載人小行星探測目標(biāo)選擇

李翔宇,尚海濱

(1.北京理工大學(xué)深空探測技術(shù)研究所，北京100081；2.飛行器動力學(xué)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

載人小行星探測目標(biāo)選擇

李翔宇1,2,尚海濱1,2

(1.北京理工大學(xué)深空探測技術(shù)研究所，北京100081；2.飛行器動力學(xué)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

討論了近地小行星載人探測任務(wù)的探測目標(biāo)選擇問題。在能量消耗與任務(wù)周期約束的基礎(chǔ)上，綜合考慮發(fā)射機(jī)會、目標(biāo)觀測完備度、應(yīng)急返回能力等復(fù)雜任務(wù)約束，對近地小行星的可探性進(jìn)行了評估。提出了逐層選擇方法并給出了2020～2050年間適合載人探測的目標(biāo)星序列，可為未來載人小行星探測任務(wù)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供參考。

近地小行星；載人探測；目標(biāo)選擇；任務(wù)約束

1 引言

近年來，小行星探測成為深空探測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。對小行星的研究可以獲得太陽系起源和形成的關(guān)鍵信息，增進(jìn)對太陽系演化的了解，同時(shí)對小行星動力學(xué)的了解也有利于防御小行星對地球造成的潛在危害[1]。此外小行星上所蘊(yùn)含的大量稀缺資源也是推動小行星探測的巨大動力。因此，小行星探測已經(jīng)成為了各航天大國的未來任務(wù)規(guī)劃的重點(diǎn)[2]。

人類對小行星的探測已經(jīng)經(jīng)歷了飛越探測，繞飛探測，著陸探測和采樣返回探測等多個(gè)階段。1991年美國的伽利略木星探測器首次對小行星915Gaspra實(shí)現(xiàn)飛越探測，并傳回了第一張小行星的近距離照片[3]，從此拉開了小行星探測的序幕。此后NASA的NEAR號[4，5]，日本的隼鳥號探測器均成功開展了小行星探測任務(wù)[6，7]。雖然小行星無人探測獲得的豐富數(shù)據(jù)促進(jìn)了人類對小行星的認(rèn)識，但無人探測仍存在局限性，很難實(shí)現(xiàn)對小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)構(gòu)成等實(shí)現(xiàn)深層次探測。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，載人探測小行星也逐漸成為可能。相比無人小行星探測任務(wù)，載人小行星探測可以借助航天員的經(jīng)驗(yàn)對小行星有科學(xué)價(jià)值的目標(biāo)進(jìn)行針對性的探測，增加了任務(wù)效率和科學(xué)回報(bào)，同時(shí)有效避免了深空任務(wù)中因距離遠(yuǎn)而引起的控制延遲問題，提高了任務(wù)的可靠性和準(zhǔn)確性[8]。目前，在美國總統(tǒng)奧巴馬提出的2025年登陸小行星計(jì)劃[9]的驅(qū)動下，美國已經(jīng)開展了載人小行星探測任務(wù)的論證工作[10]，許多學(xué)者提出了不同的探測方案[11-14]。

作為小行星探測任務(wù)規(guī)劃和設(shè)計(jì)中的首要工作，載人探測任務(wù)目標(biāo)選擇相比無人探測需要考慮航天員返回，存在任務(wù)周期短、速度增量小、安全性高等更為復(fù)雜和嚴(yán)苛的約束，對任務(wù)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。目前學(xué)者給出的目標(biāo)星選擇方案主要從能量角度給出了目前可到達(dá)的小行星[8，12，14]，而未考慮其他因素對探測目標(biāo)選擇的影響。本文在此基礎(chǔ)上，增加了發(fā)射條件、探測信息完整度、應(yīng)急返回軌道設(shè)計(jì)等因素作為目標(biāo)星篩選的條件，給出了相應(yīng)的篩選準(zhǔn)則和篩選流程。最后以2020—2050年進(jìn)行載人小行星探測任務(wù)為背景，對適合于載人探測任務(wù)的小行星進(jìn)行了篩選與排序，給出適合開展載人小行星探測的目標(biāo)星列表，為未來我國開展載人小行星探測任務(wù)提供參考。

2 目標(biāo)選擇約束

對于小行星探測任務(wù)而言，由于數(shù)目巨大、特性各異，進(jìn)行探測目標(biāo)的選擇是任務(wù)設(shè)計(jì)與規(guī)劃的首要工作。影響探測目標(biāo)選擇的因素與約束很多，載人小行星探測需要考慮的因素更多、約束更為苛刻。

2.1 絕對星等

目標(biāo)小行星自身的特性是任何探測任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)都需要重點(diǎn)考慮的因素。其大小形狀、自旋速率等物理性質(zhì)直接決定了載人飛船能否實(shí)現(xiàn)安全著陸。小行星的絕對星等是表征小行星尺寸大小的重要參數(shù)，在對小行星觀測數(shù)據(jù)不全面的情況下，通常采用式(1)所示絕對星等來估算小行星的尺寸[15]:

其中D為小行星的估計(jì)直徑，H為絕對星等，p為反照率，從(1)式可以看出對于相同的反照率，小行星的絕對星等越小對應(yīng)的尺寸越大。載人探測任務(wù)中目標(biāo)星尺寸不宜太小，一方面小行星的自旋速率與小行星尺寸相關(guān)，如圖1。研究表明尺寸小的小行星自旋速率高，大多數(shù)直徑小于150 m的小行星自旋周期小于2 h[16]，這類小行星由于高速自旋，自身處于拉伸狀態(tài)，離心加速度大，無法通過自身引力吸引附著在表面的物質(zhì)，因此不利于航天員開展操作；另一方面，從對地球的碰撞威脅角度來看，大尺寸的小行星更是應(yīng)引起我們關(guān)注的目標(biāo)。由于小行星的反照率變化范圍較大，從0.05～0.45均存在。對于未觀測的小行星目標(biāo)，天文學(xué)家通常假定其反照率為平均值0.1，則根據(jù)公式可以得出直徑大于150 m的小行星絕對星等應(yīng)小于22，因此取H＜22為約束條件。

圖1 小行星尺寸與自旋的關(guān)系［17］Fig.1 Relationship between asteroid diameter and rotation period

2.2 軌道根數(shù)

總速度增量是深空探測任務(wù)設(shè)計(jì)過程中需要考慮的最為重要的指標(biāo)之一，對于載人小行星探測任務(wù)尤為重要。受到任務(wù)時(shí)間的約束，載人探測任務(wù)無法通過借力飛行等手段降低發(fā)射能量。因此，在進(jìn)行探測目標(biāo)選擇時(shí)需要將探測任務(wù)的速度增量作為重要的約束條件，考慮小行星從地球500 km圓軌道逃逸，與小行星交會和小行星分離所需的總速度增量。從技術(shù)發(fā)展的角度，考慮到我國未來大運(yùn)載火箭運(yùn)載能力的提高和星載推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)效率的提升，本文選擇的總速度增量約束為8 km/s，隨著速度增量約束的放寬，符合要求的發(fā)射機(jī)會將會增加。

小行星的軌道特性與探測任務(wù)所需的速度增量密切相關(guān)。從速度增量約束看出，由于僅能采用直接轉(zhuǎn)移，主帶小行星所需的速度增量均大于約束[18]，因此考慮近地小行星作為選擇對象。根據(jù)軌道動力學(xué)簡單計(jì)算表明大偏心率和大軌道傾角的近地小行星通常可接近性較差，選擇小行星的半長軸、偏心率和軌道傾角作為篩選標(biāo)準(zhǔn)，以進(jìn)一步縮小目標(biāo)星的選擇范圍。本文選取的軌道根數(shù)范圍如式(2):

2.3 任務(wù)周期

載人探測任務(wù)最大特點(diǎn)是有航天員的參與。為了保證航天員的安全，避免遭受宇宙射線的輻射，除對探測器的系統(tǒng)配置(配置生命保障系統(tǒng))與設(shè)計(jì)(提高可靠性)提出更高的要求外，必須盡量縮短整個(gè)任務(wù)的周期。除對總?cè)蝿?wù)時(shí)間進(jìn)行約束外還需考慮航天員在小行星附近的停留時(shí)間，保證預(yù)期科學(xué)任務(wù)可以順利完成。從目前航天員在太空的最長停留時(shí)間[19]和生命保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮，選擇總時(shí)間約束為1年。為提高搜索效率，對探測的各個(gè)階段進(jìn)行時(shí)間約束:地球-小行星轉(zhuǎn)移時(shí)間為10 d≤TG≤200 d，在小行星停留時(shí)間范圍為7 d≤TS≤21 d，小行星—地球轉(zhuǎn)移時(shí)間10 d≤TR≤200 d。

2.4 發(fā)射窗口

發(fā)射窗口的次數(shù)和區(qū)間范圍反映了探測任務(wù)的靈活性，時(shí)間段內(nèi)發(fā)射窗口越多，每個(gè)發(fā)射窗口的寬度越寬，可以執(zhí)行任務(wù)的機(jī)會就越多，可以降低探測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，以及運(yùn)載火箭故障或發(fā)射場天氣因素對任務(wù)實(shí)施的影響，提高任務(wù)的成功率，本文選擇單次發(fā)射窗口大于30 d作為約束條件，對于周期性接近的小行星，以發(fā)射機(jī)會多為宜。

2.5 觀測完備度

由于有航天員參與探測任務(wù)，需要保證任務(wù)的絕對安全，細(xì)微的誤差可能導(dǎo)致探測器與小行星相撞或從小行星周圍逃逸。因此希望在任務(wù)實(shí)施前對小行星的信息了解的越全面越好，特別是小行星的自旋周期、形狀、引力場分布等重要信息，對航天員的實(shí)地操作至關(guān)重要。目前對小行星的觀測手段包括光學(xué)儀器，延遲雷達(dá)和多普勒雷達(dá)[20]。受到觀測設(shè)備的限制，光學(xué)觀測仍是小行星觀測和發(fā)現(xiàn)的主要手段，僅有少數(shù)小行星采用了雷達(dá)觀測。

對采用光學(xué)觀測的小行星，觀測次數(shù)和觀測時(shí)長對小行星的定軌精度，物理特性的評估有較大的影響。采用雷達(dá)觀測的小行星除可以獲得精確的小行星軌道，同時(shí)可以借助雷達(dá)反射波的延遲效應(yīng)，繪制小行星的二維圖像[21]。多幅不同角度的二維圖像結(jié)合可以初步建立小行星的三維模型，進(jìn)而提供小行星的近似引力場模型。此外，對雷達(dá)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析還可以獲得小行星表面組成和地質(zhì)地貌的更多信息[22]。如對于粗糙的小行星表面，雷達(dá)回波會發(fā)生明顯的散射，而光滑的表面波束的相位一致性較好；表面浮塵較多的小行星發(fā)射的回波較弱。這些信息為實(shí)施著陸和采樣的探測任務(wù)提供了重要信息。

2.6 應(yīng)急返回能力

航天員的安全是載人探測任務(wù)的前提，因此在目標(biāo)星選擇中需要考慮任務(wù)的應(yīng)急返回能力。通常應(yīng)急返回軌道需考慮兩種情況，長程返回和短程返回[23]。長程返回對應(yīng)于飛船的動力系統(tǒng)發(fā)生故障，無法提供充足的速度增量完成任務(wù)，而飛船的生命保障系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作的情況。因此希望采用較低的速度增量實(shí)現(xiàn)返回，而對飛行時(shí)間的要求較低。短程返回對應(yīng)于航天員的生命安全出現(xiàn)問題或飛船發(fā)生突發(fā)情況，需要立即返回。這類返回軌道希望利用剩余燃料盡可能的快速返回地球。合理的目標(biāo)星選擇應(yīng)盡可能保證任務(wù)隨時(shí)可終止，兩類應(yīng)急返回軌道均存在。

2.7 速度增量與任務(wù)周期的權(quán)衡

由于載人小行星探測任務(wù)過程分為三個(gè)階段，因此無法通過傳統(tǒng)的等高線圖給出探測任務(wù)的定量關(guān)系，但可以根據(jù)滿足約束的發(fā)射機(jī)會速度增量和任務(wù)周期的關(guān)系定性給出目標(biāo)星探測全局特性。若速度增量與任務(wù)周期之間的相關(guān)性明顯，可以依據(jù)兩者關(guān)系調(diào)整任務(wù)規(guī)劃，增加任務(wù)的靈活性。若兩者的相關(guān)性不明顯，反映了任務(wù)周期對速度增量的變化較敏感，這將不利于任務(wù)的設(shè)計(jì)。

3 探測目標(biāo)選擇

3.1 探測目標(biāo)選擇流程

小行星數(shù)目繁多，針對目前已觀測編目的近地小行星數(shù)據(jù)庫，綜合考慮上述約束對探測目標(biāo)進(jìn)行篩選。為提高目標(biāo)星的篩選效率，本文采用優(yōu)選和篩選相結(jié)合的逐層選擇的策略。

1)首先根據(jù)目前已觀測編目的10728顆近地小行星[24]作為候選對象，根據(jù)絕對星等和軌道根數(shù)約束對不適合進(jìn)行探測的小行星目標(biāo)進(jìn)行初步篩選。

2)針對滿足絕對星等和軌道根數(shù)約束的小行星進(jìn)行第二層優(yōu)選，即采用遍歷方法進(jìn)行發(fā)射機(jī)會搜索，搜索時(shí)間為2020年1月至2050年12月。搜索變量為從地球發(fā)射時(shí)間T0，從地球到小行星轉(zhuǎn)移時(shí)間TG，在小行星停留時(shí)間TS和從小行星到地球轉(zhuǎn)移時(shí)間TR。其中TS搜索步長為1 d，其它3個(gè)搜索參數(shù)的步長均為10 d。搜索過程中，總的速度增量ΔVT由三部分組成:從500 km地球停泊軌道施加的逃逸速度脈沖，到達(dá)小行星時(shí)的制動脈沖和離開小行星時(shí)的速度脈沖。根據(jù)搜索結(jié)果，對所有滿足要求的小行星按總的速度增量擇優(yōu)排序，選擇速度增量較小的目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步討論。

3)對優(yōu)選出的小行星，進(jìn)一步分析其觀測信息、發(fā)射機(jī)會的次數(shù)和發(fā)射窗口寬度，排除不適合的目標(biāo)。結(jié)合速度增量大小，選擇觀測精度高且發(fā)射機(jī)會較靈活的多個(gè)目標(biāo)繪制速度增量-任務(wù)時(shí)間關(guān)系圖和應(yīng)急返回軌道等高線圖，在保證任務(wù)的可靠性的基礎(chǔ)上給出速度增量較小的優(yōu)選小行星目標(biāo)。最終給出3～4顆探測條件較好的目標(biāo)星。

3.2 探測目標(biāo)選擇與分析

目前近地小行星庫中共有10728顆小行星，通過絕對星等篩選，滿足約束的小行星有5719顆，滿足絕對星等約束的近地小行星的分布區(qū)域很廣泛，很多小行星距離太陽很遠(yuǎn)，這主要是由于其半長軸和偏心率較大造成的。進(jìn)一步對小行星軌道根數(shù)約束后共有572顆小行星滿足條件，符合條件的小行星基本在地球附近，具有良好的可接近性，利于探測器以較省的燃料實(shí)現(xiàn)目標(biāo)星交會與返回。將滿足約束的小行星軌道根數(shù)關(guān)系繪制圖2和3，目標(biāo)星的偏心率與軌道傾角的關(guān)系如圖2，偏心率與半長軸的關(guān)系如圖3。由圖可以看出，目標(biāo)星的軌道傾角和偏心率無明顯關(guān)聯(lián)性，分布較均勻，而半長軸與偏心率呈倒三角形，且偏心率集中在0.2～0.4附近。

針對初步篩選出的572顆目標(biāo)小行星進(jìn)行第二層篩選，針對任務(wù)區(qū)間段進(jìn)行發(fā)射機(jī)會搜索。圖4給出了2021—2050年滿足約束的探測機(jī)會。

由圖4可以看出對于2020—2050年間，探測機(jī)會均勻分布在各時(shí)間段，且呈現(xiàn)一定周期性，其中2023年，2028年，2039年，2044年附近存在燃料消耗較少的探測機(jī)會，最小的總速度增量低于6 km/s。需要指出的是，上述探測機(jī)會都是在總?cè)蝿?wù)周期小于一年約束下得出的，若放寬任務(wù)周期限制，可進(jìn)一步降低探測任務(wù)的燃料消耗。根據(jù)搜索的可行探測機(jī)會，按照總的速度增量進(jìn)行排序，表1給出了任務(wù)區(qū)間的可行探測目標(biāo)及對應(yīng)的探測機(jī)會。

圖2 目標(biāo)星偏心率與軌道傾角關(guān)系Fig.2 Relationship between eccentricity and inclination

圖3 目標(biāo)星偏心率與半長軸關(guān)系Fig.3 Relationship between eccentricity and semimajor axis

圖4 2020—2050年間速度增量小于8 km/s的發(fā)射機(jī)會Fig.4 Launch opportunity of Δv less than 8 km/s from 2020 to 2050

對于載人小行星探測任務(wù)而言，小行星的運(yùn)行軌道與引力場分布是非常重要的觀測信息。觀測信息的觀測精度決定了信息的可靠性。針對以上探測目標(biāo)，對包括軌道觀測手段、有效觀測次數(shù)、和軌道不確定度等信息進(jìn)行了分析。其中軌道不確定性分為0～9等級，0表示確定程度最高，9確定程度最低。這里通過小行星的觀測完整度進(jìn)行優(yōu)選。表1中小行星的觀測條件如表2所示。

表1 2020—2050年間總速度增量較小的近地小行星［25］Table 1 Global minimum Δv of NEAs from 2020 to 2050

表2 探測目標(biāo)星觀測情況和發(fā)射窗口信息［25，26］Table 2 Observation data and launch windows of target NEAs

從表2可以看出，所列小行星的軌道觀測精度大多數(shù)是較高的。一般來講，軌道不確定性小于3可以認(rèn)為觀測軌道已具備較小的誤差，可以作為備選目標(biāo)星。另一方面，2000AF205、2009BL71等不確定性較大的小行星，由于其在2020年前將再次接近地球，可以利用這次機(jī)會對目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)觀測，進(jìn)一步提高觀測精度，因此可以選為備選目標(biāo)星。從觀測手段角度來看，采用雷達(dá)觀測的小行星獲得的信息更全面，通過對觀測數(shù)據(jù)的分析可以獲得小行星自旋，引力場分布等信息。因此，對于未來10～15年內(nèi)的探測任務(wù)而言，應(yīng)優(yōu)先考慮具有雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的小行星，特別是小行星99942和101955，采用雷達(dá)觀測的次數(shù)和時(shí)間均較長，目前的已知信息也較多。表2也列出了滿足約束的小行星探測發(fā)射窗口寬度，其中部分小行星在不同的階段均存在發(fā)射窗口，僅給出單次發(fā)射窗口大于30天的時(shí)間總和。其中多顆小行星的探測窗口總時(shí)間超過200天。小行星365505，1999FA，1999SO5，2004QD14發(fā)射窗口較少，因此被排除。而小行星164207雖然探測機(jī)會較多，發(fā)射窗口呈周期性分布，但單次發(fā)射窗口較窄，從可靠性角度也不適宜探測。其它小行星均能滿足約束要求。

此外，相比于大行星，小行星的日心軌道偏心率和傾角都較大，這導(dǎo)致大部分小行星探測任務(wù)的發(fā)射機(jī)會并不能像火星任務(wù)那樣，存在較規(guī)則的擬周期規(guī)律。因此有必要對探測機(jī)會分布和應(yīng)急返回能力進(jìn)行評價(jià)。

首先考慮探測機(jī)會分布以及任務(wù)時(shí)間與總速度增量間的關(guān)系如圖5，6。圖中的每一個(gè)點(diǎn)對應(yīng)了一組有效的速度增量和任務(wù)時(shí)間發(fā)射機(jī)會組合，其中同一顏色的點(diǎn)表示同一發(fā)射窗口下的組合。點(diǎn)的疏密情況可以反映出小行星在同一發(fā)射窗口下的密集度。同時(shí)有效點(diǎn)的分布情況也可近似得出任務(wù)時(shí)間變化與速度增量變化間的聯(lián)系。小行星99942和350751的探測機(jī)會分布圖具有較典型的特征。這里用兩者在2020—2030年間的分布圖進(jìn)行進(jìn)一步的分析和比較。由表2可以看出，兩者均具有良好的觀測條件和較長的發(fā)射窗口。從圖5可以看出在發(fā)射窗口寬度相近的情況下小行星99942具有更多的有效探測次數(shù)。同時(shí)在不考慮發(fā)射時(shí)間的情況下，小行星99942的有效探測次數(shù)分布有明顯的規(guī)律性。速度增量與任務(wù)時(shí)間的關(guān)系存在一定的相關(guān)性，改變?nèi)蝿?wù)時(shí)間對速度增量的變化較小，任務(wù)的靈活性高。而圖6中小行星350751的有效點(diǎn)分布較分散，速度增量與任務(wù)時(shí)間的相關(guān)性較差，反映任務(wù)時(shí)間對速度增量的變化較敏感，無法預(yù)估改變?nèi)蝿?wù)時(shí)間對速度增量的影響，不利于任務(wù)的設(shè)計(jì)，因此從探測機(jī)會分布角度考慮，小行星99942比小行星350751更適合作為探測目標(biāo)。對其他小行星相應(yīng)發(fā)射窗口的探測機(jī)會分布圖進(jìn)行分析，小行星208023，101955，329437的探測機(jī)會圖與圖5相似，機(jī)會較多且呈規(guī)律性分布，而小行星1999RA32的探測機(jī)會相關(guān)性也較差。其他備選星的分布圖介于圖5、圖6之間。

圖5 小行星99942探測機(jī)會分布Fig.5 Distribution of exploration opportunity for asteroid 99942

圖6 小行星350751探測機(jī)會分布Fig.6 Distribution of exploration opportunity for asteroid 350751

其次考察探測器任務(wù)軌道的應(yīng)急返回能力。對探測器逃逸地球后在接近小行星段采取應(yīng)急返回操作所需的速度增量進(jìn)行計(jì)算，繪制不同時(shí)間應(yīng)急返回與不同返回時(shí)間的速度增量分布圖如圖7、8。圖中的橫坐標(biāo)為探測器從地球影響球逃逸后決定終止任務(wù)應(yīng)急返回的時(shí)間，縱坐標(biāo)表示返回地球影響球所需的時(shí)間。采用求解蘭伯特問題的方法求解，僅考慮執(zhí)行返回時(shí)所需的速度增量，繪制速度增量小于6 km/s的返回機(jī)會。受到速度增量的約束，除少數(shù)小行星外，大部分目標(biāo)星較難實(shí)現(xiàn)全過程的應(yīng)急返回，因此優(yōu)選返回能力強(qiáng)，有限返回機(jī)會覆蓋范圍大的小行星作為目標(biāo)。本文以小行星2011CG2和164207為例進(jìn)行討論，兩者在最優(yōu)探測機(jī)會下小行星接近段的應(yīng)急返回軌道所需速度增量分別如圖7、8所示。從圖7中可以看出探測小行星2011CG2的應(yīng)急返回軌道除返回時(shí)間小于20 d和180 d附近所需能量較大外，其他返回時(shí)間所需的速度增量均較小，且小于100 d的返回軌道速度增量隨返回時(shí)間增加迅速減小，具有很好的短程和長程應(yīng)急返回能力。而探測小行星164207的返回軌道(圖8)除發(fā)射后100至160 d采用200 d以上的長程返回軌道所需能量較低外，所需的速度增量普遍較大，任何時(shí)刻小于100 d的短程返回軌道速度增量均大于6 km/s，不具備短程返回能力。因此小行星2011CG2從安全性角度更適合開展探測任務(wù)。其他小行星探測機(jī)會的應(yīng)急返回軌道能量分布介于兩者之間。小行星2007SQ6、207945、341843由于應(yīng)急返回能力較差，認(rèn)為不適合探測。

圖7 小行星2011CG2應(yīng)急返回軌道不同返回時(shí)間所需速度增量Fig.7 Δv of emergency return trajectory of asteroid 2011CG2

最終，經(jīng)過以上多重因素的逐層優(yōu)選和篩選，綜合考慮探測速度增量，選擇小行星2011DV，99942和208023作為載人小行星探測的備選目標(biāo)，其目前已知的物理參數(shù)如表3所示。

圖8 小行星164207應(yīng)急返回軌道不同返回時(shí)間所需速度增量Fig.8 Δv of emergency return trajectory of asteroid 164207

表3 2020—2050年優(yōu)選目標(biāo)及其物理參數(shù)［25］Table 3 Physical characteristic of primary target from 2020 to 2050

以上目標(biāo)均滿足速度增量和任務(wù)時(shí)間約束，且發(fā)射窗口較寬，觀測機(jī)會較優(yōu)或擁有較好的應(yīng)急返回能力。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了載人小行星探測任務(wù)的目標(biāo)星選擇問題。針對已編目的近地小行星，在考慮發(fā)射能量和時(shí)間約束的基礎(chǔ)上，綜合考慮探測任務(wù)發(fā)射條件，探測目標(biāo)信息完整度，應(yīng)急返回軌道設(shè)計(jì)等因素，給出逐層篩選和優(yōu)選相結(jié)合的選擇方法，對近地小行星進(jìn)行了選擇和排序。最后給出了適合開展載人探測任務(wù)的候選小行星序列。

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Target Selection for Manned Asteroid Mission

LI Xiangyu1，2，SHANG Haibin1，2
(1.Institute of Deep Space Exploration，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Ministry of Education Key Laboratory of Aircraft Dynamic and Control，Beijing 100081，China)

In this paper，the target selection for manned asteroid mission was investigated.On the basis of energy and mission duration constrains，multiple factors such as launch condition，information integrity of target as well as abort trajectories design were discussed to estimate the accessibility of Near Earth asteroid.A stratified selection method was given and potential candidates for manned mission from 2020 to 2050 were proposed.This research can provide valuable proposal for future manned asteroid missions.

near-earth asteroid；manned exploration；target selection；mission constrain

V412.41

A

1674-5825(2015)03-0278-08

2014-12-11；

2015-03-20

載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目(010104)

李翔宇(1991－)，男，博士研究生，研究方向?yàn)檐壍绖恿W(xué)與控制。E-mail:lixiangy＠bit.edu.cn