被終止的美國小行星重定向任務(wù)

文/ 龐之浩

▲ NASA“獵戶座”載人登小行星示意圖

2017年12月11日，美國總統(tǒng)特朗普正式簽署“太空政策一號(hào)令”，要求美國宇航局（NASA）重啟登月計(jì)劃，為載人登火星奠定基礎(chǔ)，從而徹底改變了前任美國總統(tǒng)奧巴馬以小行星為跳板進(jìn)行載人登火星的載人深空發(fā)展戰(zhàn)略。其實(shí)，早在2017年3月，特朗普政府就終止了奧巴馬當(dāng)政時(shí)NASA實(shí)施的“小行星重定向任務(wù)”（ARM）。那么，什么是“小行星重定向任務(wù)”呢？

奧巴馬當(dāng)選總統(tǒng)后，于2010年4月15日取消了前任總統(tǒng)小布什的重返月球的“星座計(jì)劃”，聲稱美國人已登過月球了，現(xiàn)在應(yīng)該載人登小行星了，提出了“小行星重定向任務(wù)”，然后以此為過渡進(jìn)行載人登火星。

“小行星重定向任務(wù)”擬分三個(gè)階段實(shí)施：選擇小行星目標(biāo)、對(duì)小行星重新定向和載人登陸小行星。2013—2019年完成選擇小行星目標(biāo)任務(wù)，確定1顆小行星作為“小行星重新定向飛行器”（ARV）飛往的目標(biāo)；2020—2024完成重新定向小行星任務(wù)，通過“小行星重新定向飛行器”捕獲、抓拖目標(biāo)小行星至繞月軌道；2025年發(fā)射獵戶座載人飛船登陸小行星，進(jìn)行考察、采樣并返回。

NASA當(dāng)時(shí)表示，小行星是來自太陽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)認(rèn)為，“小行星重定向任務(wù)”將極大推進(jìn)其載人登火星的步伐，試驗(yàn)載人登火星所需的各種能力。

由于來往于地月空間的運(yùn)行時(shí)間比進(jìn)入近地軌道耗費(fèi)時(shí)間要長，所以實(shí)施“小行星重定向任務(wù)”可以在地月空間進(jìn)一步提升未來載人登火星的能力。另外，圍繞月球的深空環(huán)境與來往于火星的所經(jīng)歷的環(huán)境相似，因此需要對(duì)太陽與宇宙輻射進(jìn)行更嚴(yán)密的防護(hù)。它還能作為通往火星的技術(shù)試驗(yàn)場(chǎng)，研發(fā)大量載人登火星的創(chuàng)新技術(shù)。

破天荒任務(wù)

2013年4月10日，NASA向白宮提交了一份“捕捉小行星”的方案，對(duì)外正式公布了“小行星重定向任務(wù)”計(jì)劃：先用“小行星重新定向飛行器”把1顆近地小行星拖至月球軌道；然后發(fā)射載人航天器，使航天員對(duì)該巨石進(jìn)行采樣返回，驗(yàn)證探索火星的相關(guān)技術(shù)，為2035年載人登陸火星做技術(shù)準(zhǔn)備，推進(jìn)載人航天飛行技術(shù)與能力創(chuàng)新發(fā)展。此舉當(dāng)時(shí)在全球產(chǎn)生很大轟動(dòng)。

那么，為什么要捕獲一顆小行星并將其它拖至月球軌道呢？美國解釋說是為了減低載人登陸小行星的風(fēng)險(xiǎn)和成本，并有利于今后開發(fā)小行星、防止小行星撞擊地球等。因?yàn)榘研⌒行峭现猎虑蜍壍篮?，可大大縮短載人飛船飛往小行星的距離和時(shí)間，從而減少宇宙輻射、長期失重等對(duì)航天員產(chǎn)生的生理和心理影響以及飛船的成本。另外，小行星在月球軌道運(yùn)行后，其飛行方向和速度比較穩(wěn)定。如果真能捕獲一顆小行星并將其拖至月球軌道，這將是人類第一次移動(dòng)天體的技術(shù)壯舉。

不過，完成這項(xiàng)任務(wù)需滿足三個(gè)基本條件：一是要物色一顆中等大小的小行星，直徑7米-10米左右、質(zhì)量約500噸，并且這顆小行星上需要有100噸水、100噸富碳化合物、90噸金屬和200噸硅酸鹽。因?yàn)檫@樣大小的小行星便于俘獲，牽引技術(shù)難度較低，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，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。美國曾初步選擇了4顆近地小行星，并對(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。

其次還要準(zhǔn)備一套足夠強(qiáng)大的太陽能離子電推進(jìn)系統(tǒng)，以便能夠?qū)⒉东@的小行星牽引到月球軌道。先進(jìn)的太陽能離子電推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)效率是化學(xué)能推進(jìn)系統(tǒng)的10倍，可以大大節(jié)省燃料消耗。若用化學(xué)能推進(jìn)系統(tǒng)完成此任務(wù)，推進(jìn)劑至少要用200噸；用太陽能離子電推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)劑只需用10噸。在“小行星重新定向飛行器”俘獲與改變從小行星上所收集巨石的運(yùn)行方向時(shí)，將試驗(yàn)這種最大的也是最先進(jìn)的太陽能離子電推進(jìn)系統(tǒng)，其中的大型、高功率太陽電池陣是未來載人深空必須攻克的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

最后是要派人對(duì)這顆有水、有礦的小行星進(jìn)行勘探和開采，從而提前完成美國載人登陸小行星的目標(biāo)。

▲ 獵戶座載人飛船接近“小行星捕獲艙”捕捉的小行星上的巨石示意圖

不過，用“小行星重新定向飛行器”抓拖小行星先后有兩種方案。一種是上面介紹的選擇一顆直徑10米的近地小行星，發(fā)射飛行器到該小行星附近用大袋子罩住它并拖回月球附近。另一種方案是選擇一顆直徑幾百米的近地小行星，然后發(fā)射飛行器在該小行星著陸，采集其上的一塊直徑小于或等于4米的大石頭，最終把它拖回到月球軌道。經(jīng)過反復(fù)研究，NASA決定采用第二種方案。這是因?yàn)閷ふ抑睆?0米的近地小行星很困難，而采用第二種方案容易選擇目標(biāo)小行星，且其所采用的在小行星上軟著陸和抓拖大石頭的機(jī)構(gòu)機(jī)械技術(shù)等許多技術(shù)能用于未來的載人登火星任務(wù)，

直徑500米的絲川、直徑500米的貝努、400米直徑的2008 EV5都是第二種方案的備選目標(biāo)小行星。日本隼鳥探測(cè)器曾對(duì)絲川小行星采樣返回，美國2016年發(fā)射的“奧西里斯”將在2020年對(duì)貝努小行星采樣返回，歐洲計(jì)劃對(duì)2008 EV5小行星采樣返回。所以，事先對(duì)這3顆近地小行星都會(huì)進(jìn)行較細(xì)致的調(diào)查。

在太空撒網(wǎng)

“小行星重定向任務(wù)”第一階段任務(wù)計(jì)劃在2020年12月發(fā)射無人的“小行星重新定向飛行器”， 2年后到達(dá)目標(biāo)小行星。它使用機(jī)械臂從一個(gè)小行星上俘獲一塊巨石，然后將該巨石塊收攏，并由“小行星重新定向飛行器”將其運(yùn)行方向改變到圍繞月球的穩(wěn)定軌道上。

“小行星重新定向飛行器”裝有兩個(gè)太陽能電池板。當(dāng)它靠近目標(biāo)小行星時(shí)原定釋放出一個(gè)直徑約15.2米、帶繩子的巨網(wǎng)或袋子，讓它像手風(fēng)琴一樣膨脹，并通過激光定位設(shè)備使它套住旋轉(zhuǎn)著的目標(biāo)小行星，后來改為使用機(jī)械臂俘獲小行星上的巨石；然后，啟動(dòng)裝有約300千克燃料的太陽能離子電推進(jìn)系統(tǒng)，使該小行星停止自轉(zhuǎn)并拽入近月軌道，此舉耗時(shí)約2.2年。

具體過程是：用宇宙神-5火箭發(fā)射一個(gè)慢速飛行的特制“小行星重新定向飛行器”，它使用太陽能電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)自行飛行前往預(yù)定的小行星，在“小行星重新定向飛行器”接近目標(biāo)時(shí)俘獲小行星上的巨石，隨后飛行器開啟推進(jìn)器推離原有軌道向著月球飛行。

捕獲小行星必將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。首先，要盡快啟動(dòng)對(duì)目標(biāo)小行星的搜索，挑選出符合要求的目標(biāo)小行星，但這并非易事；另外，目標(biāo)小行星會(huì)自轉(zhuǎn)，航天器將其捕獲后要通過推進(jìn)器提供的反作用力“除轉(zhuǎn)”，使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后才能成功拖拽；再有，捕獲小行星后，“小行星重新定向飛行器”的質(zhì)量會(huì)大大增加，使推進(jìn)、導(dǎo)航等方面的難度隨之增加。

未來執(zhí)行火星載人任務(wù)需要從地球上遠(yuǎn)距離運(yùn)送更多貨物，而移動(dòng)小行星上的巨石則有助于為未來火星任務(wù)研發(fā)更有價(jià)值的軌道控制與導(dǎo)航技術(shù)。它需要在時(shí)間延遲情況下遠(yuǎn)距離完成一系列精準(zhǔn)機(jī)動(dòng)。

第二階段任務(wù)是在2025年左右，航天發(fā)射系統(tǒng)（SLS）重型運(yùn)載火箭發(fā)射獵戶座多用途載人飛船，運(yùn)送航天員對(duì)重新定向的小行星巨石進(jìn)行探測(cè)并取樣返回。在進(jìn)行載人登小行星時(shí)，也需要一套與“小行星重新定向飛行器”機(jī)動(dòng)、交會(huì)和對(duì)接的裝置。在深空進(jìn)行交會(huì)與對(duì)接需要改進(jìn)現(xiàn)有的交會(huì)對(duì)接技術(shù)，美國原定通過“小行星重定向任務(wù)”研發(fā)新的交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)。

▲ 美國航天員在海底進(jìn)行相關(guān)訓(xùn)練

▲ 美國擬捕獲小行星示意圖

無論是離開還是進(jìn)入月球遠(yuǎn)距離逆向軌道，在月球表面100公里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。

美國正在研制的SLS新一代重型運(yùn)載火箭， 其近地軌道運(yùn)載能力為70-130噸；正在研制的新一代載人飛船——“獵戶座”具有用途多、載人多和可重復(fù)使用的特點(diǎn)。美國已于2011—2012年，在海底模擬如何載人登陸小行星、如何將宇宙飛船固定或者駕駛飛船圍繞小行星運(yùn)行以及如何采集小行星樣本等訓(xùn)練。

此外，NASA正在研制一種為火星航天員提供保護(hù)的先進(jìn)的“基本生命保障系統(tǒng)”。它能使航天員在火星上進(jìn)行維修，長時(shí)間儲(chǔ)存液體，提高濕度控制、二氧化碳清除和氧氣管理效率。美國原定在“小行星重定向任務(wù)”的載人飛行任務(wù)期間，對(duì)先進(jìn)的“基本生命保障系統(tǒng)”進(jìn)行試驗(yàn)。

為了從火星采樣返回，研發(fā)新一代安全的樣品收集和儲(chǔ)存技術(shù)也很重要，它能使所采樣品不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，并可用于減緩火星塵暴對(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。

為何被拋棄

其實(shí)，“小行星重定向任務(wù)”一問世就遭到很多專家的質(zhì)疑，認(rèn)為難度和風(fēng)險(xiǎn)都很大，不靠譜。

▲ “深空之門”——月球空間站示意圖

另外，“小行星重定向任務(wù)”主要依靠國家推動(dòng)與完成，商業(yè)參與的機(jī)會(huì)并不多。而美國小布什和特朗普當(dāng)政提出的“重返月球”雖是政府主導(dǎo)，但商業(yè)部門可以廣泛參與，且商業(yè)部門對(duì)開發(fā)月球資源很感興趣，從而大大促進(jìn)美國商業(yè)航天技術(shù)與能力的躍升。

還有，“小行星重定向任務(wù)”也與當(dāng)前國際載人航天發(fā)展趨勢(shì)不相吻合，因?yàn)槎砹_斯、中國、歐洲、日本和印度等主要航天國家與組織都以月球作為主要探索目的地，美國如果“一意孤行”，未來可能會(huì)被“孤立”。而改為“重返月球”后，美國在其中能充分發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)和主體作用，打造以美國為首的國際登月聯(lián)盟，帶領(lǐng)和幫助其他國家實(shí)現(xiàn)登月，充分確保其載人航天領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

特朗普的“重返月球”計(jì)劃大體上是與俄羅斯合作研制 “深空之門”月球空間站，它既可用于載人登月，也能作為載人登火星的中轉(zhuǎn)站，包括在月球空間站上進(jìn)行載人地月空間探測(cè)活動(dòng)，組裝、試驗(yàn)、加注載人火星飛船等。

在載人登月方面，美國擬廣泛開展國際合作，提供SLS火箭和獵戶座多用途飛船，登月艙下降段由日本研制，重復(fù)使用的上升段由歐空局研制，月球車由加拿大研制。作為中轉(zhuǎn)的“深空之門”也是如此，美國只提供服務(wù)艙，通信艙由歐空局負(fù)責(zé)，居住艙由歐空局和日本負(fù)責(zé)，加拿大提供機(jī)械臂，俄羅斯提供氣閘艙。

美國有望通過牽頭實(shí)施“重返月球”計(jì)劃，以經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的方式繼續(xù)保持載人深空探測(cè)領(lǐng)導(dǎo)地位。

不過，雖然“小行星重定向任務(wù)”已被終止，但美國仍將保留部分關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。其很多技術(shù)也可用于未來的航天項(xiàng)目。另外，美國的小行星探測(cè)仍在繼續(xù)。2016年9月8日，美國發(fā)射了奧西里斯小行星探測(cè)器，它將于2020年接近近地小行星貝努，進(jìn)入小行星軌道并開始進(jìn)行詳細(xì)地表成像。隨后，根據(jù)獲取的詳細(xì)地表圖像精心選擇一個(gè)地點(diǎn)，伸出機(jī)械臂采樣，并送回地球進(jìn)行研究。