美國小行星探索之路能走多遠

□□根據2011年7月28日的報道，天文學家研究發現一顆小行星藏在地球繞日軌道上，它已陪伴著地球渡過了至少幾千年的時光。這種小行星被稱作“特洛伊小行星”，盡管其與地球距離比地月遠得多，但由于軌道相近，它是最適合航天員探索的地方之一。美國航空航天局（NASA）在未來15年內很有可能對其進行研究甚至開發。研究者還認為，如果能夠發現更多的“特洛伊小行星”，航天員能在這些小行星上尋找地球匱乏的貴重礦物。這一發現也為科學家研究太陽系開啟了全新的視野。

1 美國財政預算成為載人航天計劃的障礙

2010年4月，美國總統奧巴馬宣布，美國將在2025年之前發射載人登陸小行星任務，但目前并未制定詳細的計劃。由于星座計劃的中止，小行星探測似乎成為航空航天局載人深空探測的唯一目標。

雖然美國航空航天局2010年10月授權法案宣布中止星座計劃，并將其資金轉到其他探索計劃，如小行星探索任務。授權法案還要求美國航空航天局在2016年之前研制并發射重型火箭，這種重型火箭應該能搭載“獵戶座”飛船，在航天飛機和星座計劃基礎上發展的運載火箭是空間站后時代太空探索的關鍵。但是，目前美國白宮和國會在實現一次真正意義上的深空載人探測任務所需的硬件總體結構和時間表

？問題上還沒有達成一致。

為了促成小行星探測計劃的成形，美國航空航天局探索系統任務部（ESMD）組建的載人探索框架研究小組（HEFT）花了將近1年時間對到達小行星、月球甚至火星所需的技術、時間表和預算進行了評估，2011年1月公布了最初評估報告。

載人探索框架研究小組的研究結果并不令人振奮。該研究小組認為，低地球軌道（LEO）以遠的探索所需的重型火箭、深空探測飛船、太空推進系統及相關技術無法在國會要求的最后期限—2016年之前或長期預算規劃之內研制成功，美國航空航天局充其量只能在滿足性能、時間表和預算三個條件中的兩個的基礎上實現小行星探索方案。

美國航空航天局的這次保守評估是對2009年奧古斯丁委員會結論的回應，奧古斯丁委員會的結論認為，相對靜態的資金水平和傳統的采購方式導致了重返月球計劃的中止。

美國參議員比爾·納爾遜和凱·貝莉·哈切森認為，美國航空航天局應該繼續研制重型火箭和“獵戶座”飛船。納爾遜說，航空航天局必須遵循授權法案的要求，在2016年之前研制出新型火箭，并且把研制費用控制在規定的預算以內。

很多長輩一看孩子開始吃飯了，就開始緊鑼密鼓地張羅了，以吃了多少飯作為喂養的第一標準，唯恐在吃上耽誤了娃的發育。甚至還有人鼓動母乳媽媽，添輔食之后就可以斷奶改吃飯了，當真是謠言害娃不淺啊。

美國計劃用2個對接在一起的“獵戶座”飛船實施載人登陸小行星

“獵戶座”飛船與月球著陸器在地球軌道對接后抵達月球概念圖，該計劃已取消

2 無人小行星探測

美國航空航天局要想具備載人登陸小行星能力，需要掌握可能登陸的小行星的更多信息。到目前為止，只有2個探測器對小行星進行過詳細考察，其一是美國“近地小行星交會-舒梅克”（NEARShoemaker）探測器，它于2001年在小行星愛神（小行星433）上著陸；其二是日本隼鳥號探測器（Hayabusa），它于2010年6月從小行星絲川（Itokawa，即小行星25143）表面帶回微量樣本。

即將為人類提供新的小行星數據的探測器是美國黎明號（Dawn），由離子推進器驅動的黎明號探測器在2011年夏季拜訪2顆處于火星與木星之間小行星帶中的大的原行星。2011年8月，黎明號探測器進入環繞灶神星（小行星4）的軌道，繪制其表面的詳細地圖；然后在2015年2月與最大的小行星—谷神星（小行星1）會合；如果任務順利，它將再考察智神星。研究古老的小行星有助于了解太陽系起源。

580km長的灶神星是1顆被熔巖流覆蓋的干燥、表面分化的天體，其礦物成分存在很大變化，這表明該小行星的內層曾經暴露在外；在灶神星的南極區域有1個直徑460km的隕石坑，明顯因撞擊產生，這次撞擊產生的碎片可能以一次性熔化的火成巖隕石（即HED無球粒隕石）的形式到達地球。黎明號探測器對灶神星的在軌測量將有助于研究產生這些火山巖漿聚合物的火山的熱源和類型。

谷神星長度大約980km，它與太陽的距離比灶神星遠一些，而且與灶神星有完全不同的風貌。通過光譜觀測顯示，谷神星的表面是含水的黏土，它的北極可能有一個冰帽，科學家估計，這是在45億年前谷神星形成過程中留下的。

類似谷神星和灶神星這樣的近地小行星距離太陽小于1.3個天文單位，它們是無人深空探測和載人深空探測的潛在目標。美國航空航天局科學任務部和探索系統任務部在未來10年將繼續實施近地小行星探測任務，獲得小行星的詳細知識，如它們各不相同的特性、組成成分和起源。美國航空航天局正在研制“奧西里斯”（OSIRIS）風化層探測者探測器，其任務是從富含不穩定物質的近地小行星1999 RQ36上采集150g樣本并帶回地球。日本宇宙航空研究開發機構的隼鳥－2也將進行小行星采樣返回。

“近地小行星交會-舒梅克”探測器在軌飛行示意圖

此外，美國航空航天局新的近地小行星探測任務“埃莫”（Amor）目前處于概念研究階段，該項目屬于發現計劃中的一項任務，是美國航空航天局太陽系科學探索的優先項目，該項目的主要任務是對未來載人小行星探測計劃提供至關重要的實地考察數據。

“埃莫”探測器將與1個由3顆小行星組成的小行星系統進行交會、著陸和探測。這個近地小行星系統名為2001 SN263，其主星是1顆C型小行星（即含碳量較多），還有2顆很小的衛星。“埃莫”的主要探測目標阿爾法（主星）有2.8km長，2顆小衛星貝塔和伽瑪的長度分別為1.1km和0.4km，貝塔在外側，它圍繞主星阿爾法的軌道直徑30～35km。2001 SN263小衛星系統圍繞太陽的橢圓軌道周期為2.8年，軌道傾角為7°，與地球的最近距離為0.06個天文單位。

黎明號探測器在軌飛行示意圖

“奧西里斯”風化層探測者探測器在軌飛行示意圖

地面設備的光譜觀測數據顯示，2001 SN263是一種C型小行星，這類小行星在小行星帶中占大多數，其上含有揮發性的有機物，這種有機物自45億年前形成以來一直處于相對穩定的狀態。由于C型小行星的反射率低（5%），因此地面設備難以對它們進行詳細觀測，以往的探測器也只對它們進行過遠距離觀測。“埃莫”探測器則將在前所未有的近距離上研究這個神秘的C型小行星系統，并在其表面著陸以獲得直接的科學信息。

“埃莫”探測器采用三軸穩定方式，由美國軌道科學公司（OSC）建造，將在2017年1月由宇宙神－5火箭發射，在經過1次地球引力輔助和幾次小行星飛越之后，探測器將于2021年11月到達2001 SN263小行星。該探測器將對這個小行星系統進行8個月的詳細研究，包括高分辨率制圖、至少2次著陸等。“埃莫”探測器將回答以下問題：

· C型小行星的主要特征；

· C型小行星是否與原始的碳粒隕星有聯系；

· C型小行星上是否富含水和原始有機化合物；

· 由多顆小行星組成的小行星系統是怎樣形成的；

· 地球如何防止被C型小行星撞擊；

· C型小行星能否為未來載人探索提供資源。

在“埃莫”探測器到達2001 SN263小行星之后，它將用其攜帶的近地天體相機（NEOCam）對這個小行星系統的3顆小行星分別拍攝彩色照片，并分別對這3顆小行星的詳細形狀建模；之后，在主星阿爾法上選定著陸點，并在其中1顆衛星上選擇著陸點。通過幾次接近小行星，并對著陸點進行詳細考察之后，探測器將機動進入環繞小行星的軌道，當探測器距離小行星表面大約10m時，在當地的重力場作用下，以很小的微重力狀態自由降落在小行星表面。

“埃莫”探測器一旦在小行星表面著陸，其上類似螺旋鉆的錨會牢牢固定在小行星表面，接著，探測器開始對小行星表面進行1周的考察。這時，探測器上用于測量主要元素組成的光譜儀、放大鏡和顯微鏡相機開始工作，探測器攜帶的機械臂達2m長，能把放大鏡和顯微鏡相機移到與小行星表面相當近的位置，以便對表面礦物質的紋理和結構進行亞毫米級探測。通過這些探測數據，科學家能分析出C型小行星表面與碳粒隕星之間是否存在可能的聯系；如果最終證實兩者之間存在聯系，那么人類可以利用地球上的隕星樣本來分析C型小行星的礦物學、熱演變和資源。

隼鳥－2探測器在小行星著陸采取巖石樣本的瞬間

3 載人探測小行星

未來10年，類似“埃莫”、隼鳥－2等自主探測任務的目標是考察各類近地小行星的特征，并驗證對小行星進行逼近操作、資源探查和著陸等相關技術，這一系列的探測將為航天員登陸小行星做充分的準備。星座計劃的研究和洛馬公司等企業率先提出的概念已經為未來載人登陸小行星的早期任務勾畫出了大概輪廓。

要想具備載人登陸小行星能力，必須首先研制出重型運載火箭和飛出低地球軌道的載人飛船。在具備這些技術之后，通往深空的道路就鋪開了，根據美國的項目優先級別，航空航天局可以搭載拜訪小行星、拉格朗日點或月球表面所需的硬件。

與持續時間只有幾個星期的月球探測任務不同，小行星任務不需要類似長期固定在月球表面的昂貴著陸器或月球基地，但是需要更多的乘員消耗品和居住空間。借鑒“國際空間站”的經驗或運輸居住艙（TransHab）可充氣設計，在推進系統上會增加1個居住艙，然后在低地球軌道或拉格朗日點與乘員再入艙組裝在一起，這樣就形成了一種能夠實現長達數月之久的小行星探測載人航天器。另外，近地小行星載人任務所需的燃料可能需要從軌道加油站中得到補充。

小行星載人探測任務的居住艙應該配備足夠的消耗品、輻射防護屏、鍛煉設備及艙外航天服，并能停靠小型探索飛船。搭載三四名航天員的小行星探測飛船從地球出發并航行數月之后，將會與預先選定的小行星交會，利用小型遙控探測器對小行星表面進行為期幾天的考察，之后，其中的2名航天員會駕駛小型探索飛船—“多任務探索飛船”（MMEV）下降到小行星表面，進行2個星期的實地探測。

運輸居住艙模型

這種“多任務探索飛船”能在小行星表面著陸，對小行星進行物理特征測量，并采集十幾千克的土壤樣本。雖然航天員能穿上艙外航天服在小行星表面進行科學考察，但是“多任務探索飛船”在機動性、活動能力、活動范圍、體力消耗、輻射防護、姿態保持等方面更具優勢。

小行星探測飛船在完成探測任務之后，經過數月航行回到地球軌道，航天員乘坐再入艙攜帶樣本進入大氣層返回，而與此同時，居住艙機動進入高地球軌道，在那里進行燃料補給和在軌整修。

盡管載人深空探測的初期費用很高，但是這種載人航天器能夠在地月系統、小行星附近，甚至在火星上重復使用。具備載人登陸火星的能力仍然是人類深空探索這條持續發展道路的重要目標。■