有“土壤”層；對(duì)于這兩種情況，著陸的方式就很不相同；而且往往是在探測(cè)器抵近小行星后才能了解這些具體情況，因此，著陸器的設(shè)計(jì)要適應(yīng)比較大范圍的表面情況.

本文討論如何選擇近地小行星作為探測(cè)目標(biāo)問(wèn)題.分析時(shí)采用排除法，也即從近地軌道轉(zhuǎn)移到與目標(biāo)小行星交會(huì)軌道所需要的能量、小行星大小、小行星自旋周期、小行星可能撞擊地球的概率等方面，逐層次地加以排除，最后再根據(jù)科學(xué)目標(biāo)的要求從小數(shù)量的候選者中確定最終目標(biāo).

2 選擇探測(cè)目標(biāo)的判據(jù)

2.1 速度增量

選擇探測(cè)目標(biāo)需要考慮的一個(gè)重要因素是速度增量(the minimum velocity increments,Δv)(Lau and Hulkower，1987)，也就是從近地軌道(如400 km高度)轉(zhuǎn)移至與目標(biāo)小行星交會(huì)軌道所需要的速度變量盡可能小，以便節(jié)省能量.作為參考，與火星交會(huì)所需的速度增量是6.3 km·s-1，與月球交會(huì)是6.0 km·s-1.Δv的計(jì)算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)(Perozzi，et al.,2001).影響Δv的因素很多，主要涉及小行星的軌道傾角(i)、軌道偏心率(e)和遠(yuǎn)日點(diǎn)距離(Q)，而且是由這些參數(shù)的綜合因素決定的，單獨(dú)看與某個(gè)參數(shù)的關(guān)系并不顯著(Stacey and Connors,2009).

近年來(lái)，NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室在網(wǎng)站(http:∥echo.jpl.nasa.gov/)直接公布了NEAs的Δv數(shù)據(jù).到2016年7月19日，共發(fā)現(xiàn)近地小行星14557顆.圖1為所有NEAs的Δv分布直方圖，其中Δv<6.2 km·s-1的只有3618顆.圖2為Δv與NEAs幾項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系.

圖1 近地小行星(NEA)的速度增量(Δv)分布Fig.1 Histogram of the velocity increment (Δv) of the NEA

2.2 NEAs的大小

目標(biāo)小行星的尺度不能太小，如果太小，則引力很小，探測(cè)器著陸時(shí)會(huì)遇到困難；另外，尺度太小的小行星表面一般沒(méi)有或很少有風(fēng)化層，即通常所說(shuō)的“土壤”.沒(méi)有土壤，著陸固定和取樣都有困難.體積很小的小行星一般自旋比較快，這也給安全著陸帶來(lái)困難.

綜合以上考慮，一般要求小行星的尺度大于200 m，或者要求H<21(H為絕對(duì)星等).如果考慮的小行星尺度的限制，則可將上述3618顆的候選范圍縮小到376顆，見(jiàn)圖2d中陰影區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布.而在這376顆小行星中，有4顆已經(jīng)被國(guó)外進(jìn)行了著陸探測(cè)或已被列為探測(cè)目標(biāo)，這樣，待選目標(biāo)為372顆.

圖2 近地小行星速度增量Δv與軌道傾角(a)、偏心率(b)、長(zhǎng)半軸(c)以及絕對(duì)星等(d)的關(guān)系2d中位于綠色方框區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)為考慮Δv大小及絕對(duì)星等(或小行星尺度)篩選出的未來(lái)NEAs探測(cè)候選目標(biāo).Fig.2 Velocity increment (Δv) for rendezvous as a function of (a) inclination,(b) eccentricity,(c) semimajor axis and (d) absolute magnitude.In Fig 2d,the data located in the box (green) are the selected potential targets for the future ENAs mission according to the suitable values of Δv and the absolute magnitude (or diameter)

2.3 自旋周期

在考慮著陸或取樣返回探測(cè)方式中，小行星的自旋周期是需要認(rèn)真考慮的問(wèn)題.如果自旋周期太短，著陸器難以選擇合適的著陸點(diǎn)，因?yàn)樵谥戇^(guò)程中，小行星表面的預(yù)選目標(biāo)點(diǎn)就移動(dòng)了很大距離，使得著陸器在指定地點(diǎn)著陸的難度增大.

小行星的自旋周期與大小和類(lèi)型有關(guān)(Dermott and Murray,1982).但這個(gè)關(guān)系比較復(fù)雜，一般我們根據(jù)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)了解NEAs自旋周期的情況.因此，在確定探測(cè)目標(biāo)之前，要通過(guò)雷達(dá)等探測(cè)手段，對(duì)預(yù)選小行星的自旋周期有所了解.目前，國(guó)外有些網(wǎng)絡(luò)公布了一些NEAs這方面的數(shù)據(jù)(http:∥earn.dlr.de/nea/table1_new.html).圖3為已有觀測(cè)數(shù)據(jù)的小行星自旋周期與直徑的關(guān)系.從現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)據(jù)看，很少發(fā)現(xiàn)直徑小于200 m的小行星自旋周期長(zhǎng)于2 h，也很少發(fā)現(xiàn)直徑大于500 m的小行星自旋周期短于2 h.在上述372顆待選小行星中，有自旋周期數(shù)據(jù)的只有80多顆，已知有4顆的自旋周期短于2 h，因此預(yù)選范圍縮小到368顆.

2.4 NEA類(lèi)型

小行星表面對(duì)反射光譜反應(yīng)了其本身物質(zhì)的組成.根據(jù)小行星的反照率和光譜特性，可將小行星分為A、V、E、M、S、C、B、G、F、P、D等眾多類(lèi)型(Tholen,1984;Bus and Binzel,2002).其中C、S和M類(lèi)是最早的分類(lèi)，C表示碳，S表示硅，M表示金屬.其含義如下：

圖3 近地小行星自旋周期與直徑的關(guān)系Fig.3 Scatter plot of the ENA spin period versus the diameter for all available data

C類(lèi)：極暗，反照率約0.03，硅酸鹽和不透明物(碳)，類(lèi)似碳質(zhì)球類(lèi)隕石.約占已知小行星的75%.集中在2.8AU附近的小行星是C型小行星，它們的譜很平坦，在紫外有吸收.這種譜特征表明在這個(gè)區(qū)域內(nèi)小行星的表面發(fā)生過(guò)含水的變化過(guò)程.

S類(lèi)：靠近太陽(yáng)的小行星大多數(shù)是S型.相對(duì)亮，反照率為0.10～0.22，硅酸鹽+金屬的混合，類(lèi)似鎳鐵石隕石，約占已知小行星的17%.

M類(lèi)：亮，反照率為0.10～0.18，純鎳鐵.

如果目的是研究太陽(yáng)系的起源和演變，選擇C類(lèi)小行星比較合適；如果目標(biāo)是研究資源，選擇M類(lèi)小行星比較合適.

根據(jù)小行星的類(lèi)型，又可以縮小選擇范圍.

2.5 表面物質(zhì)的形態(tài)

表面物質(zhì)的形態(tài)與著陸固定和取樣方法有密切的關(guān)系.例如，如果表面是堅(jiān)硬的巖石，沒(méi)有風(fēng)化層，著陸固定和取樣都比較困難，需要采取特殊的方法.表面形態(tài)與小行星大小有關(guān)系，如果NEAs的尺度小于200 m，基本上沒(méi)有風(fēng)化層.確定是否有風(fēng)化層的最好方法是用雷達(dá)探測(cè)表面物質(zhì)的極化比.

2.6 撞擊地球的概率

綜合軌道特征和大小，有一類(lèi)小行星撞擊地球的危害性較大，將它們稱(chēng)為對(duì)地球有潛在危險(xiǎn)的小行星(PHA).為了給出PHA的確切定義，先引入一個(gè)概念，最小軌道交會(huì)距離(MOID).MOID定義為兩個(gè)天體軌道間的最小交會(huì)距離.MOID可以作為小行星與行星之間碰撞的早期指示.如果地球與小行星之間的MOID比較大，則在近期不會(huì)發(fā)生碰撞；如果MOID比較小，則應(yīng)密切關(guān)注小行星軌道的變化，因?yàn)樗赡艹蔀樽矒粽?

在國(guó)外的一些網(wǎng)站中，已經(jīng)給出了PHA的MOID數(shù)據(jù)，可根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷PHA撞擊地球的潛在危險(xiǎn)性；另外，美國(guó)NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室還設(shè)立了專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)站，展示PHA撞擊地球的概率，這些內(nèi)容不斷更新.ESA也有類(lèi)似的網(wǎng)頁(yè)，根據(jù)這兩個(gè)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，當(dāng)前撞擊地球概率最大，而且直徑大于200 m以上的PHA有32顆.

根據(jù)上述6個(gè)判據(jù)，我們可以將近地小行星的探測(cè)目標(biāo)壓縮到100顆以?xún)?nèi)，再根據(jù)其他觀測(cè)數(shù)據(jù)和選定的科學(xué)目標(biāo)，選擇出最合適的目標(biāo)小行星.

3 討論

3.1 制定合理的小行星探測(cè)目標(biāo)選擇判據(jù)是一項(xiàng)重要的工作

正如本文第二部分所分析的，近地小行星的數(shù)量巨大，而且發(fā)現(xiàn)數(shù)量以每年1000顆左右的速度增長(zhǎng)，這給小行星探測(cè)目標(biāo)的選擇帶來(lái)困難.本文提出的6項(xiàng)判據(jù)，有定量也有定性分析，這在目前的情況下是比較切合實(shí)際的.因?yàn)橛行┮蛩夭荒芏康姆治觯行﹨?shù)目前只有少量探測(cè)數(shù)據(jù).

3.2 對(duì)有特殊性質(zhì)的小行星可以放寬條件

本文采用的Δv和H限定值可以使目標(biāo)選擇范圍大大縮小，但也將某些有特殊性質(zhì)的小行星排除在外.例如小行星2011 UW158，許多網(wǎng)站稱(chēng)其含有豐富的資源，但這顆小行星的自旋周期只有0.61073小時(shí).如果對(duì)資源探索特別感興趣，也可以將其納入探測(cè)目標(biāo).

在美國(guó)NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室哨兵風(fēng)險(xiǎn)表中列為撞擊概率最大的小行星2009 FD，其Δv值是7.661 km·s-1，超出我們給出的6.2 km·s-1的限制值.但如果對(duì)近地小行星撞擊地球的問(wèn)題特別關(guān)心，運(yùn)載火箭擁有這個(gè)能力，也不排除將其作為探測(cè)目標(biāo).

3.3 建議國(guó)內(nèi)欲探測(cè)小行星的單位加強(qiáng)聯(lián)合

探測(cè)小行星不同于發(fā)射一顆低地球軌道小衛(wèi)星，工程的復(fù)雜程度不亞于探測(cè)大行星，因此，呼吁有關(guān)單位加強(qiáng)聯(lián)合，發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，盡快制定出符合我國(guó)國(guó)情的探測(cè)總體方案.首先要經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，確定一個(gè)小的探測(cè)目標(biāo)范圍，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步地面觀測(cè)和分析國(guó)外探測(cè)數(shù)據(jù)，從中選擇一個(gè)探測(cè)目標(biāo).在制定具體探測(cè)方案的過(guò)程中，再對(duì)這顆小行星進(jìn)行地面觀測(cè)，以便更多地了解其特性，為具體方案的實(shí)施創(chuàng)造有利條件.在這方面我們可以借鑒美國(guó)的經(jīng)驗(yàn).美國(guó)在選定目標(biāo)前，曾對(duì)小行星貝努(Bennu)進(jìn)行了大量的觀測(cè).初步確定目標(biāo)后，利用Bennu每6年靠近地球一次的機(jī)會(huì)，在1999—2000、2005—2006年以及2011—2012年間，專(zhuān)業(yè)及業(yè)余天文學(xué)者，對(duì)Bennu進(jìn)行了561次CCD和29次雷達(dá)觀測(cè)，獲得了大量數(shù)據(jù)，為確定探測(cè)目標(biāo)和探測(cè)方式提供了充分的依據(jù).

Bus S J,Binzel R P.2002.Phase II of the small main-belt asteroid spectroscopic survey:A feature-based taxonomy.Icarus,158(1):146-177.

Dermott S F,Murray C D.1982.Asteroid rotation rates depend on diameter and type.Nature,296(5856):418-421.

Lau C O,Hulkower N D.1987.Accessibility of near-earth asteroids.Journal of Guidance,Control,and Dynamics,10(3):225-232.

Perozzi E,Rossi A,Valsecchi G B.2001.Basic targeting strategies for rendezvous and flyby missions to the near-Earth asteroids.Planetary and Space Science,49(1):3-22.

Stacey R G,Connors M.2009.Delta-v requirements for earth co-orbital rendezvous missions.Planetary and Space Science,57(7):822-829.

Tholen D J.1984.Asteroid taxonomy from cluster analysis of photometry[Ph.D.thesis].Tucson,AZ,USA:University of Arizona.

(本文編輯 汪海英)

Identifying potential targets for future near-Earth asteroid exploration

JIAO Wei-Xin1,ZHONG Jun2

1 School of Earth and Space Science,Peking University,Beijing 100871,China2 Key Laboratory of Earth and Planetary Physics,Institute of Geology and Geophysics, The Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China

Selecting a suitable target for a space mission from huge number of discovered near-Earth asteroids (NEAs) has become a matter of immediate concern.The most important factors to consider in targets selection are:the global minimum total velocity increments (Delta-v);travel time to and from the target;NEA orbital parameters,spin cycle,size,expected mineralogical composition;surface morphologies.Based on these factors and the scientific purpose,we identified about hundreds potential targets for the space mission through the exclusive method.The results provide a basic reference for the choice of next-generation mission targets.

Near-Earth asteroids;Target selection;Delta-v;Spin cycle

焦維新，鐘俊.2016.近地小行星探測(cè)目標(biāo)選擇.地球物理學(xué)報(bào)，59(11):3955-3959,

10.6038/cjg20161102.

Jiao W X,Zhong J.2016.Identifying potential targets for future near-Earth asteroid exploration.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(11):3955-3959,doi:10.6038/cjg20161102.

國(guó)家自然科學(xué)基金(41374181)資助.

焦維新，男，1946年生，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授，主要從事空間天氣學(xué)和空間探測(cè)技術(shù)研究.E-mail：jiao@pku.edu.cn

10.6038/cjg20161102

P142

2016-02-04，2016-07-28收修定稿