美國“小行星重定向任務”研究

劉映國 （中國國防科技信息中心）

美國“小行星重定向任務”研究

劉映國 （中國國防科技信息中心）

Study on U.S. Asteroid Redirect Mission

“小行星重定向任務”（ARM）是美國奧巴馬政府規(guī)劃的近期載人航天探索目標，由機器人階段和載人飛行階段兩部分組成。其主要任務是無人航天器在飛越地-月空間的近地小行星上收集巨型石塊，并改變該石塊飛行方向進入遠距離月球逆向軌道，然后由載人航天器與巨型石塊交會并俘獲，航天員對石塊進行采樣返回。“小行星重定向任務”是美國載人探索火星計劃的過渡性項目，旨在為21世紀30年代載人探索火星演示驗證相關技術。同時，美國政府實施該項目計劃的意圖還在于，彌補“國際空間站”（ISS）2024年退役后的載人飛行活動空白期，并推進載人航天飛行技術與能力創(chuàng)新發(fā)展，爭奪世界航天發(fā)展的戰(zhàn)略優(yōu)勢。

“小行星重定向任務”機器人階段任務于2016年7月完成關鍵決策點B（KDP-B）里程碑評審，并由美國航空航天局（NASA）管理機構在8月15日正式批準。關鍵決策點B評審是任何一項航天飛行任務一系列全壽命里程碑審查計劃中的關鍵評審，標志著整個任務向發(fā)射前進了一大步。在關鍵決策點B里程碑階段，NASA確定了“小行星重定向任務”機器人階段任務的具體內容、所需費用和計劃進度，標志著該任務進入全面實施階段。2016年11月17日，美國國家研究委員會特別任務小組發(fā)布《“小行星重定向任務”與優(yōu)先小物體科學與探索目標關系》報告，提供的專家研究意見是該任務可實現數十項科學目標，并為未來載人深空探測任務提供戰(zhàn)略知識服務?！靶⌒行侵囟ㄏ蛉蝿铡笔敲绹?010年提出載人探索火星任務目標后，NASA在2013年正式提出并力推的一項短期載人航天飛行活動的第一階段任務，既有為載人探索火星演示驗證技術與能力的想法，又有保持載人航天戰(zhàn)略優(yōu)勢的意圖，引發(fā)了國際社會的廣泛關注。2017年3月，美國特朗普政府提出終止“小行星重定向任務”，但仍將保留部分關鍵技術研發(fā)。

1 “小行星重定向任務”設想

NASA宣稱，其正在實施一項破天荒的機器人探訪近地小行星任務，將從小行星表面收集質量為數噸的巨大石塊，并改變其運行方向進入圍繞月球的穩(wěn)定軌道。當這塊巨石進入月球軌道后，由航天員對其進行探測，并在21世紀20年代實現取樣返回。這個被稱作“小行星重定向任務”的計劃，是NASA在21世紀30年代實現載人探索火星系統(tǒng)對所需技術進行驗證，并積累航天飛行經驗工作的一部分。

按照計劃設想，“小行星重定向任務”由機器人俘獲小行星階段和航天員探測重定向巨石階段兩部分任務組成。第一階段任務計劃在2020年前后發(fā)射“小行星重定向任務”機器人航天器，使用機械臂從一個小行星上俘獲一塊巨石，然后將小行星巨石塊收攏，并由機器人航天器將其運行方向改變到圍繞月球的穩(wěn)定軌道上，這一軌道稱作“遠距離逆向軌道”。第二階段任務是2025年前后由NASA的“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）運載火箭發(fā)射“獵戶座”（Orion）載人飛船，運送航天員對重定向的小行星巨石進行探測并取樣返回。

NASA將選擇在體積與質量上便于俘獲的小行星，且這種體積與質量的小行星能夠在穿越地球大氣層時燃盡，而不會對人類造成危害。另外，為確保進入一個穩(wěn)定軌道，重定向的小行星巨石塊將選擇月球的遠距離逆向軌道，從而能夠保證它不會撞擊地球。

從2013年提出小行星倡議以來，NASA的“近地目標觀測項目”對由各類搜尋小組發(fā)現的1000多顆近地小行星進行了分類編目。目前，有4個近地小行星可作為“小行星重定向任務”的候選目標?？茖W家期望在未來幾年能夠搜尋到更多的此類小行星，NASA也將對這些候選小行星的速度、軌道、體積與旋轉情況進行研究，以為“小行星重定向任務”確定最終的目標小行星。

“小行星重定向任務”是NASA小行星倡議工作的一部分。該倡議還包括一個“小行星挑戰(zhàn)大賽”，目標是通過非傳統(tǒng)的協(xié)作與合作方式，以加速NASA找出對地球具有潛在危險小行星的工作。該挑戰(zhàn)大賽也能夠幫助NASA為其“小行星重定向任務”確認候選的小行星。

2016年初，NASA將機器人任務發(fā)射日期更新為2021年12月。此次評審后，該任務的總建設費用也由12.5億美元增加到14億美元，這不包括發(fā)射費用和發(fā)射后運行階段的費用。另外，“小行星重定向任務”第二階段的載人飛行任務發(fā)射時間預定在2026年，目前仍處于早期任務方案規(guī)劃階段。

經過關鍵決策點B里程碑評審，NASA批準“小行星重定向任務”進入下一設計階段，并啟動機器人部分的研發(fā)工作。此次評審確定“小行星重定向任務”機器人階段任務主要是演示相關技術，包括：①先進、高能、高效太陽能電推進技術；②低重力星體周圍自主高速運行技術；③受控降落并從低重力星體攜帶大量物質飛離技術，演示航天員艙外活動選樣、采集、儲存與返回；④無人航天器與載人航天器對接任務操作技術。NASA還提出，機器人階段任務還將演示行星防護技術，以在未來必要時能使危險的小行星偏離其運行軌道，從而為地球提供保護。

2 “小行星重定向任務”的技術貢獻

NASA宣稱，小行星是來自太陽系形成物的殘留物質，航天員將攜帶更多可用于研究的樣品返回地球，這將開啟有關太陽系組成與地球上生命起源新的科學發(fā)現之門。同時，NASA還強調，“小行星重定向任務”將極大推進其載人探索火星的步伐，為在21世紀30年代載人探測這一“紅色星球”試驗提供所需能力。

通往火星的試驗場

在過往的40年里，在太空飛行的航天員始終依賴來自地球的再補給與運行支持，像“阿波羅”（Apollo）飛船與航天飛機這樣的載人航天器，其任務持續(xù)時間僅為數天或數周。即使是在近地軌道的“國際空間站”上，一般航天員在軌停留也只有6個月。在出現緊急情況時，空間站上的航天員幾個小時就能返回地球，這些任務都被稱作“地球依賴型”。

在空間站上開展的試驗，將幫助人類開發(fā)出打破這種“地球依賴”束縛的方式，從而使航天員能夠更自主地進入遙遠的太陽系完成其探索任務?！靶⌒行侵囟ㄏ蛉蝿铡敝械臋C器人任務和載人任務對小行星的探索，將在地-月空間“試驗場”進一步提升這些能力。

圍繞月球的深空環(huán)境與近地軌道環(huán)境大不相同，但與來往于火星的“獵戶座”飛船所經歷的環(huán)境則極為相似，都需要對太陽與宇宙輻射進行更嚴密的防護。就現有技術能力而言，來往于地-月空間的運行時間比進入近地軌道耗費時間要長，對航天員來說將需要9～11天，運送貨物則需要10～100天。而來往于火星系統(tǒng)的載人任務可能會持續(xù)500天或更長時間，其中每次運送人員都需要6～9個月，且在火星及其衛(wèi)星的火星系統(tǒng)中飛行與地球的關聯(lián)將更少。因此，前往火星的任務將必須是“地球非依賴型”。NASA將“小行星重定向任務”定位為通往火星的試驗場，通過研發(fā)和試驗大量新的技術與能力，直接促進未來火星任務的實現。

太陽能電推進

使用先進的太陽能電推進技術，是未來任務中將更大載荷運送到深空和火星系統(tǒng)中不可或缺的技術能力。與化學推進由燃燒與噴嘴產生推力方式不同，太陽能電推進由太陽帆板陣列產生的電能形成電磁場來加速帶電原子，以產生非常低的但推進效率高的推力。傳統(tǒng)的化學推進能源推力是“小行星重定向任務”采用的太陽能電推進推力的5～10倍。

在第一階段，機器人將俘獲并改變從小行星上所收集巨石的運行方向，試驗這種最大的也是最先進的太陽能電推進系統(tǒng)。該任務還將試驗由“航天發(fā)射系統(tǒng)”運載火箭發(fā)射的“獵戶座”飛船。這些新技術將幫助NASA把大量貨物、居住艙和推進劑先于載人任務運送到火星上。

軌道控制與導航

在地球重力場與月球重力場作用下，積累使用低推力推進系統(tǒng)移動像小行星這樣的大質量物體的經驗，有助于為未來火星任務研發(fā)更有價值的軌道控制與導航技術?；鹦禽d人任務需要從地球上遠距離運送更多貨物，其數量要遠大于目前運送到空間站上的貨物，而現在向空間站運送貨物也就耗費1～3天的時間。

在地-月空間俘獲小行星，并將從小行星上收集的數噸重巨石運送到月球遠距離逆向軌道，需要完成一系列精準機動，實現軌道控制。同時，這些任務是在長時間延遲情況下遠距離完成，需要精準的自主技術作支撐，且具備精準的動力平衡與姿態(tài)控制能力，這與提前將貨物運送到火星的工作類似。

此外，在地-月空間利用“獵戶座”飛船前往小行星的載人任務，也需要1套與機器人航天器機動、交會和對接的裝置。無論是離開還是進入月球遠距離逆向軌道，在月球表面100km上空完成這樣的任務都需要克服月球重力的作用。因此，在進入和離開月球遠距離逆向軌道時，需要非常精準的導航能力，就好像是進入和離開火星軌道一樣需要這種精準導航能力。

先進航天服

NASA目前在“國際空間站”上使用的航天服仍是40年前設計的，需要定期來自地球上的物資再補給。航天服作為艙外活動單元（EMUS），不能由航天員在太空進行維修，而是要返回地球維護。為在深空和火星表面運行而設計的航天服，必須對“基本生命保障系統(tǒng)”（PLSS）進行改進，因為在火星表面有二氧化碳大氣層存在的情況下，將使現有“基本生命保障系統(tǒng)”的冷卻技術失效。

NASA正在研究一種先進的“基本生命保障系統(tǒng)”，通過提高二氧化碳清除、濕度控制和氧氣管理效率，用于火星任務或在深空為航天員提供保護。冷卻系統(tǒng)也將重新設計，以確保液體在空間的長時間儲存，并小幅增加大氣壓力，以形成與火星表面相似的環(huán)境。為提高航天服熱容量和敏捷性，NASA也在通過評估手套的適用性來改進航天服的機動性。目標是使新設計的“基本生命保障系統(tǒng)”壽命更長，并可由航天員在太空或火星上進行維修。在“小行星重定向任務”的載人飛行任務期間，航天員進行早期探索并為收集小行星樣品進行太空行走，同時也將對先進的“基本生命保障系統(tǒng)”進行試驗。

樣品收集與儲存技術

搭乘“獵戶座”飛船的航天員將從改變了運行方向的小行星巨石上收集樣品，并將這些樣品帶回地球進行科學評估與研究。另外，通過對小行星的研究獲得有關小行星內部結構的信息，可回答許多長期爭論的太陽系構成等問題。一些小行星還可能攜帶有可供未來航天員使用的資源，如可提取水、可供呼吸的空氣，以及可用于生產火箭燃料或3D打印的材料等。

這些經驗將有助于研發(fā)新一代安全的樣品收集和儲存技術，可使NASA為火星取樣返回做準備。新樣品儲存技術能夠確保這些樣品不會被地球上的微生物污染，同時也能保護地球不會受到返回樣品的任何潛在危害。此外，這些技術還將用于火星塵埃的處理，以減緩火星塵暴對航天服、“基本生命保障系統(tǒng)”和“獵戶座”飛船內部的污染。交會與對接裝置

未來的載人探索火星任務需要航天器在深空進行交會與對接的新能力，NASA將改進現在用于“國際空間站”上的“國際對接系統(tǒng)”?；鹦翘綔y任務需要首先將居住艙或貨物艙等一些艙段運送到地-月空間，然后由航天員艙段與這些艙段完成對接后再正式飛往火星。航天員從火星表面返回地球時仍需要與“獵戶座”飛船進行再對接。

通過“小行星重定向任務”，NASA將研發(fā)新的交會與逼近探測器系統(tǒng)，并通過機械與電子裝置將兩個航天器聯(lián)結在一起。這些組件對未來地-月空間和火星任務都十分關鍵。

此外，“小行星重定向任務”使用的是為未來火星探索任務研發(fā)的“獵戶座”飛船和“航天發(fā)射系統(tǒng)”運載火箭。這將有效降低自身任務所需費用，也將節(jié)省對這些硬件系統(tǒng)進行技術改進所需的時間。因此，“小行星重定向任務”不會增加火星探索任務的研發(fā)工作，又在地-月空間積累了飛行經驗，并對新系統(tǒng)與能力進行試驗，將更有助于推動載人探索火星目標的實現。