再見，“小行星重定向任務(wù)”

郭筱曦（北京空間科技信息研究所）

2017年6月，美國國家航空航天局（NASA）正式宣布取消原計劃從一顆小行星表面采集一塊巨石拖回月球附近軌道并安排航天員到訪的“小行星重定向任務(wù)”（ARM）。奧巴馬總統(tǒng)任內(nèi)提出的這一“創(chuàng)新”的載人小行星探索方案，在新總統(tǒng)特朗普上任初始便慘遭“扼殺”。12月，特朗普簽發(fā)總統(tǒng)令，指示NASA實施載人重返月球。隨著總統(tǒng)換屆，美國探索太空的計劃一直在調(diào)整。本文對該項目的背景、意義、進(jìn)展及隨之而來的爭議進(jìn)行了回顧、總結(jié)和分析。

1 項目背景

小行星是太陽系內(nèi)類似行星環(huán)繞太陽運動，但體積和質(zhì)量比行星小得多的固態(tài)小天體。近地小行星（NEA）則指軌道在地球軌道附近或與地球軌道相交的小行星，近日點在1.3個天文單位以內(nèi)。在主要航天國家之中，只有美國明確提出過載人小行星探索計劃。

NASA對于小行星任務(wù)的新規(guī)劃根植于該機(jī)構(gòu)的傳奇歷史，想法可以追溯到成立初期。在1964年一份名為“長遠(yuǎn)未來任務(wù)規(guī)劃”的文件中，NASA就表達(dá)了在20世紀(jì)70年代結(jié)束之前利用無人探測器到訪小行星的愿望，但時任NASA局長羅伯特·福羅什也坦言，當(dāng)時最先進(jìn)的技術(shù)也不足以實現(xiàn)這一目標(biāo)。自20世紀(jì)70年代以來，NASA一直在研究到訪小行星的可能途徑，先后實施過多次任務(wù)，或?qū)ｉT研究小行星，或在飛向其他行星的途中飛越小行星。

2010年2月，美國時任總統(tǒng)奧巴馬取消了其前任小布什政府提出的、已經(jīng)進(jìn)入工程研制階段的“星座”計劃（Constellation Program），同時發(fā)布“21世紀(jì)新太空探索”戰(zhàn)略，確定目標(biāo)是進(jìn)行月球以遠(yuǎn)的載人深空探索。同年發(fā)布新版《美國國家航天政策》，提出在2025年前實施月球以遠(yuǎn)的載人探索任務(wù)，包括載人到訪小行星，2035年左右實現(xiàn)載人繞火星探索活動。取消“星座”計劃、轉(zhuǎn)而走上小行星探索途徑的根本原因可歸結(jié)為美國已經(jīng)實現(xiàn)人類首次登月，更期望探索人類未及疆域。不只奧巴馬政府對再次登月不感興趣，時任NASA局長查爾斯·博爾登也一向不主張重返月球。隨“星座”計劃中止的還有主宰近地軌道載人往返30年的航天飛機(jī)計劃，此后美國航天員只能借助他國飛船進(jìn)入太空和“國際空間站”。由于無法忍受曾經(jīng)的載人航天絕對領(lǐng)導(dǎo)地位旁落，奧巴馬政府提出了史無前例的載人小行星探索目標(biāo)。

在美國新航天政策背景下，NASA內(nèi)部成立的“空間架構(gòu)團(tuán)隊”開始評估載人探索近地小行星所需的系統(tǒng)和資源，與外部的科學(xué)、學(xué)術(shù)和工程團(tuán)體合作開展了初步研究，并于2010年8月舉辦了主題研討會。經(jīng)過多年規(guī)劃和近期的技術(shù)發(fā)展，NASA認(rèn)為有能力加快計劃，以實現(xiàn)其構(gòu)想了40多年的小行星探索計劃。

2011年9月至2012年4月，美國加州理工學(xué)院凱克空間研究所（KISS）牽頭對近地小行星捕獲任務(wù)進(jìn)行了可行性研究，參與者來自NASA的5個中心及噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）、8所大學(xué)、行星協(xié)會、B612基金會、商業(yè)公司等。凱克空間研究所的可行性研究得出主要結(jié)論：利用已具備或可能在10年內(nèi)實現(xiàn)的技術(shù)，將一顆直徑7m、質(zhì)量500t的近地小行星捕獲并重定向至月球高軌道是可行的。2013年1～3月，以凱克空間研究所研究成果為基礎(chǔ)，NASA噴氣推進(jìn)實驗室牽頭深入研究了任務(wù)的可行性。

2 “小行星重定向任務(wù)”（2013—2017）

經(jīng)過前述的一系列研究和準(zhǔn)備工作，2013年4月，NASA在新財年預(yù)算案中提出一項全新的“小行星倡議”（Asteroid Initiative）。該倡議由2個獨立但相關(guān)的部分組成：“小行星重定向任務(wù)”（ARM）和“小行星大挑戰(zhàn)”（Grand Challenge）。后者主要針對行星防御，前者則是本文探討的重點。

“小行星重定向任務(wù)”由噴氣推進(jìn)實驗室提出并牽頭，集結(jié)了NASA多個中心的研究力量，利用并整合了NASA在載人探索、空間技術(shù)和空間科學(xué)方面的活動，以期提升未來載人和無人任務(wù)所需的能力。“小行星重定向任務(wù)”將部署一個無人航天器捕獲一顆小行星或從一顆小行星表面采集一塊巨石，再拖至月球附近的穩(wěn)定軌道上，隨后由航天員與其交會并進(jìn)行就位研究。經(jīng)過目標(biāo)遴選和觀測環(huán)節(jié)之后，“小行星重定向任務(wù)”主體分為兩個階段。

1）無人小行星捕獲階段：飛行器利用充足的器載推進(jìn)能力，捕獲一顆小行星或從一顆小行星表面采集一塊巨石，再拖至月球附近的穩(wěn)定軌道上；

2）載人小行星探索階段：載人飛船與已重定向至地月空間的小行星或巨石交會，進(jìn)行勘測、研究和采樣，確定其成分和內(nèi)部構(gòu)造，并評估資源利用潛能。

無人小行星捕獲階段將發(fā)射無人飛行器與目標(biāo)小行星交會。該飛行器利用功率超過當(dāng)今最先進(jìn)水平30倍的太陽能電推進(jìn)（SEP）技術(shù)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生連續(xù)小推力，極大降低往返航行所需的推進(jìn)劑量。NASA針對這一部分在兩種方案之間進(jìn)行了權(quán)衡評估，方案（A）捕獲一顆小型小行星，與平均直徑小于10m、質(zhì)量小于1000t的近地小行星交會，隨后捕獲這顆自旋小行星；方案（B）前往一顆較大的小行星，從其表面取回一塊巨石，與一顆較大（直徑約100m）的近地小行星交會，采集直徑約2～4m的巨石（質(zhì)量約10～70t）。兩種方案都計劃演示驗證行星防御技術(shù)，如利用無人小行星重定向飛行器使可能具有威脅的小行星轉(zhuǎn)向。隨后，將捕獲到的小行星/巨石機(jī)動至穩(wěn)定的、乘員可達(dá)的月球軌道——大幅值逆行軌道（DRO）。2015年3月選定方案（B）。

載人小行星探索階段即“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）/“獵戶座”（Orion）飛船的第二次探索任務(wù)（EM－2），從發(fā)射到乘員返回地球共持續(xù)26天。兩人乘組搭乘“獵戶座”飛船，由“航天發(fā)射系統(tǒng)”I構(gòu)型發(fā)射。在第9～10個飛行日與大幅值逆行軌道上的無人小行星重定向飛行器交會、對接。航天員在此將進(jìn)行兩次艙外活動，以驗證深空艙外活動能力并采集小行星樣品。在第15個飛行日組合體解除對接，開始返回地球。在第26個飛行日，飛船執(zhí)行跳躍式再入地球大氣層，濺落在美國沿海水域。

NASA堅持認(rèn)為，“小行星重定向任務(wù)”是其載人火星探索規(guī)劃中的重要一步。很多為“小行星重定向任務(wù)”開發(fā)的技術(shù)和制定的概念方案都可擴(kuò)展到載人火星探索。“小行星重定向任務(wù)”的可擴(kuò)展性包括無人任務(wù)部分和載人任務(wù)部分。對于無人任務(wù)部分，太陽能電推進(jìn)系統(tǒng)能力可用于其他載人探索任務(wù)；機(jī)械臂技術(shù)適用于衛(wèi)星在軌服務(wù)等任務(wù)，為今后載人近地小行星或火星衛(wèi)星任務(wù)提供表面接觸或操縱能力；末端執(zhí)行器/抓爪（即微刺技術(shù)）可用于未來月球、火星、火星衛(wèi)星的無人探索，還可用于探索近地小行星、主小行星帶等天體；行星防御技術(shù)和通過該任務(wù)可能獲得的經(jīng)驗也與未來任務(wù)相關(guān)且可擴(kuò)展。對于載人任務(wù)部分，除采集和返回樣品外，還將驗證重型運載火箭與新型載人飛船支持地月轉(zhuǎn)移任務(wù)的能力，飛船與無人飛行器的交會對接系統(tǒng)，以及深空艙外活動和相關(guān)工具等。

2016年1月，噴氣推進(jìn)實驗室向多家公司授出無人小行星重定向飛行器的設(shè)計研究合同。5月，意大利航天局（ASI）同意參與聯(lián)合研究。8月，NASA批準(zhǔn)“小行星重定向任務(wù)”無人任務(wù)部分進(jìn)入“關(guān)鍵決策點B”，這意味著該任務(wù)剛剛完成概念方案和技術(shù)方案的制定，但尚未進(jìn)行初步設(shè)計評審。此外，無人任務(wù)和載人任務(wù)的發(fā)射日期分別推遲至2021年12月和2026年12月。

原本“小行星重定向任務(wù)”進(jìn)展還算順利，但進(jìn)入2017年之后，其命運卻急轉(zhuǎn)直下。3月，美國白宮發(fā)布2018財年聯(lián)邦政府預(yù)算申請，提議取消“小行星重定向任務(wù)”。項目團(tuán)隊在4月收到NASA高層的“撤資通知”。6月，在眾議院科學(xué)委員會航天小組委員會關(guān)于NASA預(yù)算申請的聽證會上，眾議院科學(xué)委員會對NASA預(yù)算申請“終結(jié)了上屆政府考慮不周的小行星任務(wù)”表示支持。隨后，“小行星重定向任務(wù)”進(jìn)入“有序收尾”階段，項目團(tuán)隊被要求整理已完成的工作成果，并根據(jù)情況將項目活動移交給其他潛在任務(wù)或歸檔以供未來使用。NASA特意強(qiáng)調(diào)，以太陽能電推進(jìn)技術(shù)為首的一眾關(guān)鍵技術(shù)都將繼續(xù)推進(jìn)。

3 立項以來爭議不斷，項目合理性難以立足

“小行星重定向任務(wù)”從提出到取消一直未獲美國國內(nèi)廣泛認(rèn)可。NASA內(nèi)部咨詢機(jī)構(gòu)和外部獨立研究機(jī)構(gòu)紛紛表達(dá)了對該項目的意見，主要包括NASA咨詢委員會（NAC）、小天體評估工作組（SBAG）和美國國家研究委員會（NRC）。這三家研究機(jī)構(gòu)給出的專業(yè)意見足以代表美國相關(guān)科研工作者的共識。而且，美國國會也對該任務(wù)成見頗深。

美國國內(nèi)各界對“小行星重定向任務(wù)”的質(zhì)疑主要集中在以下幾點。

質(zhì)疑之一：任務(wù)的真正目的不明確

NASA在解釋“為什么堅持實施‘小行星重定向任務(wù)’”的問題上做得不盡如人意。NASA時任局長博爾登承認(rèn)是因為NASA同時進(jìn)行“小行星重定向任務(wù)”和“小行星大挑戰(zhàn)”所以引起混亂：行星防御不是“小行星重定向任務(wù)”的目的，而是“小行星大挑戰(zhàn)”的目的。但NASA很多人都把“行星防御”列為“小行星重定向任務(wù)”的重要理由，甚至寫進(jìn)了官方發(fā)布的情況說明中。小天體評估工作組強(qiáng)調(diào)，這項計劃與遴選科學(xué)任務(wù)的過程相反，科學(xué)任務(wù)應(yīng)由嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)和只能由航天任務(wù)回答的難題支撐，認(rèn)為“‘小行星重定向任務(wù)’這樣的‘一錘子買賣’將不可挽回地破壞小天體探索計劃”。

質(zhì)疑之二：探索與科學(xué)價值均不明顯，與載人登火目標(biāo)聯(lián)系不緊密

NASA將載人小行星探索的地位定為載人火星探索的“墊腳石”。但NASA咨詢委員會認(rèn)為，小行星捕獲任務(wù)或許可以驗證技術(shù)能力，但與載人火星任務(wù)的長遠(yuǎn)戰(zhàn)略之間沒有顯而易見的聯(lián)系。NASA蘭利研究中心載人架構(gòu)團(tuán)隊也認(rèn)為，火衛(wèi)一和火衛(wèi)二更值得探索，因為它們距離火星足夠近，科學(xué)價值高，且可以應(yīng)用與登火任務(wù)相同的乘員運輸系統(tǒng)。小天體評估工作組認(rèn)為，“小行星重定向任務(wù)”不存在任何科學(xué)價值，因為將一顆小行星拖到離地球近一點的地方對鋪墊載人火星任務(wù)的作用微乎其微。

質(zhì)疑之三：與最初目標(biāo)相悖，捕獲的小行星不同于在天然軌道上的小行星

美國眾議院科學(xué)委員會表示，更期待看到航天員重返月球，嚴(yán)厲指責(zé)“小行星重定向任務(wù)”是“隨意”構(gòu)建的計劃，在“捕獲小行星對于載人探索是否浪費時間”這個問題上持堅定的反對立場，認(rèn)為由無人探測器來完成更好。2010年，奧巴馬總統(tǒng)指示NASA在2025年之前將航天員送上小行星，而不是把一顆小行星拖到航天員面前。2013年，白宮卻提出“小行星重定向任務(wù)”取而代之。小天體評估工作組明確表示，總的來說他們不反對載人近地小行星任務(wù)，只反對“小行星重定向任務(wù)”。

質(zhì)疑之四：成本/技術(shù)風(fēng)險巨大，可能遠(yuǎn)超NASA預(yù)想

凱克空間研究所的可行性研究估計，無人小行星任務(wù)的總成本約為26億美元，還不包括發(fā)射費用和后續(xù)載人任務(wù)的成本。NASA咨詢委員會擔(dān)心“小行星重定向任務(wù)”可能會引起不可接受的成本和技術(shù)風(fēng)險，使美國在接下來20年中花費1600億美元在載人航天上，但只是“無比接近”載人登火。NASA咨詢委員會曾建議在做出選擇前先進(jìn)行一項獨立的成本和技術(shù)評估，但這一建議并未被采納。直至2016年9月，美國國會再次要求NASA評估“小行星重定向任務(wù)”并制定替代方案。

4 結(jié)語

美國載人小行星探索的目標(biāo)是在奧巴馬政府上臺并取消重返月球的“星座”計劃之后提出的，而如今，特朗普上臺后“舊事”重提，在2017年12月宣布重啟載人登月計劃，這種戲劇性變化也是由政策的本質(zhì)決定的。美國載人航天的核心思想是“火星首位”，而在近地軌道通往火星的路徑選擇上，近些年來已幾經(jīng)波折。雖然載人火星任務(wù)的正面意義飽受非議，但也有專家認(rèn)為，圍繞“小行星重定向任務(wù)”展開的討論或許可以刺激學(xué)術(shù)界和工程界構(gòu)想出更多、更有效、更合理的載人探索途徑。

筆者從2011年開始從事載人航天領(lǐng)域情報研究工作，見證了“小行星重定向任務(wù)”從可行性論證、立項、方案論證、爭議纏身直至終止的近乎整個過程，雖早就研判過該項目的計劃可行性不高，但如今面對正式取消的結(jié)果，仍頗有感慨和唏噓。感慨的是以總統(tǒng)意志為轉(zhuǎn)移的美國載人航天計劃，在政府換屆之時必將受到巨大影響；唏噓的是曾在人類探索宇宙的進(jìn)程中取得空前成就的美國，卻因政治等原因無法堅持一以貫之的探索路線，最終導(dǎo)致最后一次登月之后的這幾十年來始終止步不前。我們應(yīng)該戒之，慎之。