小行星探測(cè)進(jìn)展及技術(shù)特點(diǎn)分析

廖慧兮 王彤 賈曉宇 （北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部）

小行星探測(cè)進(jìn)展及技術(shù)特點(diǎn)分析

廖慧兮 王彤 賈曉宇 （北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部）

Analysis on the Progress and Technical Characteristics of Asteroid Exploration

小行星形成于太陽(yáng)系早期物質(zhì)演化階段，是太陽(yáng)系演化過(guò)程的“活化石”，探測(cè)小行星有助于揭開(kāi)太陽(yáng)系起源的奧秘；小行星還蘊(yùn)含豐富的資源，包括高價(jià)值金屬，氧氣、氫氣、氨氣以及普通礦物，可通過(guò)原位利用的形式支持深空探測(cè)。國(guó)際上對(duì)小行星的研究不斷深化，小行星探測(cè)活動(dòng)正日益成為熱點(diǎn)。

1 小行星探測(cè)的意義

小行星是圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的巖石或金屬天體，它們的體積相當(dāng)小，不足以被稱為行星。太陽(yáng)系中的小行星按照位置區(qū)分，主要包括主帶小行星、近地小行星、日-木特洛伊小行星、柯伊伯帶小行星和半人馬小行星五大類。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類已經(jīng)越來(lái)越認(rèn)識(shí)到，探測(cè)、開(kāi)發(fā)小行星具有重要意義。

揭示太陽(yáng)系及生命起源，促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展

小行星是46億年前太陽(yáng)系初期形成的行星體，其獨(dú)特的物理、化學(xué)和礦物質(zhì)特性，將成為揭示太陽(yáng)系起源及演化等重大科學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵。科學(xué)探測(cè)與研究將是小行星探測(cè)任務(wù)的主題，以科學(xué)需求為牽引也成為美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家和地區(qū)后續(xù)小行星探測(cè)規(guī)劃的主要出發(fā)點(diǎn)。

小行星探測(cè)對(duì)探索小行星的起源和形成機(jī)制、小行星母體內(nèi)部的熔融分異機(jī)制、地球生命起源以及探索恒星演化和行星形成關(guān)系、評(píng)估近地小行星撞擊地球的威脅等具有重要的科學(xué)意義。其原創(chuàng)性科學(xué)成果，將對(duì)我國(guó)地球與行星科學(xué)、太陽(yáng)系演化、空間物理學(xué)、空間材料科學(xué)、空間環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的原始創(chuàng)新和發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用。

提升工程能力，牽引技術(shù)升級(jí)

探測(cè)小行星可牽引航天及深空探測(cè)技術(shù)。通過(guò)實(shí)施小行星資源開(kāi)發(fā)與利用，可帶動(dòng)空間機(jī)器人技術(shù)、天文導(dǎo)航、新興材料制造、新興電源制造、極限高低溫?zé)峥乇Ｕ稀⒌赝馓祗w結(jié)構(gòu)成分識(shí)別等眾多新興技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，新興材料制造、新興電源制造等技術(shù)還可轉(zhuǎn)化應(yīng)用到新能源汽車等眾多民用產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，帶動(dòng)相關(guān)行業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

探測(cè)小行星可利用天然資源，促進(jìn)太空工業(yè)發(fā)展。利用太空資源是實(shí)現(xiàn)永久太空開(kāi)發(fā)的唯一方式。小行星，特別是C型小行星，可能含有20%的水，除水以外，小行星還蘊(yùn)藏其他稀有金屬和礦產(chǎn)資源, 成為潛在的“地外礦藏”，可以為人類開(kāi)發(fā)利用。金屬M(fèi)型小行星多蘊(yùn)含鐵和鎳元素，含量中約90%為鐵，其余約10%為鎳，此外還可能含有鉑、鈷、銠、銥、鋨等稀有金屬，小行星所蘊(yùn)含的金屬和燃料能夠擴(kuò)展太空工業(yè)發(fā)展。可以預(yù)見(jiàn)，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和成熟，小行星可作為人類開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源的下一個(gè)目的地。

探測(cè)小行星可推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，帶動(dòng)新興技術(shù)轉(zhuǎn)化。實(shí)施小行星探測(cè)與資源開(kāi)發(fā)利用，其工程難度與顯示度有著量變向質(zhì)變的提升。完成地外天體探測(cè)、捕獲、操控與開(kāi)發(fā)，將面臨復(fù)雜軌道設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、自主導(dǎo)航控制、深空探測(cè)與通信、復(fù)雜熱環(huán)境條件下熱控、新能源利用、先進(jìn)推進(jìn)等方面的大量難點(diǎn)問(wèn)題，也是我國(guó)后續(xù)走向外太空必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

保護(hù)地球安全，建設(shè)行星防御體系

一直以來(lái)，地球面臨著地外天體撞擊的巨大威脅。遠(yuǎn)古時(shí)期的恐龍滅絕，就是由于小行星撞擊造成的災(zāi)難性后果。2013年2月15日，一顆小行星以30km/s的速度進(jìn)入大氣層，并在車?yán)镅刨e斯克地區(qū)上空約30km高度發(fā)生猛烈的爆炸。據(jù)美國(guó)航空航天局（NASA）評(píng)估，隕石直徑約為17～20m，質(zhì)量約為10000t，爆炸當(dāng)量約5×105t。在這次襲擊18h之后，另一顆小行星2012號(hào)DA14從相距地球3.4×104km的地方高速掠過(guò)。這些為人類敲響的警鐘，都在不斷地提醒著全人類應(yīng)該高度重視，并采取有效措施建立小行星防御體系。

目前全世界對(duì)于小行星的起源、飛行軌道、物理特性、內(nèi)部構(gòu)造等問(wèn)題的了解還處于初級(jí)階段，僅僅通過(guò)地面觀測(cè)和若干無(wú)人探測(cè)任務(wù)獲得了有限的認(rèn)知。實(shí)施小行星資源開(kāi)發(fā)與利用，逐步突破小天體目標(biāo)監(jiān)視、地外天體操控技術(shù)，建設(shè)、健全地基和天基監(jiān)測(cè)與防御體系，可促進(jìn)近地物體探測(cè)、跟蹤和識(shí)別，提前發(fā)現(xiàn)來(lái)自太空的撞擊威脅。

開(kāi)辟新興疆域，彰顯航天強(qiáng)國(guó)地位

從國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)來(lái)看，小行星也是重要的資源寶庫(kù)，是國(guó)際航天巨頭們爭(zhēng)奪的重要對(duì)象。按照地球物種億萬(wàn)年不變的“先到先得、勝者為王”的原則，熱鬧的地外資源爭(zhēng)奪早已在發(fā)達(dá)國(guó)家之間展開(kāi)了。

小行星資源開(kāi)發(fā)與利用對(duì)國(guó)家未來(lái)?yè)屨忌羁仗綔y(cè)主動(dòng)權(quán)和制高點(diǎn)有著不可估量的戰(zhàn)略意義。操控一個(gè)地外天體并對(duì)其進(jìn)行資源開(kāi)發(fā)與利用，足以為人類探索空間開(kāi)辟新的紀(jì)元。小行星資源開(kāi)發(fā)與利用是一項(xiàng)巨大的系統(tǒng)工程，是國(guó)家綜合國(guó)力及科技創(chuàng)新能力的綜合反映，可極大地彰顯航天大國(guó)地位，具有顯著的政治意義。

2 小行星探測(cè)的歷程與啟示

20世紀(jì)90年代前，人類主要通過(guò)地面天文觀測(cè)和對(duì)隕石的分析，來(lái)對(duì)小行星的軌道、物理特性、物質(zhì)組成和化學(xué)成分進(jìn)行研究。隨著深空探測(cè)的不斷深入，小行星探測(cè)任務(wù)正逐漸增多，人類對(duì)小行星的研究進(jìn)入到一個(gè)更高的層次。

早在1991年，美國(guó)發(fā)射的“伽利略”木星探測(cè)器對(duì)951號(hào)Gaspra小行星進(jìn)行了飛越探測(cè)，這也是人類第一次對(duì)小行星的近距離觀測(cè)。國(guó)際上小天體（主要指小行星和彗星）探測(cè)已有30多年歷程，美、歐、日先后完成了各自獨(dú)特的標(biāo)志性任務(wù)。其中，20世紀(jì)90年代前均為彗星飛越，90年代后共實(shí)施小行星任務(wù)6次，彗星任務(wù)3次；此后，實(shí)現(xiàn)了飛越、繞飛、采樣返回等多種方式探測(cè)。

典型的小行星及彗星探測(cè)任務(wù)

小行星探測(cè)活動(dòng)基本遵循對(duì)自然現(xiàn)象認(rèn)知的過(guò)程（認(rèn)識(shí)、了解、應(yīng)用），分為3個(gè)階段：①初級(jí)階段：對(duì)小行星外形及部分物理特性的觀測(cè)，探測(cè)活動(dòng)以“飛越探測(cè)”為主；②中級(jí)階段：對(duì)小行星物理特性等進(jìn)行深入了解與分析，探測(cè)活動(dòng)以“繞飛→附著→采樣”的技術(shù)路線實(shí)施；③高級(jí)階段：對(duì)小行星運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制或?qū)ζ湮镔|(zhì)進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，探測(cè)活動(dòng)以“偏轉(zhuǎn)→操控→利用”的技術(shù)路線實(shí)施。

（1）“近地小行星交會(huì)”：國(guó)際首個(gè)小行星探測(cè)任務(wù)

2000年2月14日，NASA的“近地小行星交會(huì)”（NEAR，又稱“尼爾”）探測(cè)器順利進(jìn)入距離愛(ài)神小行星35km的繞飛軌道，對(duì)其進(jìn)行了多手段全面觀測(cè)，獲得了小行星大小、形狀、質(zhì)量、質(zhì)量分布、重力、磁場(chǎng)、自轉(zhuǎn)、成份和地質(zhì)學(xué)數(shù)據(jù)。探測(cè)器利用多光譜成像儀拍攝得到的照片，對(duì)小行星表面的撞擊坑進(jìn)行了觀測(cè)，科學(xué)家根據(jù)觀測(cè)結(jié)果認(rèn)為，愛(ài)神小行星是一體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有斷層。

（2）“隼鳥(niǎo)”：國(guó)際首個(gè)小行星采樣返回探測(cè)任務(wù)

2003年5月9日，日本“隼鳥(niǎo)”（Hayabusa）探測(cè)器成功發(fā)射，2005年10月到達(dá)近地小行星糸川（1998號(hào)SF36），并進(jìn)行了交會(huì)與采樣。“隼鳥(niǎo)”于2010年6月返回地球，成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)小行星采樣返回任務(wù)的探測(cè)器。

探測(cè)器首先在10km軌道勘測(cè)選取附著區(qū)域后，下降到距小行星表面100m的上空，進(jìn)入最后著陸階段。此時(shí)根據(jù)小行星的物理學(xué)特性和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)選定著陸點(diǎn)，探測(cè)器導(dǎo)航照相機(jī)和激光測(cè)距儀根據(jù)目標(biāo)標(biāo)識(shí)器閃光的指引進(jìn)行制導(dǎo)；而扇形波束傳感器則放射出若干光束照到目標(biāo)標(biāo)識(shí)器上，根據(jù)照射光的角度等參數(shù)計(jì)算出探測(cè)器與目標(biāo)標(biāo)識(shí)器的距離，當(dāng)探測(cè)器接近小行星表面時(shí)，探測(cè)器腹部突出的采樣裝置對(duì)準(zhǔn)并碰撞選定的采樣點(diǎn)，將一枚質(zhì)量為5g的金屬“子彈”以300m/s的速度射向小行星表面，使遭到射擊的表面破碎，碎片飛濺起來(lái)。這些碎片被吸入到采樣裝置一個(gè)喇叭口狀容器中。每次采樣完成后，探測(cè)器返回到100m高度。

（3）“羅塞塔”：國(guó)際首個(gè)主帶彗星著陸探測(cè)任務(wù)

“羅塞塔-菲萊”（Rosetta-Philae）是世界上首個(gè)完成彗星表面著陸就位探測(cè)任務(wù)的探測(cè)器，開(kāi)展了目標(biāo)彗星彗核全球勘測(cè)和2顆小行星的化學(xué)、礦物學(xué)和物理特性的研究，實(shí)現(xiàn)了低軌道繞彗核觀測(cè)和未知彗星表面精確著陸，它也是歐洲歷時(shí)最長(zhǎng)、最具挑戰(zhàn)的深空探測(cè)任務(wù)。

“羅塞塔-菲萊”探測(cè)器包括1個(gè)軌道器和1個(gè)著陸器。著陸器帶有1套著陸緩沖系統(tǒng)和1套錨定系統(tǒng)，軌道器選定著陸地點(diǎn)后，“菲萊”著陸器彈離軌道器，打開(kāi)著陸腿的鎖定機(jī)構(gòu)，展開(kāi)并鎖定它的3條“支撐腿”。著陸器用光學(xué)照相機(jī)獲取精確著陸點(diǎn)圖像，用飛輪控制姿態(tài)，最終以小于1m/s的速度觸地。推進(jìn)系統(tǒng)施加推進(jìn)保持力，進(jìn)一步防止著陸器反彈和漂走。在著陸時(shí)，著陸器會(huì)彈射出1個(gè)魚(yú)叉式的錨定裝置，將著陸器固定在彗星表面上，防止著陸后儀器設(shè)備操作和環(huán)境擾動(dòng)使著陸器翻倒或飄走。

“羅塞塔”在追逐彗星的途中，相繼在2008年和2010年飛越了2867號(hào)Steins小行星和21號(hào)Lutetia小行星。著陸前，歐洲航天局（ESA）確認(rèn)“菲萊”著陸器的冷氣推力器發(fā)生故障，無(wú)法完成反推下壓動(dòng)作。2014年11月12日“菲萊”著陸器在彗星表面著陸過(guò)程中，發(fā)生了兩次彈跳。2016年9月5日，ESA確認(rèn)“菲萊”著陸器被卡在彗星的一條黑暗裂縫中。

（4）“黎明”：首次2顆主帶小行星探測(cè)任務(wù)

2007年9月27日，美國(guó)“黎明”（Dawn）探測(cè)器發(fā)射，其科學(xué)目標(biāo)為了解太陽(yáng)系開(kāi)始形成時(shí)的條件和過(guò)程，測(cè)量灶神星和谷神星（現(xiàn)已被劃入矮行星）的質(zhì)量、形狀等，同時(shí)考察2顆小行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并進(jìn)行對(duì)比研究。“黎明”探測(cè)器采用經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)，全冗余、低風(fēng)險(xiǎn)，配置了1套經(jīng)深空－1（Deep Space－1）驗(yàn)證的離子推進(jìn)系統(tǒng)。2011年7月，該探測(cè)器被灶神星捕獲并進(jìn)入其軌道，開(kāi)始對(duì)灶神星進(jìn)行探測(cè)，于2012年9月5日完成對(duì)灶神星的科學(xué)探測(cè)并離開(kāi)灶神星，已于2015年3月達(dá)到谷神星，原計(jì)劃2016年6月完成對(duì)谷神星的科學(xué)探測(cè)后結(jié)束“黎明”任務(wù)，后延期至2017年6月，但目前其仍在工作。2012年12月，NASA宣布“黎明”探測(cè)器探測(cè)到灶神星表面可能曾經(jīng)有水存在。

（5）嫦娥－2：中國(guó)首次小行星飛越

中國(guó)的首次小行星飛越觀測(cè)由嫦娥－2月球探測(cè)器完成。嫦娥－2月球探測(cè)器圓滿完成探月先導(dǎo)技術(shù)驗(yàn)證既定任務(wù)，利用日地拉格朗日2點(diǎn)（L2點(diǎn)）的伴隨地球繞日運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)了測(cè)控地面站的接力控制，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了從L2點(diǎn)飛越小行星的軌道轉(zhuǎn)移，成功飛越4179號(hào)圖塔蒂斯小行星，并獲取最高分辨率3m的光學(xué)彩色圖像；除在國(guó)際上創(chuàng)造千米級(jí)飛越最近距離紀(jì)錄外，也使中國(guó)成為繼美、歐、日之后第4個(gè)實(shí)施小行星探測(cè)的國(guó)家，對(duì)圖塔蒂斯小行星飛越成像試驗(yàn)，圓滿實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)多任務(wù)的預(yù)定目標(biāo)，為中國(guó)深入開(kāi)展小行星探測(cè)奠定了必要的工程實(shí)踐基礎(chǔ)。

在飛越圖塔蒂斯小行星過(guò)程中，利用星載CMOS輕小型相機(jī)獲得了小行星系列彩色照片，并聯(lián)合多家單位開(kāi)展了科學(xué)研究，揭示了該小行星的物理特性、表面特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及可能的起源等新結(jié)果。嫦娥－2距圖塔蒂斯小行星最近的飛越距離約為770m，獲得最高分辨率光學(xué)圖像優(yōu)于3m/像素。從圖像估算了小行星尺寸，新的結(jié)果表明圖塔蒂斯的長(zhǎng)度和寬度不超過(guò)4.75km×1.95（1±10%）km。

作為中國(guó)首個(gè)飛入行星際的探測(cè)器，嫦娥－2具有研制周期短、技術(shù)狀態(tài)復(fù)雜、關(guān)鍵技術(shù)與環(huán)節(jié)多等特點(diǎn)，而嫦娥－2任務(wù)設(shè)計(jì)有其高起點(diǎn)、高效率的鮮明特色，兼顧了技術(shù)驗(yàn)證和科學(xué)探測(cè)，并通過(guò)實(shí)施拓展任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了月球、L2點(diǎn)和小行星多類目標(biāo)進(jìn)行環(huán)繞、飛越等多項(xiàng)任務(wù)的探測(cè)，為中國(guó)開(kāi)拓了深空探測(cè)活動(dòng)的多個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。

小行星及彗星探測(cè)任務(wù)的啟示

各航天國(guó)家都對(duì)小行星的探測(cè)極為重視，在其未來(lái)空間探索計(jì)劃中涵蓋了小行星探測(cè)計(jì)劃。小行星探測(cè)已成為主要航天國(guó)家深空探測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)之一。從已實(shí)現(xiàn)的小行星探測(cè)計(jì)劃和各國(guó)規(guī)劃中可以看出，小行星探測(cè)呈現(xiàn)出三大特點(diǎn)和趨勢(shì)。

（1）從飛越和繞飛探測(cè)發(fā)展到表面軟著陸和采樣返回探測(cè)

在探測(cè)早期，由于技術(shù)原因，尚不能完成小行星表面著陸及返回探測(cè)，只能是飛越或者繞飛，小行星探測(cè)也多作為某一型號(hào)的拓展任務(wù)來(lái)完成。但隨著軌道設(shè)計(jì)及導(dǎo)航控制技術(shù)、先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)及表面操作技術(shù)的不斷進(jìn)步，為了獲得更多的科學(xué)信息，小行星探測(cè)形式逐漸發(fā)展為表面軟著陸和采樣返回探測(cè)。目前，在采樣返回任務(wù)方面，日本已實(shí)現(xiàn)了小行星表面采樣返回，而美國(guó)、歐洲、日本的后續(xù)規(guī)劃中，也在積極推進(jìn)著小行星采樣返回任務(wù)的實(shí)施；在表面軟著陸方面，歐洲的“菲萊”著陸器雖然也進(jìn)行過(guò)大膽的嘗試，但是就結(jié)果來(lái)看，目前為止，除美國(guó)“近地小行星交會(huì)”擴(kuò)展任務(wù)外，尚沒(méi)有完全成功小行星著陸的先例。表面軟著陸作為可靠安全采樣和原位探測(cè)的基礎(chǔ)，今后將成為小行星探測(cè)形式的一個(gè)主要發(fā)展方向。

（2）以科學(xué)需求為牽引，兼顧新技術(shù)演示驗(yàn)證

小行星探測(cè)可填補(bǔ)太陽(yáng)系形成與演化、生命起源的科學(xué)空白，以科學(xué)需求為牽引也成為美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家和地區(qū)后續(xù)探測(cè)規(guī)劃的主要出發(fā)點(diǎn)。

小行星探測(cè)任務(wù)的實(shí)施也涉及到空間推進(jìn)技術(shù)、能源技術(shù)、弱引力表面附著、固定與采樣等一系列關(guān)鍵技術(shù)，而探測(cè)目標(biāo)距離遠(yuǎn)、目標(biāo)尺寸適中，使小行星探測(cè)成為這些新技術(shù)得天獨(dú)厚的試驗(yàn)場(chǎng)。美國(guó)深空－1探測(cè)器和日本“隼鳥(niǎo)”探測(cè)器均在新技術(shù)演示驗(yàn)證方面取得了重要成果，所驗(yàn)證的技術(shù)也為各國(guó)后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)提供了重要的技術(shù)保障。

（3）任務(wù)設(shè)計(jì)各有亮點(diǎn)，均為精細(xì)設(shè)計(jì)

小行星探測(cè)任務(wù)周期一般都至少為6～7年，以歐洲的“羅塞塔-菲萊”任務(wù)為例，探測(cè)器飛行了10年，才到達(dá)目標(biāo)天體。在漫長(zhǎng)的飛行過(guò)程中，關(guān)鍵設(shè)備往往功能失效，如“菲萊”的固定附著裝置魚(yú)叉和冷氣推力器發(fā)生了故障，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)成功附著；日本的“隼鳥(niǎo)”離子推力器等設(shè)備出現(xiàn)了故障，釋放小型原位探測(cè)器失敗，困難重重返回地球。從以上信息可以判斷，系統(tǒng)需要進(jìn)行高可靠、長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)漫長(zhǎng)飛行旅途中出現(xiàn)的各類問(wèn)題。

3 小行星探測(cè)技術(shù)特點(diǎn)分析

小行星探測(cè)相比月球、火星等任務(wù)，難點(diǎn)主要體現(xiàn)在“微弱引力、未知環(huán)境”兩個(gè)方面。小行星探測(cè)在工程實(shí)施和科學(xué)研究方面將面臨多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，按照任務(wù)發(fā)展脈絡(luò)，可從“選、探、控、用”等方面分析諸多關(guān)鍵核心技術(shù)。

“選”—目標(biāo)發(fā)現(xiàn)與選擇

針對(duì)小行星資源利用與開(kāi)發(fā)任務(wù)的特點(diǎn)，需解決小行星目標(biāo)的選擇問(wèn)題，包括小行星目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)，小行星目標(biāo)的參數(shù)識(shí)別與分析，小行星目標(biāo)的科學(xué)價(jià)值評(píng)估與工程可行性分析等。

（1）小行星目標(biāo)發(fā)現(xiàn)和特征識(shí)別問(wèn)題

包括對(duì)小行星形狀和尺寸識(shí)別、物理組成識(shí)別以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別。小行星的形狀和尺寸識(shí)別對(duì)探測(cè)任務(wù)的執(zhí)行關(guān)系巨大，受制于分辨率，通常需要衛(wèi)星的近距離觀測(cè)才能獲得精確信息，但執(zhí)行探測(cè)任務(wù)前的目標(biāo)識(shí)別將為探測(cè)目標(biāo)的選擇提供參考，決定探測(cè)任務(wù)的可行性與探測(cè)器總體的設(shè)計(jì)。其關(guān)鍵技術(shù)包括地基小行星目標(biāo)探測(cè)技術(shù)、天基小行星目標(biāo)探測(cè)技術(shù)與先進(jìn)的小行星目標(biāo)觀測(cè)算法等。

（2）探測(cè)目標(biāo)的選擇問(wèn)題

從科學(xué)價(jià)值和工程可行性兩方面對(duì)小行星目標(biāo)進(jìn)行選擇。科學(xué)價(jià)值方面包括對(duì)已確定參數(shù)小行星的資源可利用性進(jìn)行評(píng)估，而工程可行性則對(duì)發(fā)射探測(cè)器探測(cè)小行星以及進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用所需的速度增量、燃料消耗以及系統(tǒng)規(guī)模進(jìn)行評(píng)估，給出適合探測(cè)的小行星目標(biāo)。其關(guān)鍵技術(shù)包括基于先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的可達(dá)評(píng)價(jià)與目標(biāo)選擇技術(shù)、基于多層科學(xué)與科學(xué)價(jià)值約束的目標(biāo)選擇技術(shù)與基于路徑約束的探測(cè)序列規(guī)劃與目標(biāo)選擇技術(shù)等。

“探”—目標(biāo)到達(dá)與探測(cè)

針對(duì)目標(biāo)小行星，解決探測(cè)器對(duì)小行星目標(biāo)的可達(dá)和初期探測(cè)問(wèn)題，包括長(zhǎng)時(shí)間星際飛行電源與燃料供給、深空暗弱目標(biāo)自主導(dǎo)航、弱引力天體捕獲、近距離探測(cè)、小行星目標(biāo)物理信息獲取、弱引力天體著陸與附著和弱引力天體表面運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題。

（1）探測(cè)器至目標(biāo)轉(zhuǎn)移問(wèn)題

在進(jìn)行小行星探測(cè)器至目標(biāo)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)時(shí)，受限于現(xiàn)有運(yùn)載能力，初期任務(wù)可以考慮針對(duì)近地小行星探測(cè)，采用“直接轉(zhuǎn)移軌道”或“深空機(jī)動(dòng)+地球借力”；后續(xù)任務(wù)主帶小行星是重點(diǎn)，可考慮“深空機(jī)動(dòng)+地球借力+火星借力”（如“羅塞塔”任務(wù)）或“火星借力+電推進(jìn)”（如“黎明”任務(wù)）的組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)。其關(guān)鍵技術(shù)包括長(zhǎng)時(shí)間、大范圍軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)，大推力電推進(jìn)技術(shù)和長(zhǎng)期大功率供電技術(shù)，長(zhǎng)期深空飛行還需解決測(cè)控通信、自主系統(tǒng)以及輕量化結(jié)構(gòu)與材料等問(wèn)題。

（2）小行星抵近問(wèn)題

近地小行星引力極為微弱，在探測(cè)器與目標(biāo)小行星實(shí)現(xiàn)交會(huì)以后，需要把探測(cè)器的運(yùn)行軌道穩(wěn)定到與目標(biāo)小行星基本相同的繞日橢圓軌道，并與目標(biāo)小行星保持一定的距離，以便對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)尋找合適的附著位置。對(duì)于微弱引力天體附著，需要探測(cè)器能夠在伴飛過(guò)程中確定目標(biāo)天體引力特性，以便修正下降策略。其關(guān)鍵技術(shù)包括暗弱不規(guī)則天體識(shí)別技術(shù)、自主光學(xué)導(dǎo)航和控制技術(shù)等。

（3）小行星附著問(wèn)題

探測(cè)器在小行星表面著陸，對(duì)小行星進(jìn)行采樣是獲取小行星信息的重要方式，需要實(shí)現(xiàn)探測(cè)器在弱引力環(huán)境下的著陸、附著以及采樣等操作。從小行星資源開(kāi)發(fā)與利用需求來(lái)看，長(zhǎng)期附著將在后續(xù)任務(wù)中扮演重要角色，而表面的多點(diǎn)采樣探測(cè)將會(huì)擴(kuò)大任務(wù)的探測(cè)范圍，提高任務(wù)的回報(bào)。其關(guān)鍵技術(shù)包括微重力附著技術(shù)與表面采樣技術(shù)。

（4）小行星表面探測(cè)問(wèn)題

小行星表面運(yùn)動(dòng)及觀測(cè)是了解小行星物理特性的重要手段之一。受小行星弱引力影響，存在表面運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、能源供給、信息傳輸、障礙規(guī)避和故障處理等問(wèn)題。其關(guān)鍵技術(shù)包括弱引力表面漫游機(jī)器人技術(shù)、基于多信息融合的自主移動(dòng)技術(shù)等。

“控”—目標(biāo)捕獲與操控

針對(duì)選擇并到達(dá)的小行星目標(biāo)，需解決如何在近距離實(shí)現(xiàn)小行星的操控作業(yè)問(wèn)題。它包括：通過(guò)初步探測(cè)與參數(shù)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)小行星自旋狀態(tài)、軌道運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及局部地形地貌的操控，還包括對(duì)小行星消旋，將小行星整體軌道偏移或轉(zhuǎn)移至目標(biāo)區(qū)域等。

（1）小行星軌跡改變問(wèn)題

改變小行星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方法從作用時(shí)間上區(qū)分，可以分為快速改變和緩慢改變。快速改變可通過(guò)動(dòng)能撞擊或表面爆炸等方式進(jìn)行；緩慢改變還可分為接觸式與非接觸式長(zhǎng)期的拖拽。目前國(guó)際上已提出十余項(xiàng)小行星操控技術(shù)途徑，如核爆、動(dòng)能撞擊、引力牽引、聚光燒蝕、質(zhì)量驅(qū)動(dòng)等，這些技術(shù)途徑大多處于概念研究階段，未進(jìn)入工程實(shí)際應(yīng)用。其關(guān)鍵技術(shù)包括小行星運(yùn)動(dòng)模型及作用效果精確評(píng)估、大質(zhì)量航天器姿態(tài)穩(wěn)定等技術(shù)。

（2）小行星在軌捕獲問(wèn)題

小行星抓捕方式包括對(duì)小行星整體的抓捕以及對(duì)小行星局部的抓捕，抓捕方式的選擇將決定小行星捕獲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

目前，非合作目標(biāo)在軌捕獲技術(shù)主要包括：機(jī)械臂捕獲、伸縮機(jī)構(gòu)捕獲、飛網(wǎng)/飛爪式捕獲等。此外，近些年還提出了吸附捕獲、類飛網(wǎng)捕獲等一系列新概念。其關(guān)鍵技術(shù)包括抓捕機(jī)構(gòu)可控展開(kāi)、充氣結(jié)構(gòu)復(fù)合體折疊裝載與非合作目標(biāo)消旋等技術(shù)。

（3）捕獲后的目的地選擇問(wèn)題

近地小行星捕獲至地球附近空間后，最終停留目的地的選擇是一個(gè)重要問(wèn)題。捕獲目的地的選擇應(yīng)主要考慮：①未來(lái)載人小行星探測(cè)的銜接性；②提取小行星資源支持后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)；③捕獲后對(duì)地球的碰撞威脅；④動(dòng)力學(xué)可行性。其關(guān)鍵技術(shù)包括高精度動(dòng)力學(xué)環(huán)境下小行星運(yùn)動(dòng)特性分析與大質(zhì)量天體轉(zhuǎn)移的低能量軌道分析與設(shè)計(jì)。

“用”—目標(biāo)開(kāi)發(fā)與利用

針對(duì)操控后的小行星目標(biāo)，需解決無(wú)人或有人參與下的小行星資源利用與開(kāi)發(fā)問(wèn)題。開(kāi)展小行星的資源開(kāi)采與綜合利用。它包括小行星資源的原位利用，小行星自然平臺(tái)的利用，小行星基地的建設(shè)與維護(hù)以及涉及到載人登陸小行星探測(cè)等技術(shù)問(wèn)題。

（1）小行星平臺(tái)開(kāi)發(fā)問(wèn)題

利用小行星天體自身的軌道特性、物質(zhì)特性等，有多個(gè)方向的開(kāi)發(fā)可能，包括資源開(kāi)發(fā)平臺(tái)與星際航行平臺(tái)。

資源開(kāi)發(fā)平臺(tái)是指將小行星控制至可達(dá)的范圍內(nèi)，然后開(kāi)展機(jī)器人或載人小行星資源開(kāi)采，獲取小行星上稀有資源返回地球，或者直接利用小行星的礦物資源開(kāi)展在軌建造工作等。星際航行平臺(tái)是指利用小行星特殊的軌道，著陸小行星表面，利用小行星作為擺渡平臺(tái)，探測(cè)器可開(kāi)展探測(cè)，也可進(jìn)入休眠狀態(tài)，待小行星進(jìn)入合適的位置，探測(cè)器飛離小行星，進(jìn)入目標(biāo)軌道，可減少探測(cè)器的推進(jìn)劑需求，降低探測(cè)器規(guī)模或進(jìn)一步拓展探測(cè)距離。

（2）小行星資源利用問(wèn)題

原位資源利用是勘測(cè)、獲取和利用地外天體的天然或廢棄的資源，用于維持可長(zhǎng)期在地外生存的產(chǎn)品和服務(wù)的技術(shù)。原位資源利用的好處是，通過(guò)減少進(jìn)行長(zhǎng)期地外駐留任務(wù)期間的消耗品、推進(jìn)劑、結(jié)構(gòu)材料和其他物品的需求，從而顯著降低深空探測(cè)任務(wù)的質(zhì)量、成本與風(fēng)險(xiǎn)。

（3）載人小行星探測(cè)問(wèn)題

載人登陸小行星，參與小行星的資源開(kāi)發(fā)利用或開(kāi)展小行星相關(guān)科學(xué)研究也是未來(lái)的發(fā)展方向，需要考慮航天員短期或長(zhǎng)期登陸，居住在小行星所面臨的環(huán)境、生理、心理等多方面的技術(shù)問(wèn)題。主要關(guān)鍵技術(shù)包括長(zhǎng)期生命保障、空間輻射生物學(xué)研究及微重力生物學(xué)研究等技術(shù)。

（4）相關(guān)法律與政策問(wèn)題

太空已成為人類繼陸地、海洋和大氣空間之后的第四個(gè)活動(dòng)領(lǐng)域。同人類其他活動(dòng)一樣，太空活動(dòng)也需要一系列規(guī)范來(lái)約束，使之能夠有序進(jìn)行，并符合參與空間活動(dòng)的國(guó)家利益、人類共同利益。外層空間是全人類共有的資源，各國(guó)探索、利用和開(kāi)發(fā)這一資源的活動(dòng)應(yīng)在國(guó)際空間法框架下進(jìn)行。

小行星資源利用開(kāi)發(fā)作為全新的概念，目前缺乏相關(guān)法律依據(jù)，需要參與開(kāi)發(fā)的國(guó)家，組織和機(jī)構(gòu)共同協(xié)商并完善。聯(lián)合國(guó)和平利用外層空間委員會(huì)（外空委）是制定空間法的主要機(jī)構(gòu)。空間法主要由5個(gè)國(guó)際條約和5套法律原則構(gòu)成。

4 我國(guó)小行星探測(cè)任務(wù)路線圖設(shè)想

我國(guó)依托嫦娥－2，在擴(kuò)展階段抓住機(jī)會(huì)實(shí)施了一次小行星飛越探測(cè)，接下來(lái)小行星探測(cè)任務(wù)需從未來(lái)10～20年長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃層次，來(lái)對(duì)小行星任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃與定位，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌規(guī)劃，分步遞進(jìn)，快速發(fā)展。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外小行星探測(cè)構(gòu)想、規(guī)劃和任務(wù)，以及我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)儲(chǔ)備和未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，本文提出我國(guó)小行星探測(cè)“三步走”的發(fā)展策略，每一步的主要目標(biāo)分別是“探、控、用”，各步主要特征和目標(biāo)始終都存在于各次小行星探測(cè)任務(wù)中。

第一步：探（可達(dá)性）

我國(guó)探月工程的穩(wěn)步開(kāi)展，為后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，所以為了加快躋身世界小行星探測(cè)領(lǐng)域的先進(jìn)行列，我國(guó)小行星探測(cè)的第一步應(yīng)以“高起點(diǎn)、高要求”為原則，多步并一步，通過(guò)一次任務(wù)，實(shí)現(xiàn)以近地小行星飛越、附著、原位分析、采樣返回探測(cè)為主，以拓展新目標(biāo)或技術(shù)演示驗(yàn)證為輔的多任務(wù)、多目標(biāo)探測(cè)；突破軌道借力、長(zhǎng)壽命電推進(jìn)、非合作目標(biāo)交會(huì)、弱引力天體采樣等關(guān)鍵技術(shù)。

第二步：控（主動(dòng)性）

將小行星操控至月球或者L2點(diǎn)軌道，更有利于后續(xù)對(duì)小行星的開(kāi)采和利用。因此我國(guó)小行星探測(cè)第二步以近地小行星為目標(biāo)，實(shí)施接近、伴飛、主動(dòng)操控變軌至L2點(diǎn)，發(fā)展天文導(dǎo)航、大范圍軌道機(jī)動(dòng)與控制、新型材料制造、新型電源制造、極限高低溫?zé)峥乇Ｕ稀⒎呛献髂繕?biāo)姿態(tài)軌道識(shí)別、地外天體結(jié)構(gòu)成分識(shí)別等新興技術(shù)，形成對(duì)外太空非合作目標(biāo)的主動(dòng)操控能力。同時(shí)構(gòu)筑小行星防御體系，消除地外天體“自然”或者“人為”撞擊對(duì)人類家園的致命威脅，保證國(guó)家安全。

第三步：用（全面性）

通過(guò)前兩步，我國(guó)應(yīng)可以全面掌握小行星探測(cè)的主要共性技術(shù)，后續(xù)應(yīng)以小行星的“資源利用”為目標(biāo)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，第三步可選擇具有特殊資源的小行星，可通過(guò)機(jī)器人開(kāi)采探測(cè)，也可通過(guò)主動(dòng)操控其軌道，使其成為地球或者月球衛(wèi)星，并通過(guò)載人或者無(wú)人方式對(duì)其資源進(jìn)行開(kāi)采，其中原位利用技術(shù)可為人類拓展生存空間奠定基礎(chǔ)。

5 總結(jié)

小行星是近期太空探索最有價(jià)值的目標(biāo)之一，是人類進(jìn)一步發(fā)展航天深空探測(cè)能力、拓展航天任務(wù)范疇的重要寶庫(kù)。小行星探測(cè)可填補(bǔ)太陽(yáng)系形成與演化、生命起源的科學(xué)空白，推動(dòng)“物質(zhì)構(gòu)造、意識(shí)本質(zhì)、宇宙演化”等基礎(chǔ)科學(xué)研究，牽引空間自主智能、高能量推進(jìn)、目標(biāo)確認(rèn)與價(jià)值評(píng)估、原位分析與采樣返回等關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展。目前，世界各國(guó)的小行星探測(cè)活動(dòng)正處于起步階段，及時(shí)介入小行星深空探測(cè)領(lǐng)域?qū)⑹刮覈?guó)在國(guó)際空間探測(cè)活動(dòng)中占有有利地位。盡早系統(tǒng)性開(kāi)展小行星探測(cè)科學(xué)、監(jiān)測(cè)、操控等專題研究，提前開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)自主研究，實(shí)施一次“起點(diǎn)高、任務(wù)新”的小行星探測(cè)任務(wù)，對(duì)于彰顯航天強(qiáng)國(guó)地位，以及搶占深空探測(cè)主動(dòng)權(quán)和制高點(diǎn)有著不可估量的戰(zhàn)略意義。