美國捕獲近地小行星之夢

□ 安慧

2013年12月14日21時11分,嫦娥三號探測器成功落月，中國探測器首次登上地外天體，這標志著我國已成為世界上第三個實現(xiàn)月球軟著陸的國家。在我國人民為此興高采烈時，我們自然會問，美國作為實現(xiàn)人類登月的國家，如何選擇載人航天的新目的地？

其實美國在進入21世紀后，就開始研究在完成國際空間站任務后美國載人航天下一個目的地是哪里？美國總統(tǒng)布什曾于2004年提議將在2020年前重返月球，并在那里建立月球基地，為進行載人探測火星做準備。美國航宇局（NASA）開始執(zhí)行了一項研發(fā)“戰(zhàn)神”系列火箭和“獵戶座”飛船的“星座計劃”。奧巴馬總統(tǒng)上臺后，面臨金融危機和財政壓力，考慮到“星座計劃”基本上是采用當年“阿波羅”計劃的技術，月球資源開發(fā)的前景也不太明朗，中國正在發(fā)展探月技術等，決定對美國載人航天計劃進行調整。2010年4月奧巴馬提出了美國“21世紀太空探索戰(zhàn)略”，計劃在2025年實現(xiàn)小行星載人探索任務，在21世紀30年代中期實現(xiàn)進入火星軌道的載人飛行，而后進行載人登陸火星。同年10月，奧巴馬簽署了《2011年NASA授權法案》，決定近地軌道以遠空間的載人航天目標，除了小行星、火星外還包括月球，同時也盡可能利用“星座計劃”開發(fā)的技術。

小行星帶

NASA公布的近地小行星的軌道

2012年NASA發(fā)布了《可持續(xù)的載人太空探索路線圖》，提出了多目的地的載人太空探索戰(zhàn)略，探索的長期目標定為載人登陸火星，而近期則提出了捕獲、轉向和航天員登陸小行星的計劃，企圖把應對小行星可能撞擊地球的威脅，開發(fā)小行星礦產(chǎn)資源和發(fā)展載人太空探索技術結合起來。

“愛神”小行星

小行星2012DA14的軌道

NASA對載人登陸小行星的一種設想

探索近地小行星的意義

仔細閱讀這個路線圖，不難發(fā)現(xiàn)NASA已將近地小行星作為美國載人航天的近期目的地。小行星（Asteroid）是太陽系內類似行星環(huán)繞太陽運動，但體積和質量比行星小得多的天體。太陽系中大部分小行星，其運行軌道在火星和木星之間，稱為小行星帶。至今為止，在太陽系內一共已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了約70萬顆小行星，但這可能僅僅是所有小行星中的一小部分。其中，直徑大于100千米的小行星很少。在小行星中，目前國際上最關心的近地小行星(NEA)有數(shù)百個，而直徑大于1千米的近地小行星卻有成千上萬個。2012年2月16日凌晨，直徑為44米的小行星2012DA14，從離地面約34800千米的距離飛過。

探索近地小行星，不僅可以揭示太陽系的形成和地球生命起源等科學問題，而且可以預測和應對小行星撞擊地球的威脅?？赡芙o人類帶來巨大恐慌和災難的太空天體威脅，當屬自然天體與地球可能發(fā)生的碰撞。事實上，這離人類并不遙遠，例如科學家最近預測，在2032年前后可能有小行星撞上地球；又如，2013年2月在俄羅斯車里雅賓斯克發(fā)生了隕石墜落事件。雖然一些報道有夸大危險之嫌，但對此絕不能輕視。通常，這種較大規(guī)模的碰撞發(fā)生頻率較低，一般幾十年才有一次，但它對人類社會可能造成的損失十分巨大。

太空小型天體與地球的碰撞，其實是一種正常的自然現(xiàn)象，每秒鐘都會有大量來自太空的微小顆粒沖進大氣層，每年都有直徑超過1米的天體墜落地球，每隔一二十年就會有直徑達到10米以上（例如在車里雅賓斯克落下的隕石）的天體“造訪”地球。最危險天體的直徑能夠達到數(shù)十米，它的墜落能夠將一座大城市夷為平地。不過，這樣的天體與地球相遇一次，需要數(shù)百年的時間。雖然這是小概率事件，但并不能因此低估小行星體對地球的沖撞。為了避免天體襲擊地球，人類需要采取相應措施，以防患于未然。

其次，在過去的100年間，全球人口從15億爆炸性地增長，到今天已超過70億，從而使人類對資源的需求也出現(xiàn)了相應的爆炸性增長。為了滿足這種增長的需求，除了要加強全社會的資源回收利用率之外，人類也必須前往一些前所未有的新疆域，進行礦產(chǎn)資源的開發(fā)工作，比如開發(fā)海底和太空的礦產(chǎn)資源等。小行星是太陽系在45億年前形成初期遺留下來的產(chǎn)物，它是巖石和塵埃的聚集體，有時候還含有一些冰和有機物質。因此，小行星或許將會成為人類開發(fā)礦產(chǎn)資源的下一個目的地。

小行星有許多類型，其中最重要的有3類。表面較暗的是C型小行星，它富含碳質，并擁有較高含量的水分，還含有一些含水的粘土礦物；稍顯明亮的是S型小行星，主要由巖石組成，其水含量相對低一些，但含有很大比例的金屬，主要是鐵、鎳和鈷等；還有一類是更明亮的M型小行星，其金屬含量比一般的S型小行星還高出10倍以上。雖然我們目前更多地關注后兩類小行星，但在未來人類向整個太陽系擴展生存空間時，富含水的C型小行星將顯得尤為重要。由此可見，小行星采礦將是本世紀的一個新興行業(yè)，我們既可以對小行星上的貴金屬進行開采，補充地球上稀缺的資源；又可以利用小行星巖石中的鐵來制造新的航天器，分解含水礦物的水來制成氫和氧，當作火箭的燃料。

在技術上，探索近地小行星可以早于探索火星，以便NASA可以通過這個項目，試驗為探索火星正在研制的“航天運載系統(tǒng)”（SLS）和“獵戶座”飛船，從而使探索火星減少風險。對于美國公眾十分關心的載人太空探索，也可以有一個近期的成果，以鼓舞士氣。

發(fā)展小行星探測器

為了探索小行星，除了應用地面天文設備外，NASA在2009年發(fā)射的天基望遠鏡“廣域紅外探測器”（WISE），將在探索小行星的任務中發(fā)揮重要作用。此外，美國過去已發(fā)射了多個小行星探測器，如“近地小行星交會”（NEAR）、“黎明（Dawn）”探測器等。NEAR探測器在1996年1月發(fā)射升空，經(jīng)過6年的長途跋涉后，在2001年2月14日成功進入編號為433的小行星“愛神”(Eros)的軌道，并且在這顆距地球3.15億千米之遙的小行星上成功著陸。在2007年9月27日發(fā)射升空的“黎明”小行星探測器，是第一個探測小行星帶的人類探測器，也是第一個先后環(huán)繞谷神星與灶神星這兩個體積最大的小行星的人類探測器。

顯然，對于十分復雜的探索小行星任務，上述探測器還無法滿足今后的任務需求。因此，計劃將于2016年9月發(fā)射的“起源、光譜解譯、資源辨識、防護-風化層探測器（OSIRIS-REx）”，就顯得十分重要。該項目計劃投資大約8億美元，由美國亞利桑那大學領銜，美國航宇局戈達德空間飛行中心提供任務的整體管理、系統(tǒng)工程、安全及保障工作，洛馬公司空間系統(tǒng)分公司負責該探測器本體的研制。OSIRIS-Rex探測器，將于2018年10月抵達直徑為575米的巖石小行星Bennu（編號1999 RQ36），將對這顆小行星開展詳細考察，隨后從其地表采集樣品并在2023年帶回地球。

小行星記錄著有關太陽系誕生和演化的重要信息，對其樣品進行的分析將有助于人類加深對行星形成和生命起源等重要問題的認識。除此之外，OSIRISRex探測器，也將仔細測量太陽光對小行星的軌道造成的變化，這將幫助天文學家更好地了解太陽光壓對小行星軌道造成的影響，提升軌道預測精度，從而有助于保護地球免遭小天體撞擊。

為了順利完成任務，OSIRIS-Rex載有可從軌道上探測小行星地表成分的儀器，這樣就可以讓地面控制中心在進行首次取樣嘗試之前，仔細挑選最理想的取樣地點。由于不同礦物成分，會在光譜中顯示不同的吸收、反射或輻射特征，因此OSIRIS-Rex上載有3臺不同的光譜儀，其波段完整涵蓋了從X射線、可見光一直到紅外線的范圍。首先是紅外光光譜儀(OVIRS)，其工作波段位于可見光和近紅外波段。它將有能力探測有機化合物成分，其中特別敏感的是碳，它還可探測一部分礦物。OSIRIS-Rex計劃在某個富含有機物的區(qū)域，嘗試進行取樣，從而得以開展有關早期太陽系有機化學方面的研究，從而幫助揭開地球生命的起源之謎。其次是熱輻射光譜儀(OTES)，它則更深地進入了全部紅外光的領域，使其有能力探查小行星地表的礦物種類，并測量小行星地表的溫度分布。這臺儀器也有能力識別礦物的信號，可以據(jù)此繪制出小行星地表富水礦物的分布圖。第三臺儀器是“風化層X射線成像光譜儀”，這臺儀器將測量小行星的向陽面上，在陽光照射下微弱的X射線閃光。用這種方法可以測量一些元素，如鐵、硅、硫和鎂等的豐度。OVIRS 和OTES 兩臺儀器將會協(xié)同工作，確定太陽光對Bennu小行星的軌道產(chǎn)生的影響。

小行星捕獲轉向艙（ACR）

“獵戶座”飛船和小行星捕獲轉向艙對接在一起

然而，通過光譜方法探測到的小行星地表礦物化學成分分布，也有局限性，那就是其探測的地表深度僅有大約1.5毫米左右，因而無法了解更深層次上的物質組成。小行星的物質組成，很有可能存在垂直方向上的變化，因此OSIRISRex相應設計了能獲取一定深度上樣品的采樣機制：向小行星地表噴射氮氣，可揚起地表物質，讓其進入飛船的樣品采集艙。這就可以采集到地表之下5厘米～6厘米深的物質樣品。

小行星轉向任務（ARM）

在2010年奧巴馬調整了美國載人航天的目標之后，NASA一直在探索載人探索小行星的可行性，研究結果表明直接載人登陸小行星的難度，并不低于載人登陸火星。因此，2012年12月NASA向白宮提交了一份“小行星轉向任務（ARM）”項目（NASA稱之為“小行星倡議”，也有媒體稱之為“小行星捕獲計劃”）的報告，提出了捕獲小行星的大膽設想。報告將整個任務分成鑒別、轉向和探索3個階段。該報告指出：開發(fā)小行星的想法早在100多年前就已經(jīng)提出，只不過相應的技術目前才成熟?！氤晒Σ东@小行星，希望做三件事：首先要能找到一個滿足質量、大小等條件的近地小行星；其次還要有一套足夠強大的太陽能電動推進系統(tǒng)，能夠將小行星帶離原有軌道；最后要能在2020年左右安排相關人員對這顆小行星進行勘探和開采。

由此可見 ，這個計劃首先要確定一顆飛經(jīng)月地空間的小行星作為目標。目前，NASA已將目標小行星的大小定位在7.6米左右，質量接近500噸，并從7000多顆近地小行星中圈定了尺寸和軌道都符合要求的13顆小行星，然后準備篩選出其中的2顆，最后再從中確定一顆來實施計劃。第二步就是要捕獲這顆小行星，并改變其軌道，讓其變成月球的衛(wèi)星，最后要派航天員登上這顆小行星，進行實地勘測。這個小行星也可充當日后航天員登陸火星時進行補給的中轉站。在奧巴馬總統(tǒng)提出的NASA 2014年預算中，已計劃用 1.05億美元來啟動這個項目。

NASA在2013年6月18日發(fā)出了“小衛(wèi)星倡議”的“信息征求書（RFI）”,在一個月內，收集到世界各地提出的402份建議書，并歸納出96種關于小行星捕獲的方案。NASA在2013年9月30日～10月2日的公開研討會上，對小行星捕獲方案進行了深入探討。其中主要方案是由NASA和加州理工學院凱克空間研究所共同編制的。該方案選擇由“宇宙神－5”火箭發(fā)射質量為5.5噸的“小行星捕獲轉向艙（ACR）”來承擔任務。ACR有兩個可展開的太陽電池翼，可發(fā)出40千瓦電功率。ACR在飛到407千米高度后，將軌道的遠地點調整到月球軌道的高度,并用2.2年時間飛至月球軌道；然后再利用太陽能電推進系統(tǒng)和月球引力輔助飛行，用1.7年時間飛向目標小行星。一旦ACR靠近小行星后，就會釋放出一個直徑約15米寬的巨大“袋子”，將這顆小行星裹住，從而使這顆小行星成為ACR的“囊中之物”。當ACR成功“網(wǎng)”住小行星后，它就會啟動推進器將小行星推離原有軌道，并至少用2年時間飛到月球軌道上，讓其成為繞月衛(wèi)星。由于這個方案只是一個初步設想，所以今后實施的方案，估計將有很大變化。NASA將在2021年由正在研發(fā)的SLS運載火箭和“獵戶座”飛船，運送航天員登陸這顆小行星，并采集小行星巖石樣本，對小行星進行全面而徹底的考察。整個計劃將在2025年左右完成。據(jù)凱克空間研究所估計，整個任務耗資預計26.5億美元左右。

2013年11月20日 至22日，NASA召開了“小行星倡議概念綜合工作會議”，進一步研究了“小行星轉向任務”的技術和經(jīng)濟的可行性。目前，這項任務能否落實的關鍵是經(jīng)費保證。為此，美國航宇局局長博爾登說：“任何財政上的削減，都會將這個計劃延遲到2017年以后。我們已經(jīng)將自身的期望表達得十分清楚，8.22億美元資金是我們能夠將這個計劃推向實踐的底線。如果沒有這些資金的話，在2017年之前，我們無法真正實施這個計劃?！?/p>

無論是小行星的探測，還是小行星的捕獲和開發(fā)，NASA都呼吁民間及私營企業(yè)參與進來。2013年早些時候，位于西雅圖的行星資源（PR）公司表示，它打算在未來10年內開采近地小行星上的礦藏，并計劃在2016年發(fā)射一艘無人飛船前往一顆小行星，并把樣本帶回地球。當前，這家公司正在研發(fā)ARKYD100空間望遠鏡，成本很低，有望可進一步發(fā)展，用于小行星的開礦。近日，NASA與這家公司已達成合作協(xié)議。

OSIRIS-Rex探測器

小行星探測器接近小行星的示意圖

圖塔蒂斯小行星運行軌道

行星資源公司開發(fā)的ARKYD100太空望遠鏡

探索小行星需要國際合作

NASA的ARM項目在美國國會和學術界引發(fā)了一些爭議，例如，在規(guī)定時間內是否有一個符合要求的小行星經(jīng)過月地空間，而又不會對地球構成威脅；計劃是否真的對火星探索等長期太空探索有益；這個計劃是否會分散NASA對實施載人火星探索的精力。但是經(jīng)過NASA解釋和廣泛的討論之后，目前在美國國內已取得了基本共識：近地小行星是近期載人太空探索最有價值的目標，也是遠期太空探索“自然的跳板”。正如執(zhí)行過阿波羅9號任務的美國著名航天員拉塞爾·施威卡特所言：“小行星是非常有意思的研究領域。它們本身就是一種資源，我認為美國航宇局此次計劃的潛在目標就是為人類更加了解太空，利用太空資源方面進行開拓。這只是第一步，不過，如同嬰兒學步一樣，這樣邁出的第一步讓人激動萬分?！睙o疑，這個計劃如能實現(xiàn)，將確保美國在世界航天的領導地位，而其軍事潛力也不言而喻。

當前NASA最憂慮的仍然是能否及時找到這顆小行星，因此在2013年6月18日發(fā)起了一項名為“大挑戰(zhàn)”的活動，呼吁全世界所有的組織和團體，無論是私人的還是公共的，無論是學術類的還是其他的，都能一起來出謀劃策，尋找目標和探討如何完成ARM項目。

太空天體威脅是一個全球性的問題，任何天體都不會受國界的限制而準確地落入某個國家。因此，預防太空天體威脅需要各國進行廣泛的合作。近年來，聯(lián)合國十分重視應對小行星問題的國際合作，專門成立聯(lián)合國近地天體行動小組。目前，歐洲、中國、日本和俄羅斯都在開展小行星的研究和探測工作。歐洲空間局在2004年發(fā)射了“羅塞塔”探測器；日本在2003年5月發(fā)射了“隼鳥”探測器，并于2010年6月返回地球，帶回了25143號小行星的巖石微粒；我國嫦娥2號衛(wèi)星于2012年12月13日與圖塔蒂斯小行星由遠及近擦身而過，首次實現(xiàn)中國對小行星的飛越探測。無疑，這些工作將為今后小行星探索的國際合作打下基礎。

美國航宇局希望通過“捕獲小行星計劃”，能夠為太空探索的國際合作創(chuàng)造新的可能，這也可為中美兩國的載人航天和太空探索的合作，提供新的機會。