近地小行星探測目標(biāo)的選擇

焦維新 （北京大學(xué)行星與空間科學(xué)研究中心）

近地小行星探測目標(biāo)的選擇

焦維新 （北京大學(xué)行星與空間科學(xué)研究中心）

Selection of the Near Earth Asteroid Targets

1 探測近地小行星面臨的問題

探測是研究的基礎(chǔ)，但與探測大天體相比，小行星探測面臨許多新問題，這些問題包括：

1）近地小行星（NEA）數(shù)量巨大，截至2017年5月1日，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了16089顆。從眾多的天體中選擇探測目標(biāo)，其難度可想而知。

2）近地小行星的軌道各異，如軌道傾角、偏心率、自旋周期、半主軸長度等參數(shù)相差很大。根據(jù)美國航空航天局（NASA）噴氣與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）給出的數(shù)據(jù)，近地小行星軌道傾角的范圍是0.02°～154°，偏心率的范圍是0.062～0.999，自旋周期的范圍是4min至700多小時(shí)。因此，與這些小行星進(jìn)行軌道交會(huì)所需要的能量也相差很大，如何權(quán)衡科學(xué)目標(biāo)和探測成本，也是值得考慮的重要問題。

3）近地小行星的大小相差很大，直徑從1m～33km。

4）按成分劃分，近地小行星可分為C類、M類和S類等，各類型的成分相差較大且表面形態(tài)各異，這些因素既影響到科學(xué)目標(biāo)的選擇，也直接關(guān)系到著陸和取樣的方法。

5）近地小行星的引力一般都很低，與在大天體上的再入、下降與著陸（EDL）很不相同，一般不存在嚴(yán)重撞擊目標(biāo)天體的問題；相反，往往是要注意著陸后的彈跳出逃問題，很多情況下需要考慮固定方法。

6）對近地小行星表面的地質(zhì)特征、形態(tài)特征等情況了解甚少，一般探測器抵近后才能了解這些具體情況，這給著陸器的設(shè)計(jì)帶來很大的不確定性。例如，巖石表面和“土壤”層的著陸方式很不相同，因此，著陸器的設(shè)計(jì)要適應(yīng)比較大范圍的表面情況。

這里討論如何選擇近地小行星作為探測目標(biāo)問題。分析時(shí)采用排除法，從近地軌道轉(zhuǎn)移到與目標(biāo)小行星交會(huì)軌道所需要的能量、小行星大小、小行星自旋周期、小行星可能撞擊地球的概率等方面，逐層次加以排除，最后再根據(jù)科學(xué)目標(biāo)的要求從候選目標(biāo)小行星中選擇。

2 選擇探測目標(biāo)的判據(jù)

速度增量

選擇探測目標(biāo)需要考慮的一個(gè)重要因素是速度增量△v，也就是從近地軌道（如400km高度）轉(zhuǎn)移至與目標(biāo)小行星交會(huì)軌道所需要的速度變量盡可能小，以便節(jié)省能量。作為參考，與火星交會(huì)所需的△v是6.3km/s，與月球交會(huì)的△v是6.0km/s。影響△v的因素很多，主要涉及小行星的軌道傾角（i）、軌道偏心率（e）和遠(yuǎn)日點(diǎn)距離（Q），而且是由這些參數(shù)的綜合因素決定的，單獨(dú)看與某個(gè)參數(shù)的關(guān)系并不顯著。

近年來，噴氣與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室在網(wǎng)站上直接公布近地小行星的速度增量數(shù)據(jù)。到2016年7月19日，共發(fā)現(xiàn)近地小行星14557顆，其中△v＜6.2km/s的只有3618顆。

近地小行星的大小

目標(biāo)小行星的直徑不能太小。如果太小，則引力很小，探測器著陸時(shí)會(huì)遇到困難；另外，直徑太小的小行星表面一般沒有或很少有風(fēng)化層，即通常所說的“土壤”，沒有土壤，著陸固定和取樣都有困難。體積很小的小行星一般自旋比較快，這也給安全著陸帶來困難。

綜合考慮，一般要求小行星的直徑大于200m，或者要求H＜21（H為絕對星等）。如果考慮小行星直徑的限制，則可將上述3618顆的候選范圍縮小到376顆，其中的4顆小行星已被國外進(jìn)行了著陸探測或被列為探測目標(biāo)，目前的待選目標(biāo)為372顆。

自旋周期

在考慮著陸或取樣返回探測方式中，小行星的自旋周期是需要認(rèn)真考慮的問題。在著陸過程中，小行星表面的預(yù)選目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)了很大距離，使得著陸器在指定地點(diǎn)著陸的難度增大。如果自旋周期太短，著陸器難以選擇合適的著陸點(diǎn)。

小行星的自旋周期與大小和類型有關(guān)。在確定探測目標(biāo)之前，通過雷達(dá)等探測手段了解預(yù)選小行星的自旋周期。從現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)看，很少發(fā)現(xiàn)直徑小于200m的小行星自旋周期小于2h，也很少發(fā)現(xiàn)直徑大于500m的小行星自旋周期小于2h。在上述372顆待選小行星中，有自旋周期數(shù)據(jù)的只有80多顆，已知4顆小行星的自旋周期小于2h，因此預(yù)選范圍縮小到368顆。

近地小行星類型

小行星表面的反射光譜反應(yīng)了其本身物質(zhì)的組成。根據(jù)小行星的反照率和光譜特性，可將小行星分為A、V、E、M、S、C、B、G、F、P、D等類型。其中C、S和M類是最早的分類，C表示碳，S表示硅，M表示金屬。

C類：極暗，反照率約0.03，硅酸鹽和不透明物（碳），類似碳質(zhì)球類隕石。約占已知小行星的75%。集中在2.8AU附近的小行星是C類小行星，其頻譜平坦，在紫外頻譜吸收。這種頻譜特征表明，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)小行星的表面發(fā)生過含水的變化過程。

S類：靠近太陽的小行星大多數(shù)是S類，相對亮，反照率為0.10～0.22，硅酸鹽+金屬的混合，類似鎳鐵石隕石，約占已知小行星的17%。

M類：明亮，反照率為0.10～0.18，純鎳鐵。

根據(jù)小行星的類型，又可以縮小選擇范圍。如果目的是研究太陽系的起源和演變，選擇C類小行星比較合適；如果目的是研究資源，選擇M類小行星比較合適。

表面物質(zhì)的形態(tài)

表面物質(zhì)的形態(tài)與著陸固定和取樣方法有密切的關(guān)系。例如，如果表面是堅(jiān)硬的巖石，沒有風(fēng)化層，著陸固定和取樣都比較困難，需要采取特殊的方法。表面形態(tài)與小行星大小有關(guān)系，如果近地小行星的直徑小于200m，基本上沒有風(fēng)化層，確定是否有風(fēng)化層的最好方法是用雷達(dá)探測表面物質(zhì)的極化比。

撞擊地球的概率

綜合軌道特征和大小，有一類小行星撞擊地球的危害性較大，被稱為對地球有潛在危險(xiǎn)的小行星（PHA）。最小軌道交會(huì)距離（MOID）是指兩個(gè)天體軌道間的最小交會(huì)距離，可以作為小行星與行星之間碰撞的早期指示。如果地球與小行星之間的最小軌道交會(huì)距離比較大，則近期不會(huì)發(fā)生碰撞；如果最小軌道交會(huì)距離比較小，則應(yīng)密切關(guān)注小行星軌道的變化，因?yàn)樗赡艹蔀樽矒粽摺？筛鶕?jù)最小軌道交會(huì)距離數(shù)據(jù)，判斷小行星撞擊地球的潛在危險(xiǎn)性。

另外，噴氣與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室還設(shè)立了專門的網(wǎng)站，展示這類小行星撞擊地球的概率。歐洲航天局（ESA）也有類似的網(wǎng)頁。根據(jù)這兩個(gè)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，當(dāng)前撞擊地球概率最大，且直徑大于200m以上的小行星有32顆。

根據(jù)上述6個(gè)判據(jù)，可以將近地小行星的探測目標(biāo)范圍縮小到100顆以內(nèi)。根據(jù)其他觀測數(shù)據(jù)和選定的科學(xué)目標(biāo)，選擇出最合適的目標(biāo)小行星。

3 候選近地小行星

阿波菲斯

99942號(hào)阿波菲斯小行星，其臨時(shí)編號(hào)為2004 MN4，于2004年6月19日發(fā)現(xiàn)。根據(jù)當(dāng)年176個(gè)觀測數(shù)據(jù)，認(rèn)為阿波菲斯在2029年撞擊地球的概率高達(dá)2.7%。但更多的觀測結(jié)果表明，2029年平均撞擊概率為0.004%，導(dǎo)致其杜林危險(xiǎn)指數(shù)降落至零級(jí)（無危害）。

研究指出，2029年4月13日阿波菲斯小行星到地球中心的距離為5.62～6.30Re；2036年4月13日，其撞擊地球的概率為0.00224%, 或者說是1: 45000。

2009號(hào)FD

2009號(hào)FD小行星在噴氣與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室“哨兵撞擊風(fēng)險(xiǎn)表”中曾經(jīng)排在第一位，是目前認(rèn)為最有可能撞擊地球的小行星，有文獻(xiàn)將其列為繼阿波菲斯和貝努后第三顆令人最感興趣的小行星。2009號(hào)FD小行星是在2009年3月發(fā)現(xiàn)的，屬于阿波羅群小行星。根據(jù)估算，該小行星在2185－2196 年撞擊地球的概率是0.29%。

涅柔斯

4660號(hào)涅柔斯小行星是一顆阿波羅類的近地小行星，也是穿越火星軌道的小行星。該小行星的最大特點(diǎn)是頻繁地靠近地球，在2100年前，它將7次接近地球，最靠近的第一次是在2021年12月，距離地球3.9×106km。雷達(dá)探測結(jié)果表明，涅柔斯表面有厘米級(jí)至分米級(jí)的粗糙度。

1950號(hào)DA

1950號(hào)DA小行星（29075）是在1950年2月23日發(fā)現(xiàn)的，在觀測了17天后從人們的視野中消失了半個(gè)世紀(jì)，后來在2000年12月31日重新被辨別出。根據(jù)2014年的研究，1950號(hào)DA在2880年撞擊地球的概率是0.05%。

阿波菲斯的基本參數(shù)

2008號(hào)EV5

2008號(hào)EV5小行星是一顆碳質(zhì)小行星，也是對地球有潛在危險(xiǎn)的小行星，其形狀大體上是球形，直徑約400m，自旋周期約3.7h，近日點(diǎn)0.87825AU，遠(yuǎn)日點(diǎn)1.0384AU，偏心率0.083561，軌道傾角7.43819653°，軌道周期342.7天，與地球的最小軌道交會(huì)距離為0.0138092AU。從低地球軌道到達(dá)2008號(hào)EV5的△v為5.629km/s。下次靠近飛越地球的時(shí)間為2023年和2039年，與地球的回合周期大約為15年。

2016號(hào)WN55

2016號(hào)WN55小行星的直徑為0.451km，在2020－2114年有77次撞擊地球的機(jī)會(huì)。2039年9月13日，其到地球表面的距離僅4.18Re。