如何將小行星改成武器

□ 吳國興

編者按：本刊在今年第6期和第8期介紹了把小行星作為武器的威力，本文介紹了美國小行星任務的三個階段以及每一階段的主要任務和關鍵技術。重點分析第二階段和第三階段中美國航宇局（NASA）沒有公開說明的部分，即第二階段的月球遠程逆行軌道和第三階段中航天員的作用和任務。作者認為：月球遠程逆行軌道與小行星重定向沒有明顯關系，該軌道主要是用來部署小行星太空武器，它是小行星武器的理想軌道；在第三階段中用自動化裝置或機器人即可完成在小行星上采集樣品，完全不需要航天員，航天員到上面的真正目的是完成小行星的武器化改裝，即將自然小行星改裝成真正的太空武器。作者觀點不代表本刊立場。

美國“小行星重定向計劃”分三個階段執行：第一階段，尋找和發現適當數量并滿足條件的候選小行星，然后從候選小行星中選定要捕獲的目標小行星；第二階段，對選定的小行星進行捕獲并搬運到月球遠程逆行軌道上，這些工作是由機器人來完成；第三階段，由航天員乘坐“獵戶座”載人飛船與小行星交會，并從小行星上采集標本，然后返回地球。在這三個階段中每一階段都有各自的目標、任務和關鍵技術。對于第一階段，更確切的說應該是小行星任務的準備階段，這一階段雖然沒有明確的關鍵技術，但這一階段的結果對整個小行星計劃的完成至關重要。

小行星“絲川”上的平坦區域繆斯海

小行星“絲川”全貌

如何尋找和挑選小行星

NASA尋找小行星的任務分地面和太空兩方面進行：地面的尋找主要是亞利桑那州的“卡塔利娜巡天計劃”（任務就是發現小行星和彗星）；使用夏威夷的全景巡天望遠鏡和快速反應系統；還有是使用新墨西哥州的太空監視望遠鏡。太空尋找主要使用天基廣角紅外探測望遠鏡。NASA的專家說，通過使用多種尋找手段，該局每月可以找到100多顆小行星，每年可找到1000多顆。目前已經尋找到1萬多顆，而且95%是直徑在1千米以上的小行星。

找到小行星后還要按標準進行篩選。在小行星重定向計劃中候選小行星有兩個方案：A方案和B方案。A方案是捕獲一顆直徑在4米～10米、質量不超過1000噸的完整小行星，然后將它搬運在月球遠程逆行軌道上；B方案是在一顆直徑為100米以上的大型小行星上抓取一顆直徑僅有2米～4米的大卵石，卵石重在10噸～70噸之間。

這兩個方案各有優缺點。對于A方案，優點是這種小行星的數量眾多，數以百萬計，而且捕獲操作也相對簡單；缺點是對這種小行星的組成、結構、大小和密度都缺乏深入了解，而且可能旋轉速度比較快，另外如果小行星的體積和密度太大，可能會增加完成任務的風險。

對于B方案，優點是對小行星的質量沒有嚴格限制，容易篩選出比較理想的目標小行星，而且這種小行星一般旋轉速度不會太大，因而降低了操作風險；缺點是必須首先確定卵石的組成成分與大型小行星上的是否一致，而且是否可以方便的從大型小行星上獲取。為了獲取這些信息，NASA可能還需要先發射一艘飛船去探測清楚。NASA目前對這兩個方案同時進行研究，估計在今年年底之前通過風險評估會從兩個方案中初步選取一個。因為小行星捕獲飛船的發射預計是在2019年，可能要到發射前一年，才能最后選定。

不同方案選擇小行星的標準不同。A方案的選擇標準是：具有像地球一樣圍繞太陽運行的軌道；在本世紀20年代早期接近地球；小行星的最寬處不能大于10米。B方案的標準是：小行星在軌道運行時不太容易被其他小行星碰撞；小行星的最寬處在100米～500米之間；小行星的轉速每分鐘不能大于2圈。

目前已給每個方案分別選擇了3顆候選小行星。A方案的是：2009BD、2013EC20和 2011MD。B方案的是：小行星 25143，又名“絲川”；2008EV5和第101955號小行星“Bennu”。日本的“隼鳥”號探測器曾于2005年訪問過“絲川”；美國的“起源、光譜釋義、資源識別、安全、風化層探測器”（OSIRIS-Rex）將于2016年訪問“Bennu”。2011MD不像是單一的、堅實的、塊狀的小行星，它內部65%是孔隙，也就是說它的內部三分之二是空的。因此這顆小行星更像是一堆松散的瓦礫被引力吸引在一起。

對于B方案，一些專家比較看好“絲川”。“絲川”的體積是535×294×209米， 質 量 3.5×1010千克。“絲川”具有以下優勢：它滿足了NASA選擇小行星的所有標準；由于日本的“隼鳥”號已經訪問過這顆小行星，因而使NASA可以借鑒日本的經驗，少走彎路；“隼鳥”號發現這顆小行星上有許多卵石。數據表明：小行星上直徑2米～5米的卵石多達數千塊。另外，這顆小行星的表面有20%的區域是比較光滑和平坦的，其中有一塊比較大的平坦區域稱為繆斯海，最寬處達60米，上面布滿數以百計的卵石。

第二階段的關鍵技術

美國“小行星重定向計劃”第二階段的主要任務是使用一艘無人的小行星重定向飛船對小行星進行交會、捕獲和返回，最后將小行星放置在所謂的月球遠程逆行軌道上。無人飛船由兩個艙組成：任務艙和太陽能電推進艙。任務艙包括航天電子艙、傳感器組件和捕獲機構；太陽能電推進艙包括飛船的所有推力和電力系統。第二階段的關鍵技術是太陽能電推進技術、小行星捕獲技術和月球遠程逆行軌道。

太陽能電推進技術和太陽能電推進艙

太陽能電推進技術是一種具有高比沖、高功率和高效率的推進技術，NASA在很多場合都強調太陽能電推進技術的重要性，認為這是小行星重定向計劃的關鍵技術。NASA在其官網上說，太陽能電推進技術是NASA一直在開發的關鍵技術。這種技術不僅安全性好，成本低，而且具有卓越的推力，能夠保證完成NASA在內太陽系的各種探測任務，如到達火星和小行星等。NASA負責小行星計劃的一位高級官員說：“這種大功率的太陽能電推進技術非常適合于小行星任務，如果沒有這項技術，我們不可能提出小行星重定向這樣的任務。”

美國航宇局的太陽能電推進系統

雖然太陽能電推進技術并不是NASA的專利，俄羅斯、歐洲空間局、日本和我國都在開發這種技術，只不過NASA目前在這方面可能走在前頭。NASA對這種技術的開發已經有20多年的歷史，前幾年的研究主要是圍繞人類的火星飛行和月球探測任務。NASA在決定小行星任務時將這種系統稱為“大力士”。專家估計，在小行星任務中使用這樣的系統可以將發射質量減少50%。

小行星重定向飛船上的太陽能電推進艙由離子推進器、太陽電池陣、機械結構、熱控系統和反應控制系統五個分系統組成：

離子推進器分系統包括4個配有萬向支架的霍爾推進器和裝有10000千克氙氣的8個無縫氙氣箱。霍爾推進器是一種供航天器用的基于等離子的推進系統。在過去30年中，俄羅斯有100多臺霍爾推進器在太空運行。美國目前最先進的霍爾推進器是BPT-4000，這種推進器在美國空軍的極高頻衛星上使用。這種推進器的功率水平高達4.5千瓦，比沖2000。不過NASA的小行星任務要求功率水平達到10千瓦，比沖3000。

50千瓦的太陽能電池陣列分系統還包括太陽能電池陣列的驅動器，電源管理和電力分配系統。這種太陽能電池陣列是一種高功率、高強度和長壽命的列陣，由兩個直徑為10.7米的圓形列陣組成。這種太陽能電池的特點是能耐受空間宇宙輻射的損傷，使用壽命在15至20年。

專家估計，將來要捕獲和重定向直徑更大的小行星，特別是作為武器用的小行星，還需要研制更先進的太陽能電推進系統，這種系統的操作功率至少應在300千瓦以上，推進劑氙氣儲箱的儲存能力應在40000千克以上，而且整個系統的使用壽命應在兩到四萬小時以上。

小行星的捕獲過程和捕獲系統

小行星重定向任務的第二階段是無人飛船與小行星交會與捕獲。除了交會與捕獲外，這一階段還包括飛船接近小行星和對小行星的特征觀測。在對小行星的特征觀測時，飛船的位置和姿態是在以小行星為中心的參照系中進行運動，并通過不同角度的照明來對小行星進行觀察，以進一步確定其形狀和旋轉狀態。

飛船應該在交會前幾個月就通過圖像和測量儀器確定小行星的具體位置。由于小行星只有7米～10米寬（按照第一方案），飛船只有在10萬千米～20萬千米時才能發現目標。當距離小行星1.6千米時，飛船開始靠近小行星并在小行星周圍漫游；當距離為150米時，飛船就要較長時間停在那兒，并用雷達高度計來保持這個位置，同時使用光譜儀來測量小行星的表面組成，用1赫茲～2赫茲的幀頻攝像機來確定小行星的旋轉狀態。

捕獲操作最大的困難是小行星都是處于不停的旋轉或滾翻狀態。好在多數小行星的自旋速率是每分鐘低于2轉，當然也有少數自旋速率比較高的。NASA為此準備了兩種捕獲策略：被動式捕獲和主動式捕獲。

A方案的小行星捕獲機構

“隼鳥”號探測器“絲川”小行星上采樣

OSIRIS-REx計劃中的探測器在小行星表面采集樣本

由于小行星計劃在目標小行星的選定上有兩個方案，不同方案當然需要不同的捕獲機構。目前對于A方案的捕獲機構比較成熟，為了要捕獲一顆完整的小行星，NASA主要使用一種呈圓筒形的高強度的軟式充氣袋。捕獲時要求飛船配合小行星的旋轉，同時迅速膨脹空氣袋，將小行星“鎖進”袋中，然后裝進飛船內。這種捕獲系統除了通過充氣來展開充氣袋以外，還有捕獲臂以及用來束緊袋子的纜繩。當袋子充氣并硬化時，至少4條捕獲臂伸出并將袋子口張開。張開口的袋子大約長10米，直徑15米。設計這種捕獲機構的目的是為了可以捕獲不同形狀、不同強度、不同結構和不同旋轉速率的小行星。

小行星的捕獲過程大約分五步：一是抓住小行星，并用袋子將它罩住；二是將小行星拖進飛船內；三是活動一下小行星，讓小行星在袋子內保持穩定；四是將捕獲過程中從小行星外表脫落下來的結構材料重新粘貼在小行星上；最后將小行星固定好，完整運到月球遠程逆行軌道。整個過程都是由機器人來完成。

對于B方案，即從一顆大型的小行星表面抓取一塊2米～4米寬的大卵石，NASA對這種大卵石的捕獲機構有兩種設計：懸停式和接觸式。顧名思義，所謂懸停式就是飛船懸停在小行星上空，沒有降臨在小行星上；而所謂接觸式就是飛船降落在小行星表面，與小行星接觸。目前NASA對這兩種設計還在作進一步評估和研究。

月球遠程逆行軌道

按照NASA的小行星重定向計劃，當無人的小行星重定向飛船將捕獲到的小行星經過漫長的地-月空間運送到月球并放置在月球遠程逆行軌道上時，第二階段的任務才算完成。什么是月球遠程逆行軌道？為什么要將捕獲來的小行星放置在這種軌道上？特別是將小行星放置在這樣的軌道上對小行星重定向任務有何特殊意義？這些是需要詳細討論的。

首先，什么是月球遠程逆行軌道？

在討論月球遠程逆行軌道前我們先要弄清什么是逆行軌道？在我們的太陽系內，所有的行星都是圍繞著太陽運行，而且是沿著與太陽旋轉方向相同的方向運行，這種運行稱為順行運行，這種運行所形成的軌道稱為順行軌道，反之則稱為逆行軌道。在太陽系內，大部分行星自身的旋轉方向也是跟太陽一樣，稱為順行旋轉，不過金星和天王星除外，這兩顆行星是逆行旋轉。另外，大部分行星的衛星也是與行星旋轉方向相同的方向運行，即在順行軌道上運行，但天王星的衛星不同，天王星的衛星與天王星的自轉相同，但與太陽的旋轉相反。還有一些衛星是在逆行軌道上運行，不過這些衛星一般比較小、而且距離行星較遠（如海王星的衛星）。天文學家認為，這些衛星一般是在其他地方形成的，然后被某些行星捕獲到自己的軌道上。

“隼鳥”號探測器的返回艙

繞地和繞月軌道對比

月球的逆行軌道為什么稱為“遠程”，這是因為這條軌道距離月球70000千米。這可能是各種軌道中最遠的，地球的靜止軌道距離地面才35786千米，因此這條月球軌道比地球靜止軌道還要高出一倍。為什么要選用這樣的高度？專家認為主要是為了保證軌道的穩定性。這條軌道又稱為“隔離軌道”，因為它可以避開各種“引力效應”，減少“小行星擾動”，從而使小行星在這條軌道上保持100年以上的穩定。

第二，為什么要將捕獲來的小行星放置在月球遠程逆行軌道上？

美國凱克空間研究所在2012年的《小行星捕獲可行性研究報告》中，沒有明確提出要將被捕獲的小行星放置在月球遠程逆行軌道上，而是說要將其放置在月球軌道上或者地-月空間的拉格朗日點附近。2013年NASA才明確要將捕獲到的小行星放置在月球遠程逆行軌道上，而主要理由就是放置在這里的小行星具有長達100年以上的軌道穩定性。

美國小行星重定向計劃的目的有三：防止小行星撞擊地球；提供人類飛往火星的“墊腳石”；開發太空資源（即在小行星上采礦）。將小行星放置在月球遠程逆行軌道上 并保持100年以上的軌道穩定性跟這三個目的都不沾邊：如果是防止小行星撞擊地球，可以將小行星推離地球，而且推離得越遠越好，根本用不著將小行星保存在月球軌道上長達100多年；如果要從小行星上采集標本，采集完后小行星就沒有利用價值，也用不著在月球軌道上長期保存；如果是為了開發太空資源，為什么不直接從月球上采礦，而要舍近求遠、不遠萬里去捕獲小行星；另外，即使是在小行星上采礦，礦采完了小行星就成了廢物，何必還要將它繼續保存？還有，如果是作為人類飛往火星的“墊腳石”，現在美國的載人火星計劃早已名不副實，“墊腳石”還有何用？

第三，小行星如果是作為太空武器，這條軌道就必不可少。

雖然在美國的小行星重定向計劃中，對于將小行星放置在月球遠程逆行軌道上的做法，幾乎找不出任何有說服力的理由。但是如果該計劃的目的不是上述三條，而是為了開發太空武器，將小行星放置在月球遠程逆行軌道上就有充足理由，而且這樣做是絕對必要、必不可少。

如果將作為太空武器的小行星長期放置在月球遠程逆行軌道上，這條軌道就成為美國太空武器的武器庫，航天員將小行星安放好并對準轟擊目標后，它在這個位置上保持100年不變，這對于武器的保養和維護將帶來極大地方便。試想：武器庫中的小行星不是一顆或幾顆，大大小小的小行星可能有十幾顆甚至幾十顆，分散部署在軌道的不同位置，而且航天員要從地球飛越48萬千米才能到達這條軌道，這樣遙遠的航程和分散的部署，給日后的保養和維護帶來極大的困難。如果小行星在軌道上保持長期的穩定，不需要經常的軌道維持和姿態修正，這樣不僅節省了大量的人力物力，而且保證武器隨時處于“臨戰姿態”，使小行星武器真正成為太空武器。因此，如果要將小行星開發為太空武器，就必須放置在這條軌道上，別無選擇。

小行星計劃第三階段航天員的任務和作用

一旦被捕獲的小行星被放置在月球遠程逆行軌道上，計劃就進入第三階段。在此階段航天員將乘坐“獵戶座”多用途飛船，飛越地-月空間，到達月球遠程逆行軌道，在軌道上“獵戶座”飛船與小行星重定向飛船交會和對接，然后航天員要通過兩次（每次4小時的）出艙活動，爬到小行星上，對小行星進行直接的觀察，同時采集小行星樣品，最后帶著樣品返回地球。

小行星計劃的第三階段是有人參與階段，按照NASA的說法，航天員上去的主要任務就是為了采集小行星的樣品。不過從捕獲的小行星上采集樣品真的需要航天員“親自出馬”嗎？航天員不遠萬里、乘坐“獵戶座”飛船去與小行星交會、僅僅就是為了采集樣品嗎？

眾所周知，日本“隼鳥”號探測器曾于2003年5月升空，2005年9月12日飛抵“絲川”小行星，同年11月20日進行第一次采樣，但沒有成功，11月25日又進行第二次采樣，獲得成功。后“隼鳥”號離開小行星，并于2010年6月13日返回地球。“隼鳥”號是無人探測器，沒有航天員在上面。因此“隼鳥”號的經驗證明，對小行星采集樣品根本用不著航天員“親自出馬”，使用自動化裝置或機器人即可圓滿完成任務。在美國小行星重定向計劃中NASA讓航天員上去到底是為了什么？

這個問題只能從小行星武器化中才能找到答案。

“獵戶座”載人飛船與小行星重定向飛船對接

NASA如果要將小行星開發為太空武器，不能直接使用自然的小行星，必須對小行星進行武器化處理，即將自然小行星改裝為小行星武器。只有將這種經過改裝的小行星放置在月球遠程逆行軌道上，小行星才能作為太空武器使用，而改裝自然小行星并不是一件簡單或容易的事情。小行星的改裝首先是要根據小行星的體積和質量，在小行星上安裝上各種推進裝置或設備，將小行星“投向”地面指定目標。從月球遠程逆行軌道到地球的直線距離大約有33萬千米，小行星不僅要順利完成這段遙遠的航程，而且還要保持一定的飛行速度。作為武器使用的小行星，飛行速度極為重要，因為有些直徑較小的小行星，提高飛行速度以后可以發揮出直徑較大的小行星同樣的威力。除了保證小行星高速完成這段遙遠的航程以外，還要保證小行星最后能準確的命中目標。小行星都是一些外形極不規整的“石頭”，質心、密度和內部結構都不確定，在長距離的高速飛行途中甚至還會發生“解體”，如何讓這樣的“石頭”最后能準確命中目標，可能是小行星武器化過程中的最后一道障礙。試想：如果這些從天上飛來的石頭最后不能準確命中目標，而是砸在其他地方，甚至砸在自己的頭上，后果真是不堪設想。目前太空武器專家雖然已經想出一些辦法，但能不能最后解決問題還有待實踐的考驗。

航天員爬到小行星上準備采集樣品

太空武器專家還認為，NASA在正式開始部署小行星武器前，可能會在地-月空間的拉格朗日點L1或L2附近建立一個長期的小行星武器改裝平臺，平臺上不僅有航天員，還有改裝用的各種器材和設備，小行星重定向飛船帶著捕獲來的小行星應該是先到達這個平臺，按照任務要求對小行星進行改裝，然后再將改裝好的小行星再部署在月球遠程逆行軌道上。

因此對自然小行星的武器化改裝，不是一項簡單航天任務，而是一項需要復雜技術和大量復雜設備的武器改裝工程。因此可以說，在小行星上采集樣品可以不用航天員，但是要將自然小行星改裝為小行星武器，就非航天員不可。

美國的“小行星重定向計劃”實際上是小行星太空武器開發計劃。顯而易見，這項計劃中所有的內容和任務都是為著開發這種新型太空武器。但NASA并沒有將計劃的內容和任務全部公開，僅只是公開了計劃的前一半，隱瞞了計劃的最核心的和最重要的后一半。