美國(guó)“小行星重定向任務(wù)”研究

劉映國(guó) （中國(guó)國(guó)防科技信息中心）

美國(guó)“小行星重定向任務(wù)”研究

劉映國(guó) （中國(guó)國(guó)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(guó)奧巴馬政府規(guī)劃的近期載人航天探索目標(biāo)，由機(jī)器人階段和載人飛行階段兩部分組成。其主要任務(wù)是無(wú)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?cè)撌瘔K飛行方向進(jìn)入遠(yuǎn)距離月球逆向軌道，然后由載人航天器與巨型石塊交會(huì)并俘獲，航天員對(duì)石塊進(jìn)行采樣返回?！靶⌒行侵囟ㄏ蛉蝿?wù)”是美國(guó)載人探索火星計(jì)劃的過(guò)渡性項(xiàng)目，旨在為21世紀(jì)30年代載人探索火星演示驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)。同時(shí)，美國(guó)政府實(shí)施該項(xiàng)目計(jì)劃的意圖還在于，彌補(bǔ)“國(guó)際空間站”（ISS）2024年退役后的載人飛行活動(dòng)空白期，并推進(jìn)載人航天飛行技術(shù)與能力創(chuàng)新發(fā)展，爭(zhēng)奪世界航天發(fā)展的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。

“小行星重定向任務(wù)”機(jī)器人階段任務(wù)于2016年7月完成關(guān)鍵決策點(diǎn)B（KDP-B）里程碑評(píng)審，并由美國(guó)航空航天局（NASA）管理機(jī)構(gòu)在8月15日正式批準(zhǔn)。關(guān)鍵決策點(diǎn)B評(píng)審是任何一項(xiàng)航天飛行任務(wù)一系列全壽命里程碑審查計(jì)劃中的關(guān)鍵評(píng)審，標(biāo)志著整個(gè)任務(wù)向發(fā)射前進(jìn)了一大步。在關(guān)鍵決策點(diǎn)B里程碑階段，NASA確定了“小行星重定向任務(wù)”機(jī)器人階段任務(wù)的具體內(nèi)容、所需費(fèi)用和計(jì)劃進(jìn)度，標(biāo)志著該任務(wù)進(jìn)入全面實(shí)施階段。2016年11月17日，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)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(bào)告，提供的專家研究意見是該任務(wù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)十項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)，并為未來(lái)載人深空探測(cè)任務(wù)提供戰(zhàn)略知識(shí)服務(wù)?！靶⌒行侵囟ㄏ蛉蝿?wù)”是美國(guó)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(xiàng)短期載人航天飛行活動(dòng)的第一階段任務(wù)，既有為載人探索火星演示驗(yàn)證技術(shù)與能力的想法，又有保持載人航天戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)的意圖，引發(fā)了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。2017年3月，美國(guó)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(shí)施一項(xiàng)破天荒的機(jī)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(yùn)行方向進(jìn)入圍繞月球的穩(wěn)定軌道。當(dāng)這塊巨石進(jìn)入月球軌道后，由航天員對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，并在21世紀(jì)20年代實(shí)現(xiàn)取樣返回。這個(gè)被稱作“小行星重定向任務(wù)”的計(jì)劃，是NASA在21世紀(jì)30年代實(shí)現(xiàn)載人探索火星系統(tǒng)對(duì)所需技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，并積累航天飛行經(jīng)驗(yàn)工作的一部分。

按照計(jì)劃設(shè)想，“小行星重定向任務(wù)”由機(jī)器人俘獲小行星階段和航天員探測(cè)重定向巨石階段兩部分任務(wù)組成。第一階段任務(wù)計(jì)劃在2020年前后發(fā)射“小行星重定向任務(wù)”機(jī)器人航天器，使用機(jī)械臂從一個(gè)小行星上俘獲一塊巨石，然后將小行星巨石塊收攏，并由機(jī)器人航天器將其運(yùn)行方向改變到圍繞月球的穩(wěn)定軌道上，這一軌道稱作“遠(yuǎn)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(yùn)載火箭發(fā)射“獵戶座”（Orion）載人飛船，運(yùn)送航天員對(duì)重定向的小行星巨石進(jìn)行探測(cè)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(shí)燃盡，而不會(huì)對(duì)人類造成危害。另外，為確保進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定軌道，重定向的小行星巨石塊將選擇月球的遠(yuǎn)距離逆向軌道，從而能夠保證它不會(huì)撞擊地球。

從2013年提出小行星倡議以來(lái)，NASA的“近地目標(biāo)觀測(cè)項(xiàng)目”對(duì)由各類搜尋小組發(fā)現(xiàn)的1000多顆近地小行星進(jìn)行了分類編目。目前，有4個(gè)近地小行星可作為“小行星重定向任務(wù)”的候選目標(biāo)。科學(xué)家期望在未來(lái)幾年能夠搜尋到更多的此類小行星，NASA也將對(duì)這些候選小行星的速度、軌道、體積與旋轉(zhuǎn)情況進(jìn)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(gè)“小行星挑戰(zhàn)大賽”，目標(biāo)是通過(guò)非傳統(tǒng)的協(xié)作與合作方式，以加速NASA找出對(duì)地球具有潛在危險(xiǎn)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(rèn)候選的小行星。

2016年初，NASA將機(jī)器人任務(wù)發(fā)射日期更新為2021年12月。此次評(píng)審后，該任務(wù)的總建設(shè)費(fèi)用也由12.5億美元增加到14億美元，這不包括發(fā)射費(fèi)用和發(fā)射后運(yùn)行階段的費(fèi)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(shí)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(guò)關(guān)鍵決策點(diǎn)B里程碑評(píng)審，NASA批準(zhǔn)“小行星重定向任務(wù)”進(jìn)入下一設(shè)計(jì)階段，并啟動(dòng)機(jī)器人部分的研發(fā)工作。此次評(píng)審確定“小行星重定向任務(wù)”機(jī)器人階段任務(wù)主要是演示相關(guān)技術(shù)，包括：①先進(jìn)、高能、高效太陽(yáng)能電推進(jìn)技術(shù)；②低重力星體周圍自主高速運(yùn)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(dòng)選樣、采集、儲(chǔ)存與返回；④無(wú)人航天器與載人航天器對(duì)接任務(wù)操作技術(shù)。NASA還提出，機(jī)器人階段任務(wù)還將演示行星防護(hù)技術(shù)，以在未來(lái)必要時(shí)能使危險(xiǎn)的小行星偏離其運(yùn)行軌道，從而為地球提供保護(hù)。

2 “小行星重定向任務(wù)”的技術(shù)貢獻(xiàn)

NASA宣稱，小行星是來(lái)自太陽(yáng)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(yáng)系組成與地球上生命起源新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之門。同時(shí)，NASA還強(qiáng)調(diào)，“小行星重定向任務(wù)”將極大推進(jìn)其載人探索火星的步伐，為在21世紀(jì)30年代載人探測(cè)這一“紅色星球”試驗(yàn)提供所需能力。

通往火星的試驗(yàn)場(chǎng)

在過(guò)往的40年里，在太空飛行的航天員始終依賴來(lái)自地球的再補(bǔ)給與運(yùn)行支持，像“阿波羅”（Apollo）飛船與航天飛機(jī)這樣的載人航天器，其任務(wù)持續(xù)時(shí)間僅為數(shù)天或數(shù)周。即使是在近地軌道的“國(guó)際空間站”上，一般航天員在軌停留也只有6個(gè)月。在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，空間站上的航天員幾個(gè)小時(shí)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(yàn)，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(jìn)入遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)系完成其探索任務(wù)。“小行星重定向任務(wù)”中的機(jī)器人任務(wù)和載人任務(wù)對(duì)小行星的探索，將在地-月空間“試驗(yàn)場(chǎng)”進(jìn)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(lái)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(duì)太陽(yáng)與宇宙輻射進(jìn)行更嚴(yán)密的防護(hù)。就現(xiàn)有技術(shù)能力而言，來(lái)往于地-月空間的運(yùn)行時(shí)間比進(jìn)入近地軌道耗費(fèi)時(shí)間要長(zhǎng)，對(duì)航天員來(lái)說(shuō)將需要9～11天，運(yùn)送貨物則需要10～100天。而來(lái)往于火星系統(tǒng)的載人任務(wù)可能會(huì)持續(xù)500天或更長(zhǎng)時(shí)間，其中每次運(yùn)送人員都需要6～9個(gè)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(yàn)場(chǎng)，通過(guò)研發(fā)和試驗(yàn)大量新的技術(shù)與能力，直接促進(jìn)未來(lái)火星任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

太陽(yáng)能電推進(jìn)

使用先進(jìn)的太陽(yáng)能電推進(jìn)技術(shù)，是未來(lái)任務(wù)中將更大載荷運(yùn)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(jìn)由燃燒與噴嘴產(chǎn)生推力方式不同，太陽(yáng)能電推進(jìn)由太陽(yáng)帆板陣列產(chǎn)生的電能形成電磁場(chǎng)來(lái)加速帶電原子，以產(chǎn)生非常低的但推進(jìn)效率高的推力。傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)能源推力是“小行星重定向任務(wù)”采用的太陽(yáng)能電推進(jìn)推力的5～10倍。

在第一階段，機(jī)器人將俘獲并改變從小行星上所收集巨石的運(yùn)行方向，試驗(yàn)這種最大的也是最先進(jìn)的太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)。該任務(wù)還將試驗(yàn)由“航天發(fā)射系統(tǒng)”運(yùn)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(jìn)劑先于載人任務(wù)運(yùn)送到火星上。

軌道控制與導(dǎo)航

在地球重力場(chǎng)與月球重力場(chǎng)作用下，積累使用低推力推進(jìn)系統(tǒng)移動(dòng)像小行星這樣的大質(zhì)量物體的經(jīng)驗(yàn)，有助于為未來(lái)火星任務(wù)研發(fā)更有價(jià)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(yuǎn)距離運(yùn)送更多貨物，其數(shù)量要遠(yuǎn)大于目前運(yùn)送到空間站上的貨物，而現(xiàn)在向空間站運(yùn)送貨物也就耗費(fèi)1～3天的時(shí)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(yùn)送到月球遠(yuǎn)距離逆向軌道，需要完成一系列精準(zhǔn)機(jī)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌道控制。同時(shí)，這些任務(wù)是在長(zhǎng)時(shí)間延遲情況下遠(yuǎn)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(dòng)力平衡與姿態(tài)控制能力，這與提前將貨物運(yùn)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(jī)器人航天器機(jī)動(dòng)、交會(huì)和對(duì)接的裝置。無(wú)論是離開還是進(jìn)入月球遠(yuǎn)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(jìn)入和離開月球遠(yuǎn)距離逆向軌道時(shí)，需要非常精準(zhǔn)的導(dǎo)航能力，就好像是進(jìn)入和離開火星軌道一樣需要這種精準(zhǔn)導(dǎo)航能力。

先進(jìn)航天服

NASA目前在“國(guó)際空間站”上使用的航天服仍是40年前設(shè)計(jì)的，需要定期來(lái)自地球上的物資再補(bǔ)給。航天服作為艙外活動(dòng)單元（EMUS），不能由航天員在太空進(jìn)行維修，而是要返回地球維護(hù)。為在深空和火星表面運(yùn)行而設(shè)計(jì)的航天服，必須對(duì)“基本生命保障系統(tǒng)”（PLSS）進(jìn)行改進(jìn)，因?yàn)樵诨鹦潜砻嬗卸趸即髿鈱哟嬖诘那闆r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(jìn)的“基本生命保障系統(tǒng)”，通過(guò)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(hù)。冷卻系統(tǒng)也將重新設(shè)計(jì)，以確保液體在空間的長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)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(guò)評(píng)估手套的適用性來(lái)改進(jìn)航天服的機(jī)動(dòng)性。目標(biāo)是使新設(shè)計(jì)的“基本生命保障系統(tǒng)”壽命更長(zhǎng)，并可由航天員在太空或火星上進(jìn)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(jìn)行早期探索并為收集小行星樣品進(jìn)行太空行走，同時(shí)也將對(duì)先進(jìn)的“基本生命保障系統(tǒng)”進(jìn)行試驗(yàn)。

樣品收集與儲(chǔ)存技術(shù)

搭乘“獵戶座”飛船的航天員將從改變了運(yùn)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(jìn)行科學(xué)評(píng)估與研究。另外，通過(guò)對(duì)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(zhǎng)期爭(zhēng)論的太陽(yáng)系構(gòu)成等問(wèn)題。一些小行星還可能攜帶有可供未來(lái)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(yàn)將有助于研發(fā)新一代安全的樣品收集和儲(chǔ)存技術(shù)，可使NASA為火星取樣返回做準(zhǔn)備。新樣品儲(chǔ)存技術(shù)能夠確保這些樣品不會(huì)被地球上的微生物污染，同時(shí)也能保護(hù)地球不會(huì)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(duì)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(huì)與對(duì)接裝置

未來(lái)的載人探索火星任務(wù)需要航天器在深空進(jìn)行交會(huì)與對(duì)接的新能力，NASA將改進(jìn)現(xiàn)在用于“國(guó)際空間站”上的“國(guó)際對(duì)接系統(tǒng)”。火星探測(cè)任務(wù)需要首先將居住艙或貨物艙等一些艙段運(yùn)送到地-月空間，然后由航天員艙段與這些艙段完成對(duì)接后再正式飛往火星。航天員從火星表面返回地球時(shí)仍需要與“獵戶座”飛船進(jìn)行再對(duì)接。

通過(guò)“小行星重定向任務(wù)”，NASA將研發(fā)新的交會(huì)與逼近探測(cè)器系統(tǒng)，并通過(guò)機(jī)械與電子裝置將兩個(gè)航天器聯(lián)結(jié)在一起。這些組件對(duì)未來(lái)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(lái)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(yùn)載火箭。這將有效降低自身任務(wù)所需費(fèi)用，也將節(jié)省對(duì)這些硬件系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)所需的時(shí)間。因此，“小行星重定向任務(wù)”不會(huì)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(yàn)，并對(duì)新系統(tǒng)與能力進(jìn)行試驗(yàn)，將更有助于推動(dòng)載人探索火星目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。