美国捕获近地小行星之梦

□ 安慧

2013年12月14日21时11分,嫦娥三号探测器成功落月，中国探测器首次登上地外天体，这标志着我国已成为世界上第三个实现月球软着陆的国家。在我国人民为此兴高采烈时，我们自然会问，美国作为实现人类登月的国家，如何选择载人航天的新目的地？

其实美国在进入21世纪后，就开始研究在完成国际空间站任务后美国载人航天下一个目的地是哪里？美国总统布什曾于2004年提议将在2020年前重返月球，并在那里建立月球基地，为进行载人探测火星做准备。美国航宇局（NASA）开始执行了一项研发“战神”系列火箭和“猎户座”飞船的“星座计划”。奥巴马总统上台后，面临金融危机和财政压力，考虑到“星座计划”基本上是采用当年“阿波罗”计划的技术，月球资源开发的前景也不太明朗，中国正在发展探月技术等，决定对美国载人航天计划进行调整。2010年4月奥巴马提出了美国“21世纪太空探索战略”，计划在2025年实现小行星载人探索任务，在21世纪30年代中期实现进入火星轨道的载人飞行，而后进行载人登陆火星。同年10月，奥巴马签署了《2011年NASA授权法案》，决定近地轨道以远空间的载人航天目标，除了小行星、火星外还包括月球，同时也尽可能利用“星座计划”开发的技术。

小行星带

NASA公布的近地小行星的轨道

2012年NASA发布了《可持续的载人太空探索路线图》，提出了多目的地的载人太空探索战略，探索的长期目标定为载人登陆火星，而近期则提出了捕获、转向和航天员登陆小行星的计划，企图把应对小行星可能撞击地球的威胁，开发小行星矿产资源和发展载人太空探索技术结合起来。

“爱神”小行星

小行星2012DA14的轨道

NASA对载人登陆小行星的一种设想

探索近地小行星的意义

仔细阅读这个路线图，不难发现NASA已将近地小行星作为美国载人航天的近期目的地。小行星（Asteroid）是太阳系内类似行星环绕太阳运动，但体积和质量比行星小得多的天体。太阳系中大部分小行星，其运行轨道在火星和木星之间，称为小行星带。至今为止，在太阳系内一共已经发现了约70万颗小行星，但这可能仅仅是所有小行星中的一小部分。其中，直径大于100千米的小行星很少。在小行星中，目前国际上最关心的近地小行星(NEA)有数百个，而直径大于1千米的近地小行星却有成千上万个。2012年2月16日凌晨，直径为44米的小行星2012DA14，从离地面约34800千米的距离飞过。

探索近地小行星，不仅可以揭示太阳系的形成和地球生命起源等科学问题，而且可以预测和应对小行星撞击地球的威胁。可能给人类带来巨大恐慌和灾难的太空天体威胁，当属自然天体与地球可能发生的碰撞。事实上，这离人类并不遥远，例如科学家最近预测，在2032年前后可能有小行星撞上地球；又如，2013年2月在俄罗斯车里雅宾斯克发生了陨石坠落事件。虽然一些报道有夸大危险之嫌，但对此绝不能轻视。通常，这种较大规模的碰撞发生频率较低，一般几十年才有一次，但它对人类社会可能造成的损失十分巨大。

太空小型天体与地球的碰撞，其实是一种正常的自然现象，每秒钟都会有大量来自太空的微小颗粒冲进大气层，每年都有直径超过1米的天体坠落地球，每隔一二十年就会有直径达到10米以上（例如在车里雅宾斯克落下的陨石）的天体“造访”地球。最危险天体的直径能够达到数十米，它的坠落能够将一座大城市夷为平地。不过，这样的天体与地球相遇一次，需要数百年的时间。虽然这是小概率事件，但并不能因此低估小行星体对地球的冲撞。为了避免天体袭击地球，人类需要采取相应措施，以防患于未然。

其次，在过去的100年间，全球人口从15亿爆炸性地增长，到今天已超过70亿，从而使人类对资源的需求也出现了相应的爆炸性增长。为了满足这种增长的需求，除了要加强全社会的资源回收利用率之外，人类也必须前往一些前所未有的新疆域，进行矿产资源的开发工作，比如开发海底和太空的矿产资源等。小行星是太阳系在45亿年前形成初期遗留下来的产物，它是岩石和尘埃的聚集体，有时候还含有一些冰和有机物质。因此，小行星或许将会成为人类开发矿产资源的下一个目的地。

小行星有许多类型，其中最重要的有3类。表面较暗的是C型小行星，它富含碳质，并拥有较高含量的水分，还含有一些含水的粘土矿物；稍显明亮的是S型小行星，主要由岩石组成，其水含量相对低一些，但含有很大比例的金属，主要是铁、镍和钴等；还有一类是更明亮的M型小行星，其金属含量比一般的S型小行星还高出10倍以上。虽然我们目前更多地关注后两类小行星，但在未来人类向整个太阳系扩展生存空间时，富含水的C型小行星将显得尤为重要。由此可见，小行星采矿将是本世纪的一个新兴行业，我们既可以对小行星上的贵金属进行开采，补充地球上稀缺的资源；又可以利用小行星岩石中的铁来制造新的航天器，分解含水矿物的水来制成氢和氧，当作火箭的燃料。

在技术上，探索近地小行星可以早于探索火星，以便NASA可以通过这个项目，试验为探索火星正在研制的“航天运载系统”（SLS）和“猎户座”飞船，从而使探索火星减少风险。对于美国公众十分关心的载人太空探索，也可以有一个近期的成果，以鼓舞士气。

发展小行星探测器

为了探索小行星，除了应用地面天文设备外，NASA在2009年发射的天基望远镜“广域红外探测器”（WISE），将在探索小行星的任务中发挥重要作用。此外，美国过去已发射了多个小行星探测器，如“近地小行星交会”（NEAR）、“黎明（Dawn）”探测器等。NEAR探测器在1996年1月发射升空，经过6年的长途跋涉后，在2001年2月14日成功进入编号为433的小行星“爱神”(Eros)的轨道，并且在这颗距地球3.15亿千米之遥的小行星上成功着陆。在2007年9月27日发射升空的“黎明”小行星探测器，是第一个探测小行星带的人类探测器，也是第一个先后环绕谷神星与灶神星这两个体积最大的小行星的人类探测器。

显然，对于十分复杂的探索小行星任务，上述探测器还无法满足今后的任务需求。因此，计划将于2016年9月发射的“起源、光谱解译、资源辨识、防护-风化层探测器（OSIRIS-REx）”，就显得十分重要。该项目计划投资大约8亿美元，由美国亚利桑那大学领衔，美国航宇局戈达德空间飞行中心提供任务的整体管理、系统工程、安全及保障工作，洛马公司空间系统分公司负责该探测器本体的研制。OSIRIS-Rex探测器，将于2018年10月抵达直径为575米的岩石小行星Bennu（编号1999 RQ36），将对这颗小行星开展详细考察，随后从其地表采集样品并在2023年带回地球。

小行星记录着有关太阳系诞生和演化的重要信息，对其样品进行的分析将有助于人类加深对行星形成和生命起源等重要问题的认识。除此之外，OSIRISRex探测器，也将仔细测量太阳光对小行星的轨道造成的变化，这将帮助天文学家更好地了解太阳光压对小行星轨道造成的影响，提升轨道预测精度，从而有助于保护地球免遭小天体撞击。

为了顺利完成任务，OSIRIS-Rex载有可从轨道上探测小行星地表成分的仪器，这样就可以让地面控制中心在进行首次取样尝试之前，仔细挑选最理想的取样地点。由于不同矿物成分，会在光谱中显示不同的吸收、反射或辐射特征，因此OSIRIS-Rex上载有3台不同的光谱仪，其波段完整涵盖了从X射线、可见光一直到红外线的范围。首先是红外光光谱仪(OVIRS)，其工作波段位于可见光和近红外波段。它将有能力探测有机化合物成分，其中特别敏感的是碳，它还可探测一部分矿物。OSIRIS-Rex计划在某个富含有机物的区域，尝试进行取样，从而得以开展有关早期太阳系有机化学方面的研究，从而帮助揭开地球生命的起源之谜。其次是热辐射光谱仪(OTES)，它则更深地进入了全部红外光的领域，使其有能力探查小行星地表的矿物种类，并测量小行星地表的温度分布。这台仪器也有能力识别矿物的信号，可以据此绘制出小行星地表富水矿物的分布图。第三台仪器是“风化层X射线成像光谱仪”，这台仪器将测量小行星的向阳面上，在阳光照射下微弱的X射线闪光。用这种方法可以测量一些元素，如铁、硅、硫和镁等的丰度。OVIRS 和OTES 两台仪器将会协同工作，确定太阳光对Bennu小行星的轨道产生的影响。

小行星捕获转向舱（ACR）

“猎户座”飞船和小行星捕获转向舱对接在一起

然而，通过光谱方法探测到的小行星地表矿物化学成分分布，也有局限性，那就是其探测的地表深度仅有大约1.5毫米左右，因而无法了解更深层次上的物质组成。小行星的物质组成，很有可能存在垂直方向上的变化，因此OSIRISRex相应设计了能获取一定深度上样品的采样机制：向小行星地表喷射氮气，可扬起地表物质，让其进入飞船的样品采集舱。这就可以采集到地表之下5厘米～6厘米深的物质样品。

小行星转向任务（ARM）

在2010年奥巴马调整了美国载人航天的目标之后，NASA一直在探索载人探索小行星的可行性，研究结果表明直接载人登陆小行星的难度，并不低于载人登陆火星。因此，2012年12月NASA向白宫提交了一份“小行星转向任务（ARM）”项目（NASA称之为“小行星倡议”，也有媒体称之为“小行星捕获计划”）的报告，提出了捕获小行星的大胆设想。报告将整个任务分成鉴别、转向和探索3个阶段。该报告指出：开发小行星的想法早在100多年前就已经提出，只不过相应的技术目前才成熟。……想成功捕获小行星，希望做三件事：首先要能找到一个满足质量、大小等条件的近地小行星；其次还要有一套足够强大的太阳能电动推进系统，能够将小行星带离原有轨道；最后要能在2020年左右安排相关人员对这颗小行星进行勘探和开采。

由此可见 ，这个计划首先要确定一颗飞经月地空间的小行星作为目标。目前，NASA已将目标小行星的大小定位在7.6米左右，质量接近500吨，并从7000多颗近地小行星中圈定了尺寸和轨道都符合要求的13颗小行星，然后准备筛选出其中的2颗，最后再从中确定一颗来实施计划。第二步就是要捕获这颗小行星，并改变其轨道，让其变成月球的卫星，最后要派航天员登上这颗小行星，进行实地勘测。这个小行星也可充当日后航天员登陆火星时进行补给的中转站。在奥巴马总统提出的NASA 2014年预算中，已计划用 1.05亿美元来启动这个项目。

NASA在2013年6月18日发出了“小卫星倡议”的“信息征求书（RFI）”,在一个月内，收集到世界各地提出的402份建议书，并归纳出96种关于小行星捕获的方案。NASA在2013年9月30日～10月2日的公开研讨会上，对小行星捕获方案进行了深入探讨。其中主要方案是由NASA和加州理工学院凯克空间研究所共同编制的。该方案选择由“宇宙神－5”火箭发射质量为5.5吨的“小行星捕获转向舱（ACR）”来承担任务。ACR有两个可展开的太阳电池翼，可发出40千瓦电功率。ACR在飞到407千米高度后，将轨道的远地点调整到月球轨道的高度,并用2.2年时间飞至月球轨道；然后再利用太阳能电推进系统和月球引力辅助飞行，用1.7年时间飞向目标小行星。一旦ACR靠近小行星后，就会释放出一个直径约15米宽的巨大“袋子”，将这颗小行星裹住，从而使这颗小行星成为ACR的“囊中之物”。当ACR成功“网”住小行星后，它就会启动推进器将小行星推离原有轨道，并至少用2年时间飞到月球轨道上，让其成为绕月卫星。由于这个方案只是一个初步设想，所以今后实施的方案，估计将有很大变化。NASA将在2021年由正在研发的SLS运载火箭和“猎户座”飞船，运送航天员登陆这颗小行星，并采集小行星岩石样本，对小行星进行全面而彻底的考察。整个计划将在2025年左右完成。据凯克空间研究所估计，整个任务耗资预计26.5亿美元左右。

2013年11月20日 至22日，NASA召开了“小行星倡议概念综合工作会议”，进一步研究了“小行星转向任务”的技术和经济的可行性。目前，这项任务能否落实的关键是经费保证。为此，美国航宇局局长博尔登说：“任何财政上的削减，都会将这个计划延迟到2017年以后。我们已经将自身的期望表达得十分清楚，8.22亿美元资金是我们能够将这个计划推向实践的底线。如果没有这些资金的话，在2017年之前，我们无法真正实施这个计划。”

无论是小行星的探测，还是小行星的捕获和开发，NASA都呼吁民间及私营企业参与进来。2013年早些时候，位于西雅图的行星资源（PR）公司表示，它打算在未来10年内开采近地小行星上的矿藏，并计划在2016年发射一艘无人飞船前往一颗小行星，并把样本带回地球。当前，这家公司正在研发ARKYD100空间望远镜，成本很低，有望可进一步发展，用于小行星的开矿。近日，NASA与这家公司已达成合作协议。

OSIRIS-Rex探测器

小行星探测器接近小行星的示意图

图塔蒂斯小行星运行轨道

行星资源公司开发的ARKYD100太空望远镜

探索小行星需要国际合作

NASA的ARM项目在美国国会和学术界引发了一些争议，例如，在规定时间内是否有一个符合要求的小行星经过月地空间，而又不会对地球构成威胁；计划是否真的对火星探索等长期太空探索有益；这个计划是否会分散NASA对实施载人火星探索的精力。但是经过NASA解释和广泛的讨论之后，目前在美国国内已取得了基本共识：近地小行星是近期载人太空探索最有价值的目标，也是远期太空探索“自然的跳板”。正如执行过阿波罗9号任务的美国著名航天员拉塞尔·施威卡特所言：“小行星是非常有意思的研究领域。它们本身就是一种资源，我认为美国航宇局此次计划的潜在目标就是为人类更加了解太空，利用太空资源方面进行开拓。这只是第一步，不过，如同婴儿学步一样，这样迈出的第一步让人激动万分。”无疑，这个计划如能实现，将确保美国在世界航天的领导地位，而其军事潜力也不言而喻。

当前NASA最忧虑的仍然是能否及时找到这颗小行星，因此在2013年6月18日发起了一项名为“大挑战”的活动，呼吁全世界所有的组织和团体，无论是私人的还是公共的，无论是学术类的还是其他的，都能一起来出谋划策，寻找目标和探讨如何完成ARM项目。

太空天体威胁是一个全球性的问题，任何天体都不会受国界的限制而准确地落入某个国家。因此，预防太空天体威胁需要各国进行广泛的合作。近年来，联合国十分重视应对小行星问题的国际合作，专门成立联合国近地天体行动小组。目前，欧洲、中国、日本和俄罗斯都在开展小行星的研究和探测工作。欧洲空间局在2004年发射了“罗塞塔”探测器；日本在2003年5月发射了“隼鸟”探测器，并于2010年6月返回地球，带回了25143号小行星的岩石微粒；我国嫦娥2号卫星于2012年12月13日与图塔蒂斯小行星由远及近擦身而过，首次实现中国对小行星的飞越探测。无疑，这些工作将为今后小行星探索的国际合作打下基础。

美国航宇局希望通过“捕获小行星计划”，能够为太空探索的国际合作创造新的可能，这也可为中美两国的载人航天和太空探索的合作，提供新的机会。