美国“小行星重定向任务”步伐加快，载人登火星时间表出台

王景泉 （北京空间科技信息研究所）

美国“小行星重定向任务”步伐加快，载人登火星时间表出台

NASA's Asteroid Redirect Mission Speeds up and Issues Timetable for Crewed Mars Mission

王景泉 （北京空间科技信息研究所）

小行星是太阳系最早期的产物，保留了太阳系形成之初的形态，对小行星的探索有助于了解太阳系的起源和演化过程，可用于进一步研究地球的起源。近地小行星在运行过程中受到大天体的摄动作用，运行轨道不断变化，使得小行星或者其碎片存在与地球相撞的潜在威胁，所以探索小行星也可为研究避免这种碰撞奠定基础。

不少行星科学家都将小行星视为太空探索的自然跳板，它将展示今后至少20年太空探索灵活的发展方向。从某种意义上说，小行星是深空探索任务降低风险的较好途径和理想过渡，不但可以使人类获得持续有价值的科学发现，认识人类居住行星的防御以及太空资源利用，还可为艰苦跋涉登火星积累专门的知识和技术。

探索小行星正在成为美国载人登火星长期战略的关键一步。该计划的实施将把美国航空航天局（NASA）的载人探索、空间科学研究和航天技术发展有机结合，从工程实践上真正创造机会，使未来近地轨道以远的载人探索以至载人登火星能力得以验证。发送航天员访问小行星，进而探索火星是美国太空探索构想的核心思路，它代表了航天员从重返月球向近地轨道以远探索太空的重大战略转移。

1 “小行星重定向任务”的背景及目的

2 0 1 0年4月1 5日，奥巴马总统在肯尼迪航天中心宣布取消布什政府重返月球的“星座”（Constellation）计划，提出了载人登火星构想。NASA初步研究后，提出了“小行星重定向任务”（ARM）作为近期目标和向载人登火星的过渡。

2012年12月，NASA曾向白宫提交了“小行星重定向任务”研究报告，总任务经费超过26.5亿美元，预计10余年完成。该任务按时间先后顺序分为选择小行星目标、重定向小行星和载人登陆小行星探索3个阶段。其中，选择小行星目标阶段在2013－2019年完成，NASA从众多近地小行星中寻找并确定1颗小行星作为机器人飞行器飞往的目标；重定向小行星阶段在2020－2024年完成，NASA研制并发射一个“小行星重定向飞行器”（ARV）来承担捕获、抓拖和重定向小行星至绕月轨道的任务；载人登陆小行星阶段在2025年以后实施，即当目标小行星成功进入绕月轨道后，NASA利用目前正在研制的“航天发射系统”（SLS）运载火箭和“猎户座”（Orion）飞船，将航天员送至目标小行星，并由航天员登陆小行星完成采样返回任务。

2013年初，NASA宣布了“小行星重定向任务”工程计划构想，总体思路是发送机器人飞行器到近地小行星，并将其拖拉到月球附近的轨道；再由航天员到月球附近轨道登陆、采集样品和试验验证技术。NASA认为这是未来近地轨道以远载人任务的关键，更具体地说，这是奔向火星的长期任务符合逻辑的一步。

NASA此次发布的“小行星重定向任务”工程目标是利用2020年发射的机器人飞行器捕获小行星目标天体，并将其转移至绕月轨道上，将在2025年左右实现载人小行星探索与采样返回。为长距离飞行而专门设计的新型飞行器，将实现人类历史上第一次将航天员发送到小行星。这一计划实现后，到21世纪30年代中期就可能将航天员发送到火星轨道，当经过安全返回地球验证后，还将进行载人登陆火星的任务。

2015年3月25日，NASA宣布关于“小行星重定向任务”的方案选择，决定放弃方案A，而选择方案B，使该计划又向前迈进了一步。

2015年4月初，NASA发表了载人登火星的最新研究报告，载人登火星的时间表浮出水面。报告指出，在当前的经费支持力度下，美国可望在21世纪30年代实现载人火星任务，其中2033年实现载人火星轨道飞行，2039年实现载人登火星。

机器人飞行器抓拖小行星示意图

2 机器人飞行器抓拖小行星的可能途径及小行星目标研究

机器人飞行器抓拖小行星的初步方案研究

NASA对于该计划先后提出了2种抓拖方案。一种是最早提出的方案A，打算选择直径约10m的小行星，先发射机器人飞行器到达该小行星，经观测后，采用直径15m×12m的大型可膨胀袋子，把小行星整个罩住。一旦小行星进入袋内，袋子的瓣状结构便收紧，随后由机器人飞行器将其拖走。届时，装有大型太阳电池翼的大功率机器人飞行器启动氙离子发动机，使小行星的飞行轨道稍微偏转，并将其拖拽到月球附近，进入距离月球表面100km高的、稳定的逆行绕月飞行轨道，等待下一步航天员登陆。

方案B则是将机器人飞行器发送到直径可能达几百米的较大的近地小行星附近，与之交会，再经过初步的任务探测后，释放出着陆器在小行星表面着陆。在小行星上观测到可以作为抓拖目标的直径2～4m的巨石后，着陆器移动到该目标巨石附近，展开一对机器臂将其抓起，随后着陆器上升飞离该小行星并与附近轨道的机器人飞行器对接，将巨石拖到月球附近，进入逆行月球轨道，等待航天员来访。

天文学家表示，在近地小行星中寻找方案A中确定尺寸的小行星实际上是很困难的，特别是还要确定哪颗小行星具体适合这种任务，更是很大的挑战。因此，近几年来，为寻找这种小行星，NASA伤透了脑筋。仅此一点，方案A或许就不是一个理想的方案。

“小行星重定向任务”中目标小行星的选择研究

在载人登陆小行星之前，至少应该知道待登陆小行星的具体旋转速率、形状和尺寸、地形和成分等。探索小行星的载人往返飞行具有极大的挑战，仅就载人飞行器简单的狭窄居住空间、太空环境辐射和缺乏远距离实时通信等问题，就要克服巨大困难。

利用到目前为止机器人飞行器已经探测和采样返回的关于小行星的经验，NASA曾选择6颗小行星作为对应这2种方案备选的目标。原计划待确定抓拖方案后，针对具体方案再从中至少选择2颗小行星，用于飞向月球轨道的“小行星重定向任务”，并作为2025年航天员登陆的小行星。NASA专门的小天体评估组（SBAG）解释说，NASA已列出的6颗小行星均将作为2023－2025年机器人飞行器抓拖备选目标。由于目标小行星当时是针对A、B这2种方案，实际上这6颗小行星是分成2组，一组是用于方案A的3颗自由飞行小行星；另外3颗是用于方案B的较大尺寸小行星，可以供机器人飞行器抓拖直径4m以下的巨石。

（1）面向方案A的自由飞行小行星目标

该方案要求小行星直径在10m以下，3个待选目标包括2009BD、2011MD和2013EC20。

2009BD原计划作为自由飞行小行星目标。在原计划中，机器人飞行器于2018年6月发射，2020年4月到达该小行星。经过机器人飞行器与小行星交会并抓住小行星的复杂过程后，将小行星调向飞往月球方向，在2024年10月小行星进入围绕月球的最后轨道。

原计划作为重新定向目标的自由飞行小行星2011MD，2025年8月实施抓拖；2013EC20则在2025年10月进行抓拖。可见“小行星重定向任务”概念的基础是自由飞行小行星。

（2）面向方案B拖拽巨石返回的小行星目标

这一方案实际上需要重新定义任务的概念，即拖拽巨石而不是抓拖完整小行星到月球附近的概念。这样就出现了需要选择2个层次目标的问题，即第一个层次是小行星作为飞抵的目标选定后，还要在该小行星上再选择等待抓拖的巨石。巨石的选择也很需要技术和时间，如果机器人飞行器飞行前就能够确定巨石，那需要另外的飞行器提前飞行探测；如果等到机器人飞行器自身到达小行星探测后再确定巨石，飞行的过程将需要进行很大改变，特别是考虑到后续的载人登陆采样。将选择抓拖巨石作为小行星采样任务的一部分，中间一定需要更复杂的技术，也需要更多的时间。

目前方案B备选小行星也有3颗，但比方案A的小行星直径要大得多，分别为直径500m的糸川（Itokawa）、直径500m的贝努（Bennu）以及直径400m的2008EV5小行星。

“奥西里斯-雷克斯”采样示意图

一是小行星糸川。2010年日本“隼鸟”小行星探测器曾经访问过，有一些数据，准备用于2025年7月抓拖巨石的目标小行星。

二是小行星贝努。原来有一个计划，即小行星采样返回任务“奥西里斯-雷克斯”（Osiris-Rex，又称“起源光谱释义资源识别安全风化层探测器”），探测以前称作“1999 RQ36”，现在称作贝努的小行星，投资8亿美元。“奥西里斯-雷克斯”2010年确定作为NASA“新疆域计划”系列的第4个行星科学任务，计划2016年9月发射，再用2年时间飞抵贝努小行星。探测器对该小行星在低于5km高度进行500天绘图后，将接近小行星，从小行星表面采集样品并带回地球，于2023年9月在犹他州沙漠地带着陆，往返7年时间。采集60g表面材料带回地球，带回的小行星样品25%由亚利桑那州大学研究，75%由NASA存档，在全世界范围内提供研究使用。“新疆域计划”2003年列入NASA预算，2014年宣布每5年发射1次。第一个任务是2006年发射的探测冥王星的“新视野”探测器。2011年发射“朱诺”（Juno）木星探测器，如果“奥西里斯-雷克斯”2016年如期发射，则真的实现了5年的发射频度。

NASA希望“小行星重定向任务”和“奥西里斯-雷克斯”采样返回任务能实现协同，作为“小行星重定向任务”的目标小行星。在“奥西里斯-雷克斯”任务之后，发射另外的机器人飞行器飞达，寻找巨石并将其抓拖回月球附近，等待航天员登陆。利用2016年“奥西里斯-雷克斯”任务与这颗直径500m的目标小行星的接近操作，为“小行星重定向任务”积累经验。计划在2025年3月从该小行星上抓拖巨石。

三是2008EV5小行星。机器人飞行器飞往这颗小行星并从上面寻找待抓拖巨石的时间安排在2025年7月。这颗小行星是欧洲航天局（ESA）机器人飞行器采样任务的预选小行星，是ESA2015－2025“宇宙观测”计划的一部分，该计划称作马可波罗－R（Marco Polo－R）。如果选中这颗小行星，也有和欧洲合作的机会。

2008EV5是天文学家于2008年发现的太阳系中最普通的C型（碳质球粒陨石）小行星，因只反射3%～9%的太阳光而显得非常暗。科学家利用地基红外望远镜和雷达对2008EV5小行星进行探测，从7.5m高分辨率雷达图像中发现该小行星表面有较多巨石，包括直径10m以下的巨石，比较符合方案B的实施要求。因此，NASA暂将2008EV5小行星列为头号候选目标。

但目标小行星的选择涉及到许多要求，是一个长期的过程，直到2019年才能宣布最终筛选小行星的结果。为此，NASA打算以每年增加1颗或2颗的频率加大搜索和选择力度。NASA甚至打破了传统的工作模式，鼓励寻求多方的合作伙伴，通过公布基于某种算法的“小行星数据猎人”应用软件，号召全球天文爱好者踊跃参与，帮助发现更多小行星。

3 “小行星重定向任务”的方案选择与确定

在对此任务争论不断的情况下，NASA宣布“小行星重定向任务”放弃方案A，选择方案B，这一选择是使该任务继续进行下去的重要一步。NASA分析认为，虽然方案B的任务成本要比方案A高出约1亿美元，但从长期太空探索考虑，方案B仍具有优势，目前计算不会超出机器人飞行器部分12.5亿美元（不含运载火箭）的暂定成本。

在方案B中，机器人飞行器将从较大的小行星表面寻找、挖掘、拖拽直径最大达4m的巨石，将其拖至围绕月球的逆行轨道，等待载人飞行器送来的航天员登陆访问，这是对A、B两方案评审后作出的选择。较之方案A，方案B有更大的可拓展空间。方案B除了可选择的目标较多外，还有更多所开发的技术可以用于未来的太空探索任务，包括能完成在小行星上进行软着陆和抓拖大石头的机构机械技术等，这些技术在载人登火星时一定用得上，也将是下一步太空探索所需要的基本技术。方案A需要在浩瀚太空中寻找直径10m以下的小行星，谈何容易。而方案B所针对的直径几百米的小行星较容易寻找，也更容易交会和靠近，在其表面寻找符合NASA要求的巨石困难也小一些。根据NASA的最初计划，在2014年12月就应对方案做出选择，但为了对这2个方案进行更深入的研究，拖延了时间。研究发现，方案B虽增加了技术难度和成本，但长期优势明显，因此仍然决定选择方案B。

对“小行星重定向任务”方案B设想的计划是2020年12月发射机器人飞行器，2年以后该飞行器到达目标小行星。而目标小行星的选择决定也要等到2019年最后确定，这样可为NASA的“近地目标搜索”工作增加发现和选择目标的时间。第一个目标是该机器人飞行器与小行星交会并停靠后，从小行星上抓拖着巨石，于2025年后期到达月球轨道。

第二个目标是NASA在地月空间执行载人任务，开发以后载人登火星的技术。重点是电推进技术，其既是“小行星重定向任务”的关键技术，也是将货舱运送到月球轨道的重要技术。NASA喷气推进实验室研制的太阳电推力器初选作为“小行星重定向任务”使用。技术开发很大的着眼点是时间和效率，比如，若用化学推力器实现该任务，推进剂至少要用200t，比现在10t的氙离子电推力器多出20倍。“小行星重定向任务”机器人飞行器采用的技术主要基于“黎明”（DAWN）小行星探测器的技术。NASA所考虑的另一个主要的技术验证任务，是大型、高功率太阳电池阵，这是“国际空间站”（480km轨道高度）以远载人航天目的地探索所必需的。

重新定位小行星作为采样返回任务的目标，将是自1969－1972年“阿波罗”计划以来，航天员第一次进入深空执行航天任务。这以2014年12月5日“奥利恩”载人舱执行第一次处女试验飞行为起点。“小行星重定向任务”的第3个目标是发展有潜在危害地球的小行星的偏转相关技术。

但能够从上面抓拖巨石的小行星的选择仍然是艰难的。在美国创新思维下，科学家不希望相同的小行星采样的重复，这样就不断有2016年美国“奥西里斯-雷克斯”小行星探测器飞行成功后，将贝努作为“小行星重定向任务”目标小行星的争论。如何选择需要进一步研究，但目前看好的仍是2008EV5近地小行星。

小行星是近年国外深空探测的热点，不仅因为相关任务可用于验证关键技术，还因为它们对地球产生的威胁和独特的科学价值，意义重大。NASA的“小行星重定向任务”从最初的构想变为目前复杂的工程任务，不但能验证NASA载人火星任务所需的关键技术，还能促进防御小行星碰撞地球的技术发展，更可以通过采集的样品对小行星进行更深入的研究。NASA将通过该任务的实施，为未来载人火星探索和其他深空探测任务提供关键技术与能力的开发，包括高效太阳能阵列技术、太阳能电推进系统、舱外活动技术与能力、深空交会敏感器与交会接近系统、新型轨道及其导航技术、采样返回技术、新型深空任务专用航天服等，为美国21世纪30年代实现载人登火星的目标奠定基础。

4 机器人飞行器从小行星抓拖巨石初步工程构想

完成“小行星重定向任务”概念评审后，转向A阶段。这将是关键阶段，将进行成本详细估算，制定计划任务流程。A阶段也将制定采购策略，并于2015年下半年决定任务关键部分的采购步骤。此后将迎来下一个更大的里程碑，届时将融进更多商业问题，并确定以何种方式提供方案B的飞行器部件和技术。

“小行星重定向任务”将作为美国将人送上火星的第一步，将NASA的载人探索、科学探测和技术开发融为一体，它是近地轨道以远和最终登陆火星的未来载人任务所需能力的一个验证机会。航天员登陆小行星任务充满挑战和风险，第一步首先要准确了解能承受人类访问的近地目标，小行星科学家、太空科学家、航天员和NASA任务规划者都在研究这一问题。寻找一个适合航天员访问的目标小行星，构成了此次“小行星重定向任务”最紧急的任务。根据至今的探测，近地目标小行星大于7000个以上，但必须知道，能提供有人控制飞行接近的小行星数量和物理特性（结构）具有高度的不确定性。在已有的目录中也只有不多的初步适合的目标，实际上需要更多的目标，才能获得更大的任务灵活性。

预计于2020年12月发射“小行星重定向任务”的机器人飞行器，约2022年飞抵目标小行星，机器人飞行器一旦到达小行星区域，还需要在该小行星附近飞行200～400天，期间交会小行星，准备抓拖巨石和进行重力拖拉试验。在观测和评估小行星表面巨石后，机器人飞行器降至低点距该巨石1km处伴飞，进一步确定其性质，并对其进行空间分辨率1cm的拍照，寻找抓拖巨石的方位。机器人飞行器在机器手末端安装有微机构爪，用于抓取和拖拉巨石。微机构爪利用数千个小型爪把巨石周围挖松并抓紧该巨石，使之与小行星表面脱离，在不使用推力器的情况下，利用引力对巨石进行初步提升。此过程中要严格限制碎片数量。

飞离小行星后还需在绕飞小行星的“晕轨道”停留215天。绕飞期间，机器人飞行器将采用一种被称为“引力牵引器”的技术，利用微小的引力作用，缓慢地改变巨石的飞行轨迹。由于“巨石抓拖”方案使小行星的部分质量和引力转移到机器人飞行器上，重新定向抓拖效率将得到提升。然后机器人飞行器抓拖着巨石离开小行星，将于2025年后期到达月球轨道。当机器人飞行器抓拖的巨石经远距离飞行进入绕月轨道后，搭乘“航天发射系统”运载火箭的“猎户座”飞船将2名航天员送至巨石上，进行为期25～60天的探索任务。

小行星拖拉任务将由NASA的科学、载人探索和空间技术部门联合投资和管理，2014年1.05亿美元的资金分配比例如下：2000万美元用于科学任务部门改进其小行星探测技术；载人探索和任务操作部门获得4000万美元，实施机器人飞行器的早期工作，研究捕获小行星技术和拖拉到月球轨道的技术；空间技术任务部门获得4500万美元研究太阳电推进系统，用于向小行星捕获飞行器供电。

5 载人飞行器抵达和航天员登陆巨石采集样品

将巨石抓拖到逆行月球轨道实施航天员访问，这是“猎户座”和“航天发射系统”的主要验证任务，2个项目目前每年投资接近30亿美元。根据方案B，机器人飞行器将巨石拖拽到逆行月球轨道后，搭载2名航天员的“猎户座”将飞抵该巨石，航天员登陆采集样品并带回地球。

第一次载人飞行任务目前计划在2021年，即探索任务－2（EM－2）。2025年，“猎户座”到达月球逆行轨道后，首先和机器人飞行器对接，随后，航天员接近巨石。按计划，采样活动中2名航天员可能在巨石附近进行4h的太空行走，轨道活动时间主要由“猎户座”生命支持系统的能力决定。为延长轨道活动时间，NASA又提出增加居住舱，研制拓展增强舱，使整个任务从20天延长至60天，这就需要更强的生命支持能力和更多的物品消耗。因此，该增强舱也设有用来与后勤运输飞行器补给时对接的对接口，等待从地球到该巨石间的太空运输物品。

NASA曾在2014年安排1.05亿美元的资金开始研究试验抓拖巨石并将其带回到月球轨道的有关技术。在11年的整个任务期间，该项资金需要10亿～26亿美元。航天员采集并返回的小行星样品可用于进一步深入研究小行星，为未来小行星采矿积累经验。现在美国已经成立了两家小行星采矿公司，即行星资源公司（Planetary Recources）和深空工业公司（DSI），探索小行星矿藏开发。

航天员登陆小行星采样示意图

6 规避小行星撞击地球的技术研究

N A S A曾利用2 0 0 5年发射的“深度撞击”（Deep Impact）彗星探测器试验了利用人造飞行器直接撞击近地目标，从而改变其飞行轨道的技术，还计划在2020年前后开展“小行星撞击与偏离评估”（AIDA）等国际合作项目，利用人造飞行器撞击可能威胁地球安全的近地小行星，试验有关技术，测试撞击可能引起小行星偏离。这次在“小行星重定向任务”中，NASA也将试验“引力牵引器”行星防御技术，用于了解小行星运行轨道偏离机制，研究通过非接触手段将小行星移出可能撞击地球的轨道的途径，拓展地球防御任务的技术思路，为未来降低小行星撞击地球概率积累手段。

用于偏转小行星最可能的技术是动能撞击器，撞击小行星以改变飞行方向或使其速度有毫米级、厘米级每秒的改变。如果有充足的预警时间，又是针对相对小的小行星，还可以让人造飞行器靠近小行星盘旋，利用万有引力稍许改变小行星轨道，称为“重力拖车”。这次“小行星重定向任务”还要完成包括“重力拖车”等在内的研究。