美國“小行星重定向任務”步伐加快，載人登火星時間表出臺

王景泉 （北京空間科技信息研究所）

美國“小行星重定向任務”步伐加快，載人登火星時間表出臺

NASA's Asteroid Redirect Mission Speeds up and Issues Timetable for Crewed Mars Mission

王景泉 （北京空間科技信息研究所）

小行星是太陽系最早期的產物，保留了太陽系形成之初的形態，對小行星的探索有助于了解太陽系的起源和演化過程，可用于進一步研究地球的起源。近地小行星在運行過程中受到大天體的攝動作用，運行軌道不斷變化，使得小行星或者其碎片存在與地球相撞的潛在威脅，所以探索小行星也可為研究避免這種碰撞奠定基礎。

不少行星科學家都將小行星視為太空探索的自然跳板，它將展示今后至少20年太空探索靈活的發展方向。從某種意義上說，小行星是深空探索任務降低風險的較好途徑和理想過渡，不但可以使人類獲得持續有價值的科學發現，認識人類居住行星的防御以及太空資源利用，還可為艱苦跋涉登火星積累專門的知識和技術。

探索小行星正在成為美國載人登火星長期戰略的關鍵一步。該計劃的實施將把美國航空航天局（NASA）的載人探索、空間科學研究和航天技術發展有機結合，從工程實踐上真正創造機會，使未來近地軌道以遠的載人探索以至載人登火星能力得以驗證。發送航天員訪問小行星，進而探索火星是美國太空探索構想的核心思路，它代表了航天員從重返月球向近地軌道以遠探索太空的重大戰略轉移。

1 “小行星重定向任務”的背景及目的

2 0 1 0年4月1 5日，奧巴馬總統在肯尼迪航天中心宣布取消布什政府重返月球的“星座”（Constellation）計劃，提出了載人登火星構想。NASA初步研究后，提出了“小行星重定向任務”（ARM）作為近期目標和向載人登火星的過渡。

2012年12月，NASA曾向白宮提交了“小行星重定向任務”研究報告，總任務經費超過26.5億美元，預計10余年完成。該任務按時間先后順序分為選擇小行星目標、重定向小行星和載人登陸小行星探索3個階段。其中，選擇小行星目標階段在2013－2019年完成，NASA從眾多近地小行星中尋找并確定1顆小行星作為機器人飛行器飛往的目標；重定向小行星階段在2020－2024年完成，NASA研制并發射一個“小行星重定向飛行器”（ARV）來承擔捕獲、抓拖和重定向小行星至繞月軌道的任務；載人登陸小行星階段在2025年以后實施，即當目標小行星成功進入繞月軌道后，NASA利用目前正在研制的“航天發射系統”（SLS）運載火箭和“獵戶座”（Orion）飛船，將航天員送至目標小行星，并由航天員登陸小行星完成采樣返回任務。

2013年初，NASA宣布了“小行星重定向任務”工程計劃構想，總體思路是發送機器人飛行器到近地小行星，并將其拖拉到月球附近的軌道；再由航天員到月球附近軌道登陸、采集樣品和試驗驗證技術。NASA認為這是未來近地軌道以遠載人任務的關鍵，更具體地說，這是奔向火星的長期任務符合邏輯的一步。

NASA此次發布的“小行星重定向任務”工程目標是利用2020年發射的機器人飛行器捕獲小行星目標天體，并將其轉移至繞月軌道上，將在2025年左右實現載人小行星探索與采樣返回。為長距離飛行而專門設計的新型飛行器，將實現人類歷史上第一次將航天員發送到小行星。這一計劃實現后，到21世紀30年代中期就可能將航天員發送到火星軌道，當經過安全返回地球驗證后，還將進行載人登陸火星的任務。

2015年3月25日，NASA宣布關于“小行星重定向任務”的方案選擇，決定放棄方案A，而選擇方案B，使該計劃又向前邁進了一步。

2015年4月初，NASA發表了載人登火星的最新研究報告，載人登火星的時間表浮出水面。報告指出，在當前的經費支持力度下，美國可望在21世紀30年代實現載人火星任務，其中2033年實現載人火星軌道飛行，2039年實現載人登火星。

機器人飛行器抓拖小行星示意圖

2 機器人飛行器抓拖小行星的可能途徑及小行星目標研究

機器人飛行器抓拖小行星的初步方案研究

NASA對于該計劃先后提出了2種抓拖方案。一種是最早提出的方案A，打算選擇直徑約10m的小行星，先發射機器人飛行器到達該小行星，經觀測后，采用直徑15m×12m的大型可膨脹袋子，把小行星整個罩住。一旦小行星進入袋內，袋子的瓣狀結構便收緊，隨后由機器人飛行器將其拖走。屆時，裝有大型太陽電池翼的大功率機器人飛行器啟動氙離子發動機，使小行星的飛行軌道稍微偏轉，并將其拖拽到月球附近，進入距離月球表面100km高的、穩定的逆行繞月飛行軌道，等待下一步航天員登陸。

方案B則是將機器人飛行器發送到直徑可能達幾百米的較大的近地小行星附近，與之交會，再經過初步的任務探測后，釋放出著陸器在小行星表面著陸。在小行星上觀測到可以作為抓拖目標的直徑2～4m的巨石后，著陸器移動到該目標巨石附近，展開一對機器臂將其抓起，隨后著陸器上升飛離該小行星并與附近軌道的機器人飛行器對接，將巨石拖到月球附近，進入逆行月球軌道，等待航天員來訪。

天文學家表示，在近地小行星中尋找方案A中確定尺寸的小行星實際上是很困難的，特別是還要確定哪顆小行星具體適合這種任務，更是很大的挑戰。因此，近幾年來，為尋找這種小行星，NASA傷透了腦筋。僅此一點，方案A或許就不是一個理想的方案。

“小行星重定向任務”中目標小行星的選擇研究

在載人登陸小行星之前，至少應該知道待登陸小行星的具體旋轉速率、形狀和尺寸、地形和成分等。探索小行星的載人往返飛行具有極大的挑戰，僅就載人飛行器簡單的狹窄居住空間、太空環境輻射和缺乏遠距離實時通信等問題，就要克服巨大困難。

利用到目前為止機器人飛行器已經探測和采樣返回的關于小行星的經驗，NASA曾選擇6顆小行星作為對應這2種方案備選的目標。原計劃待確定抓拖方案后，針對具體方案再從中至少選擇2顆小行星，用于飛向月球軌道的“小行星重定向任務”，并作為2025年航天員登陸的小行星。NASA專門的小天體評估組（SBAG）解釋說，NASA已列出的6顆小行星均將作為2023－2025年機器人飛行器抓拖備選目標。由于目標小行星當時是針對A、B這2種方案，實際上這6顆小行星是分成2組，一組是用于方案A的3顆自由飛行小行星；另外3顆是用于方案B的較大尺寸小行星，可以供機器人飛行器抓拖直徑4m以下的巨石。

（1）面向方案A的自由飛行小行星目標

該方案要求小行星直徑在10m以下，3個待選目標包括2009BD、2011MD和2013EC20。

2009BD原計劃作為自由飛行小行星目標。在原計劃中，機器人飛行器于2018年6月發射，2020年4月到達該小行星。經過機器人飛行器與小行星交會并抓住小行星的復雜過程后，將小行星調向飛往月球方向，在2024年10月小行星進入圍繞月球的最后軌道。

原計劃作為重新定向目標的自由飛行小行星2011MD，2025年8月實施抓拖；2013EC20則在2025年10月進行抓拖?？梢姟靶⌒行侵囟ㄏ蛉蝿铡备拍畹幕A是自由飛行小行星。

（2）面向方案B拖拽巨石返回的小行星目標

這一方案實際上需要重新定義任務的概念，即拖拽巨石而不是抓拖完整小行星到月球附近的概念。這樣就出現了需要選擇2個層次目標的問題，即第一個層次是小行星作為飛抵的目標選定后，還要在該小行星上再選擇等待抓拖的巨石。巨石的選擇也很需要技術和時間，如果機器人飛行器飛行前就能夠確定巨石，那需要另外的飛行器提前飛行探測；如果等到機器人飛行器自身到達小行星探測后再確定巨石，飛行的過程將需要進行很大改變，特別是考慮到后續的載人登陸采樣。將選擇抓拖巨石作為小行星采樣任務的一部分，中間一定需要更復雜的技術，也需要更多的時間。

目前方案B備選小行星也有3顆，但比方案A的小行星直徑要大得多，分別為直徑500m的糸川（Itokawa）、直徑500m的貝努（Bennu）以及直徑400m的2008EV5小行星。

“奧西里斯-雷克斯”采樣示意圖

一是小行星糸川。2010年日本“隼鳥”小行星探測器曾經訪問過，有一些數據，準備用于2025年7月抓拖巨石的目標小行星。

二是小行星貝努。原來有一個計劃，即小行星采樣返回任務“奧西里斯-雷克斯”（Osiris-Rex，又稱“起源光譜釋義資源識別安全風化層探測器”），探測以前稱作“1999 RQ36”，現在稱作貝努的小行星，投資8億美元?！皧W西里斯-雷克斯”2010年確定作為NASA“新疆域計劃”系列的第4個行星科學任務，計劃2016年9月發射，再用2年時間飛抵貝努小行星。探測器對該小行星在低于5km高度進行500天繪圖后，將接近小行星，從小行星表面采集樣品并帶回地球，于2023年9月在猶他州沙漠地帶著陸，往返7年時間。采集60g表面材料帶回地球，帶回的小行星樣品25%由亞利桑那州大學研究，75%由NASA存檔，在全世界范圍內提供研究使用?！靶陆蛴媱潯?003年列入NASA預算，2014年宣布每5年發射1次。第一個任務是2006年發射的探測冥王星的“新視野”探測器。2011年發射“朱諾”（Juno）木星探測器，如果“奧西里斯-雷克斯”2016年如期發射，則真的實現了5年的發射頻度。

NASA希望“小行星重定向任務”和“奧西里斯-雷克斯”采樣返回任務能實現協同，作為“小行星重定向任務”的目標小行星。在“奧西里斯-雷克斯”任務之后，發射另外的機器人飛行器飛達，尋找巨石并將其抓拖回月球附近，等待航天員登陸。利用2016年“奧西里斯-雷克斯”任務與這顆直徑500m的目標小行星的接近操作，為“小行星重定向任務”積累經驗。計劃在2025年3月從該小行星上抓拖巨石。

三是2008EV5小行星。機器人飛行器飛往這顆小行星并從上面尋找待抓拖巨石的時間安排在2025年7月。這顆小行星是歐洲航天局（ESA）機器人飛行器采樣任務的預選小行星，是ESA2015－2025“宇宙觀測”計劃的一部分，該計劃稱作馬可波羅－R（Marco Polo－R）。如果選中這顆小行星，也有和歐洲合作的機會。

2008EV5是天文學家于2008年發現的太陽系中最普通的C型（碳質球粒隕石）小行星，因只反射3%～9%的太陽光而顯得非常暗?？茖W家利用地基紅外望遠鏡和雷達對2008EV5小行星進行探測，從7.5m高分辨率雷達圖像中發現該小行星表面有較多巨石，包括直徑10m以下的巨石，比較符合方案B的實施要求。因此，NASA暫將2008EV5小行星列為頭號候選目標。

但目標小行星的選擇涉及到許多要求，是一個長期的過程，直到2019年才能宣布最終篩選小行星的結果。為此，NASA打算以每年增加1顆或2顆的頻率加大搜索和選擇力度。NASA甚至打破了傳統的工作模式，鼓勵尋求多方的合作伙伴，通過公布基于某種算法的“小行星數據獵人”應用軟件，號召全球天文愛好者踴躍參與，幫助發現更多小行星。

3 “小行星重定向任務”的方案選擇與確定

在對此任務爭論不斷的情況下，NASA宣布“小行星重定向任務”放棄方案A，選擇方案B，這一選擇是使該任務繼續進行下去的重要一步。NASA分析認為，雖然方案B的任務成本要比方案A高出約1億美元，但從長期太空探索考慮，方案B仍具有優勢，目前計算不會超出機器人飛行器部分12.5億美元（不含運載火箭）的暫定成本。

在方案B中，機器人飛行器將從較大的小行星表面尋找、挖掘、拖拽直徑最大達4m的巨石，將其拖至圍繞月球的逆行軌道，等待載人飛行器送來的航天員登陸訪問，這是對A、B兩方案評審后作出的選擇。較之方案A，方案B有更大的可拓展空間。方案B除了可選擇的目標較多外，還有更多所開發的技術可以用于未來的太空探索任務，包括能完成在小行星上進行軟著陸和抓拖大石頭的機構機械技術等，這些技術在載人登火星時一定用得上，也將是下一步太空探索所需要的基本技術。方案A需要在浩瀚太空中尋找直徑10m以下的小行星，談何容易。而方案B所針對的直徑幾百米的小行星較容易尋找，也更容易交會和靠近，在其表面尋找符合NASA要求的巨石困難也小一些。根據NASA的最初計劃，在2014年12月就應對方案做出選擇，但為了對這2個方案進行更深入的研究，拖延了時間。研究發現，方案B雖增加了技術難度和成本，但長期優勢明顯，因此仍然決定選擇方案B。

對“小行星重定向任務”方案B設想的計劃是2020年12月發射機器人飛行器，2年以后該飛行器到達目標小行星。而目標小行星的選擇決定也要等到2019年最后確定，這樣可為NASA的“近地目標搜索”工作增加發現和選擇目標的時間。第一個目標是該機器人飛行器與小行星交會并?？亢?，從小行星上抓拖著巨石，于2025年后期到達月球軌道。

第二個目標是NASA在地月空間執行載人任務，開發以后載人登火星的技術。重點是電推進技術，其既是“小行星重定向任務”的關鍵技術，也是將貨艙運送到月球軌道的重要技術。NASA噴氣推進實驗室研制的太陽電推力器初選作為“小行星重定向任務”使用。技術開發很大的著眼點是時間和效率，比如，若用化學推力器實現該任務，推進劑至少要用200t，比現在10t的氙離子電推力器多出20倍?！靶⌒行侵囟ㄏ蛉蝿铡睓C器人飛行器采用的技術主要基于“黎明”（DAWN）小行星探測器的技術。NASA所考慮的另一個主要的技術驗證任務，是大型、高功率太陽電池陣，這是“國際空間站”（480km軌道高度）以遠載人航天目的地探索所必需的。

重新定位小行星作為采樣返回任務的目標，將是自1969－1972年“阿波羅”計劃以來，航天員第一次進入深空執行航天任務。這以2014年12月5日“奧利恩”載人艙執行第一次處女試驗飛行為起點?！靶⌒行侵囟ㄏ蛉蝿铡钡牡?個目標是發展有潛在危害地球的小行星的偏轉相關技術。

但能夠從上面抓拖巨石的小行星的選擇仍然是艱難的。在美國創新思維下，科學家不希望相同的小行星采樣的重復，這樣就不斷有2016年美國“奧西里斯-雷克斯”小行星探測器飛行成功后，將貝努作為“小行星重定向任務”目標小行星的爭論。如何選擇需要進一步研究，但目前看好的仍是2008EV5近地小行星。

小行星是近年國外深空探測的熱點，不僅因為相關任務可用于驗證關鍵技術，還因為它們對地球產生的威脅和獨特的科學價值，意義重大。NASA的“小行星重定向任務”從最初的構想變為目前復雜的工程任務，不但能驗證NASA載人火星任務所需的關鍵技術，還能促進防御小行星碰撞地球的技術發展，更可以通過采集的樣品對小行星進行更深入的研究。NASA將通過該任務的實施，為未來載人火星探索和其他深空探測任務提供關鍵技術與能力的開發，包括高效太陽能陣列技術、太陽能電推進系統、艙外活動技術與能力、深空交會敏感器與交會接近系統、新型軌道及其導航技術、采樣返回技術、新型深空任務專用航天服等，為美國21世紀30年代實現載人登火星的目標奠定基礎。

4 機器人飛行器從小行星抓拖巨石初步工程構想

完成“小行星重定向任務”概念評審后，轉向A階段。這將是關鍵階段，將進行成本詳細估算，制定計劃任務流程。A階段也將制定采購策略，并于2015年下半年決定任務關鍵部分的采購步驟。此后將迎來下一個更大的里程碑，屆時將融進更多商業問題，并確定以何種方式提供方案B的飛行器部件和技術。

“小行星重定向任務”將作為美國將人送上火星的第一步，將NASA的載人探索、科學探測和技術開發融為一體，它是近地軌道以遠和最終登陸火星的未來載人任務所需能力的一個驗證機會。航天員登陸小行星任務充滿挑戰和風險，第一步首先要準確了解能承受人類訪問的近地目標，小行星科學家、太空科學家、航天員和NASA任務規劃者都在研究這一問題。尋找一個適合航天員訪問的目標小行星，構成了此次“小行星重定向任務”最緊急的任務。根據至今的探測，近地目標小行星大于7000個以上，但必須知道，能提供有人控制飛行接近的小行星數量和物理特性（結構）具有高度的不確定性。在已有的目錄中也只有不多的初步適合的目標，實際上需要更多的目標，才能獲得更大的任務靈活性。

預計于2020年12月發射“小行星重定向任務”的機器人飛行器，約2022年飛抵目標小行星，機器人飛行器一旦到達小行星區域，還需要在該小行星附近飛行200～400天，期間交會小行星，準備抓拖巨石和進行重力拖拉試驗。在觀測和評估小行星表面巨石后，機器人飛行器降至低點距該巨石1km處伴飛，進一步確定其性質，并對其進行空間分辨率1cm的拍照，尋找抓拖巨石的方位。機器人飛行器在機器手末端安裝有微機構爪，用于抓取和拖拉巨石。微機構爪利用數千個小型爪把巨石周圍挖松并抓緊該巨石，使之與小行星表面脫離，在不使用推力器的情況下，利用引力對巨石進行初步提升。此過程中要嚴格限制碎片數量。

飛離小行星后還需在繞飛小行星的“暈軌道”停留215天。繞飛期間，機器人飛行器將采用一種被稱為“引力牽引器”的技術，利用微小的引力作用，緩慢地改變巨石的飛行軌跡。由于“巨石抓拖”方案使小行星的部分質量和引力轉移到機器人飛行器上，重新定向抓拖效率將得到提升。然后機器人飛行器抓拖著巨石離開小行星，將于2025年后期到達月球軌道。當機器人飛行器抓拖的巨石經遠距離飛行進入繞月軌道后，搭乘“航天發射系統”運載火箭的“獵戶座”飛船將2名航天員送至巨石上，進行為期25～60天的探索任務。

小行星拖拉任務將由NASA的科學、載人探索和空間技術部門聯合投資和管理，2014年1.05億美元的資金分配比例如下：2000萬美元用于科學任務部門改進其小行星探測技術；載人探索和任務操作部門獲得4000萬美元，實施機器人飛行器的早期工作，研究捕獲小行星技術和拖拉到月球軌道的技術；空間技術任務部門獲得4500萬美元研究太陽電推進系統，用于向小行星捕獲飛行器供電。

5 載人飛行器抵達和航天員登陸巨石采集樣品

將巨石抓拖到逆行月球軌道實施航天員訪問，這是“獵戶座”和“航天發射系統”的主要驗證任務，2個項目目前每年投資接近30億美元。根據方案B，機器人飛行器將巨石拖拽到逆行月球軌道后，搭載2名航天員的“獵戶座”將飛抵該巨石，航天員登陸采集樣品并帶回地球。

第一次載人飛行任務目前計劃在2021年，即探索任務－2（EM－2）。2025年，“獵戶座”到達月球逆行軌道后，首先和機器人飛行器對接，隨后，航天員接近巨石。按計劃，采樣活動中2名航天員可能在巨石附近進行4h的太空行走，軌道活動時間主要由“獵戶座”生命支持系統的能力決定。為延長軌道活動時間，NASA又提出增加居住艙，研制拓展增強艙，使整個任務從20天延長至60天，這就需要更強的生命支持能力和更多的物品消耗。因此，該增強艙也設有用來與后勤運輸飛行器補給時對接的對接口，等待從地球到該巨石間的太空運輸物品。

NASA曾在2014年安排1.05億美元的資金開始研究試驗抓拖巨石并將其帶回到月球軌道的有關技術。在11年的整個任務期間，該項資金需要10億～26億美元。航天員采集并返回的小行星樣品可用于進一步深入研究小行星，為未來小行星采礦積累經驗?，F在美國已經成立了兩家小行星采礦公司，即行星資源公司（Planetary Recources）和深空工業公司（DSI），探索小行星礦藏開發。

航天員登陸小行星采樣示意圖

6 規避小行星撞擊地球的技術研究

N A S A曾利用2 0 0 5年發射的“深度撞擊”（Deep Impact）彗星探測器試驗了利用人造飛行器直接撞擊近地目標，從而改變其飛行軌道的技術，還計劃在2020年前后開展“小行星撞擊與偏離評估”（AIDA）等國際合作項目，利用人造飛行器撞擊可能威脅地球安全的近地小行星，試驗有關技術，測試撞擊可能引起小行星偏離。這次在“小行星重定向任務”中，NASA也將試驗“引力牽引器”行星防御技術，用于了解小行星運行軌道偏離機制，研究通過非接觸手段將小行星移出可能撞擊地球的軌道的途徑，拓展地球防御任務的技術思路，為未來降低小行星撞擊地球概率積累手段。

用于偏轉小行星最可能的技術是動能撞擊器，撞擊小行星以改變飛行方向或使其速度有毫米級、厘米級每秒的改變。如果有充足的預警時間，又是針對相對小的小行星，還可以讓人造飛行器靠近小行星盤旋，利用萬有引力稍許改變小行星軌道，稱為“重力拖車”。這次“小行星重定向任務”還要完成包括“重力拖車”等在內的研究。