小行星探测进展及技术特点分析

廖慧兮 王彤 贾晓宇 （北京空间飞行器总体设计部）

小行星探测进展及技术特点分析

廖慧兮 王彤 贾晓宇 （北京空间飞行器总体设计部）

Analysis on the Progress and Technical Characteristics of Asteroid Exploration

小行星形成于太阳系早期物质演化阶段，是太阳系演化过程的“活化石”，探测小行星有助于揭开太阳系起源的奥秘；小行星还蕴含丰富的资源，包括高价值金属，氧气、氢气、氨气以及普通矿物，可通过原位利用的形式支持深空探测。国际上对小行星的研究不断深化，小行星探测活动正日益成为热点。

1 小行星探测的意义

小行星是围绕太阳运行的岩石或金属天体，它们的体积相当小，不足以被称为行星。太阳系中的小行星按照位置区分，主要包括主带小行星、近地小行星、日-木特洛伊小行星、柯伊伯带小行星和半人马小行星五大类。随着科学技术的发展，人类已经越来越认识到，探测、开发小行星具有重要意义。

揭示太阳系及生命起源，促进基础科学发展

小行星是46亿年前太阳系初期形成的行星体，其独特的物理、化学和矿物质特性，将成为揭示太阳系起源及演化等重大科学问题的关键。科学探测与研究将是小行星探测任务的主题，以科学需求为牵引也成为美国、欧洲、日本等国家和地区后续小行星探测规划的主要出发点。

小行星探测对探索小行星的起源和形成机制、小行星母体内部的熔融分异机制、地球生命起源以及探索恒星演化和行星形成关系、评估近地小行星撞击地球的威胁等具有重要的科学意义。其原创性科学成果，将对我国地球与行星科学、太阳系演化、空间物理学、空间材料科学、空间环境科学等学科的原始创新和发展起到极大的促进作用。

提升工程能力，牵引技术升级

探测小行星可牵引航天及深空探测技术。通过实施小行星资源开发与利用，可带动空间机器人技术、天文导航、新兴材料制造、新兴电源制造、极限高低温热控保障、地外天体结构成分识别等众多新兴技术的发展。同时，新兴材料制造、新兴电源制造等技术还可转化应用到新能源汽车等众多民用产业当中，带动相关行业技术的发展。

探测小行星可利用天然资源，促进太空工业发展。利用太空资源是实现永久太空开发的唯一方式。小行星，特别是C型小行星，可能含有20%的水，除水以外，小行星还蕴藏其他稀有金属和矿产资源, 成为潜在的“地外矿藏”，可以为人类开发利用。金属M型小行星多蕴含铁和镍元素，含量中约90%为铁，其余约10%为镍，此外还可能含有铂、钴、铑、铱、锇等稀有金属，小行星所蕴含的金属和燃料能够扩展太空工业发展。可以预见，随着相关技术的发展和成熟，小行星可作为人类开发矿产资源的下一个目的地。

探测小行星可推动技术进步，带动新兴技术转化。实施小行星探测与资源开发利用，其工程难度与显示度有着量变向质变的提升。完成地外天体探测、捕获、操控与开发，将面临复杂轨道设计实现、自主导航控制、深空探测与通信、复杂热环境条件下热控、新能源利用、先进推进等方面的大量难点问题，也是我国后续走向外太空必须要解决的关键技术。

保护地球安全，建设行星防御体系

一直以来，地球面临着地外天体撞击的巨大威胁。远古时期的恐龙灭绝，就是由于小行星撞击造成的灾难性后果。2013年2月15日，一颗小行星以30km/s的速度进入大气层，并在车里雅宾斯克地区上空约30km高度发生猛烈的爆炸。据美国航空航天局（NASA）评估，陨石直径约为17～20m，质量约为10000t，爆炸当量约5×105t。在这次袭击18h之后，另一颗小行星2012号DA14从相距地球3.4×104km的地方高速掠过。这些为人类敲响的警钟，都在不断地提醒着全人类应该高度重视，并采取有效措施建立小行星防御体系。

目前全世界对于小行星的起源、飞行轨道、物理特性、内部构造等问题的了解还处于初级阶段，仅仅通过地面观测和若干无人探测任务获得了有限的认知。实施小行星资源开发与利用，逐步突破小天体目标监视、地外天体操控技术，建设、健全地基和天基监测与防御体系，可促进近地物体探测、跟踪和识别，提前发现来自太空的撞击威胁。

开辟新兴疆域，彰显航天强国地位

从国际发展态势来看，小行星也是重要的资源宝库，是国际航天巨头们争夺的重要对象。按照地球物种亿万年不变的“先到先得、胜者为王”的原则，热闹的地外资源争夺早已在发达国家之间展开了。

小行星资源开发与利用对国家未来抢占深空探测主动权和制高点有着不可估量的战略意义。操控一个地外天体并对其进行资源开发与利用，足以为人类探索空间开辟新的纪元。小行星资源开发与利用是一项巨大的系统工程，是国家综合国力及科技创新能力的综合反映，可极大地彰显航天大国地位，具有显著的政治意义。

2 小行星探测的历程与启示

20世纪90年代前，人类主要通过地面天文观测和对陨石的分析，来对小行星的轨道、物理特性、物质组成和化学成分进行研究。随着深空探测的不断深入，小行星探测任务正逐渐增多，人类对小行星的研究进入到一个更高的层次。

早在1991年，美国发射的“伽利略”木星探测器对951号Gaspra小行星进行了飞越探测，这也是人类第一次对小行星的近距离观测。国际上小天体（主要指小行星和彗星）探测已有30多年历程，美、欧、日先后完成了各自独特的标志性任务。其中，20世纪90年代前均为彗星飞越，90年代后共实施小行星任务6次，彗星任务3次；此后，实现了飞越、绕飞、采样返回等多种方式探测。

典型的小行星及彗星探测任务

小行星探测活动基本遵循对自然现象认知的过程（认识、了解、应用），分为3个阶段：①初级阶段：对小行星外形及部分物理特性的观测，探测活动以“飞越探测”为主；②中级阶段：对小行星物理特性等进行深入了解与分析，探测活动以“绕飞→附着→采样”的技术路线实施；③高级阶段：对小行星运动进行控制或对其物质进行开发利用，探测活动以“偏转→操控→利用”的技术路线实施。

（1）“近地小行星交会”：国际首个小行星探测任务

2000年2月14日，NASA的“近地小行星交会”（NEAR，又称“尼尔”）探测器顺利进入距离爱神小行星35km的绕飞轨道，对其进行了多手段全面观测，获得了小行星大小、形状、质量、质量分布、重力、磁场、自转、成份和地质学数据。探测器利用多光谱成像仪拍摄得到的照片，对小行星表面的撞击坑进行了观测，科学家根据观测结果认为，爱神小行星是一体结构，内部有断层。

（2）“隼鸟”：国际首个小行星采样返回探测任务

2003年5月9日，日本“隼鸟”（Hayabusa）探测器成功发射，2005年10月到达近地小行星糸川（1998号SF36），并进行了交会与采样。“隼鸟”于2010年6月返回地球，成为世界上首个实现小行星采样返回任务的探测器。

探测器首先在10km轨道勘测选取附着区域后，下降到距小行星表面100m的上空，进入最后着陆阶段。此时根据小行星的物理学特性和结构数据选定着陆点，探测器导航照相机和激光测距仪根据目标标识器闪光的指引进行制导；而扇形波束传感器则放射出若干光束照到目标标识器上，根据照射光的角度等参数计算出探测器与目标标识器的距离，当探测器接近小行星表面时，探测器腹部突出的采样装置对准并碰撞选定的采样点，将一枚质量为5g的金属“子弹”以300m/s的速度射向小行星表面，使遭到射击的表面破碎，碎片飞溅起来。这些碎片被吸入到采样装置一个喇叭口状容器中。每次采样完成后，探测器返回到100m高度。

（3）“罗塞塔”：国际首个主带彗星着陆探测任务

“罗塞塔-菲莱”（Rosetta-Philae）是世界上首个完成彗星表面着陆就位探测任务的探测器，开展了目标彗星彗核全球勘测和2颗小行星的化学、矿物学和物理特性的研究，实现了低轨道绕彗核观测和未知彗星表面精确着陆，它也是欧洲历时最长、最具挑战的深空探测任务。

“罗塞塔-菲莱”探测器包括1个轨道器和1个着陆器。着陆器带有1套着陆缓冲系统和1套锚定系统，轨道器选定着陆地点后，“菲莱”着陆器弹离轨道器，打开着陆腿的锁定机构，展开并锁定它的3条“支撑腿”。着陆器用光学照相机获取精确着陆点图像，用飞轮控制姿态，最终以小于1m/s的速度触地。推进系统施加推进保持力，进一步防止着陆器反弹和漂走。在着陆时，着陆器会弹射出1个鱼叉式的锚定装置，将着陆器固定在彗星表面上，防止着陆后仪器设备操作和环境扰动使着陆器翻倒或飘走。

“罗塞塔”在追逐彗星的途中，相继在2008年和2010年飞越了2867号Steins小行星和21号Lutetia小行星。着陆前，欧洲航天局（ESA）确认“菲莱”着陆器的冷气推力器发生故障，无法完成反推下压动作。2014年11月12日“菲莱”着陆器在彗星表面着陆过程中，发生了两次弹跳。2016年9月5日，ESA确认“菲莱”着陆器被卡在彗星的一条黑暗裂缝中。

（4）“黎明”：首次2颗主带小行星探测任务

2007年9月27日，美国“黎明”（Dawn）探测器发射，其科学目标为了解太阳系开始形成时的条件和过程，测量灶神星和谷神星（现已被划入矮行星）的质量、形状等，同时考察2颗小行星的内部结构并进行对比研究。“黎明”探测器采用经验证的技术，全冗余、低风险，配置了1套经深空－1（Deep Space－1）验证的离子推进系统。2011年7月，该探测器被灶神星捕获并进入其轨道，开始对灶神星进行探测，于2012年9月5日完成对灶神星的科学探测并离开灶神星，已于2015年3月达到谷神星，原计划2016年6月完成对谷神星的科学探测后结束“黎明”任务，后延期至2017年6月，但目前其仍在工作。2012年12月，NASA宣布“黎明”探测器探测到灶神星表面可能曾经有水存在。

（5）嫦娥－2：中国首次小行星飞越

中国的首次小行星飞越观测由嫦娥－2月球探测器完成。嫦娥－2月球探测器圆满完成探月先导技术验证既定任务，利用日地拉格朗日2点（L2点）的伴随地球绕日运动特性，实现了测控地面站的接力控制，在国际上首次实现了从L2点飞越小行星的轨道转移，成功飞越4179号图塔蒂斯小行星，并获取最高分辨率3m的光学彩色图像；除在国际上创造千米级飞越最近距离纪录外，也使中国成为继美、欧、日之后第4个实施小行星探测的国家，对图塔蒂斯小行星飞越成像试验，圆满实现了多目标多任务的预定目标，为中国深入开展小行星探测奠定了必要的工程实践基础。

在飞越图塔蒂斯小行星过程中，利用星载CMOS轻小型相机获得了小行星系列彩色照片，并联合多家单位开展了科学研究，揭示了该小行星的物理特性、表面特征、内部结构以及可能的起源等新结果。嫦娥－2距图塔蒂斯小行星最近的飞越距离约为770m，获得最高分辨率光学图像优于3m/像素。从图像估算了小行星尺寸，新的结果表明图塔蒂斯的长度和宽度不超过4.75km×1.95（1±10%）km。

作为中国首个飞入行星际的探测器，嫦娥－2具有研制周期短、技术状态复杂、关键技术与环节多等特点，而嫦娥－2任务设计有其高起点、高效率的鲜明特色，兼顾了技术验证和科学探测，并通过实施拓展任务，实现了月球、L2点和小行星多类目标进行环绕、飞越等多项任务的探测，为中国开拓了深空探测活动的多个领域，实现了跨越式发展。

小行星及彗星探测任务的启示

各航天国家都对小行星的探测极为重视，在其未来空间探索计划中涵盖了小行星探测计划。小行星探测已成为主要航天国家深空探测领域的重点发展目标之一。从已实现的小行星探测计划和各国规划中可以看出，小行星探测呈现出三大特点和趋势。

（1）从飞越和绕飞探测发展到表面软着陆和采样返回探测

在探测早期，由于技术原因，尚不能完成小行星表面着陆及返回探测，只能是飞越或者绕飞，小行星探测也多作为某一型号的拓展任务来完成。但随着轨道设计及导航控制技术、先进的推进技术及表面操作技术的不断进步，为了获得更多的科学信息，小行星探测形式逐渐发展为表面软着陆和采样返回探测。目前，在采样返回任务方面，日本已实现了小行星表面采样返回，而美国、欧洲、日本的后续规划中，也在积极推进着小行星采样返回任务的实施；在表面软着陆方面，欧洲的“菲莱”着陆器虽然也进行过大胆的尝试，但是就结果来看，目前为止，除美国“近地小行星交会”扩展任务外，尚没有完全成功小行星着陆的先例。表面软着陆作为可靠安全采样和原位探测的基础，今后将成为小行星探测形式的一个主要发展方向。

（2）以科学需求为牵引，兼顾新技术演示验证

小行星探测可填补太阳系形成与演化、生命起源的科学空白，以科学需求为牵引也成为美国、欧洲、日本等国家和地区后续探测规划的主要出发点。

小行星探测任务的实施也涉及到空间推进技术、能源技术、弱引力表面附着、固定与采样等一系列关键技术，而探测目标距离远、目标尺寸适中，使小行星探测成为这些新技术得天独厚的试验场。美国深空－1探测器和日本“隼鸟”探测器均在新技术演示验证方面取得了重要成果，所验证的技术也为各国后续深空探测任务提供了重要的技术保障。

（3）任务设计各有亮点，均为精细设计

小行星探测任务周期一般都至少为6～7年，以欧洲的“罗塞塔-菲莱”任务为例，探测器飞行了10年，才到达目标天体。在漫长的飞行过程中，关键设备往往功能失效，如“菲莱”的固定附着装置鱼叉和冷气推力器发生了故障，没有实现成功附着；日本的“隼鸟”离子推力器等设备出现了故障，释放小型原位探测器失败，困难重重返回地球。从以上信息可以判断，系统需要进行高可靠、长寿命设计，以应对漫长飞行旅途中出现的各类问题。

3 小行星探测技术特点分析

小行星探测相比月球、火星等任务，难点主要体现在“微弱引力、未知环境”两个方面。小行星探测在工程实施和科学研究方面将面临多个关键技术问题，按照任务发展脉络，可从“选、探、控、用”等方面分析诸多关键核心技术。

“选”—目标发现与选择

针对小行星资源利用与开发任务的特点，需解决小行星目标的选择问题，包括小行星目标的发现，小行星目标的参数识别与分析，小行星目标的科学价值评估与工程可行性分析等。

（1）小行星目标发现和特征识别问题

包括对小行星形状和尺寸识别、物理组成识别以及运动状态识别。小行星的形状和尺寸识别对探测任务的执行关系巨大，受制于分辨率，通常需要卫星的近距离观测才能获得精确信息，但执行探测任务前的目标识别将为探测目标的选择提供参考，决定探测任务的可行性与探测器总体的设计。其关键技术包括地基小行星目标探测技术、天基小行星目标探测技术与先进的小行星目标观测算法等。

（2）探测目标的选择问题

从科学价值和工程可行性两方面对小行星目标进行选择。科学价值方面包括对已确定参数小行星的资源可利用性进行评估，而工程可行性则对发射探测器探测小行星以及进一步开发利用所需的速度增量、燃料消耗以及系统规模进行评估，给出适合探测的小行星目标。其关键技术包括基于先进推进技术的可达评价与目标选择技术、基于多层科学与科学价值约束的目标选择技术与基于路径约束的探测序列规划与目标选择技术等。

“探”—目标到达与探测

针对目标小行星，解决探测器对小行星目标的可达和初期探测问题，包括长时间星际飞行电源与燃料供给、深空暗弱目标自主导航、弱引力天体捕获、近距离探测、小行星目标物理信息获取、弱引力天体着陆与附着和弱引力天体表面运动等问题。

（1）探测器至目标转移问题

在进行小行星探测器至目标转移轨道设计时，受限于现有运载能力，初期任务可以考虑针对近地小行星探测，采用“直接转移轨道”或“深空机动+地球借力”；后续任务主带小行星是重点，可考虑“深空机动+地球借力+火星借力”（如“罗塞塔”任务）或“火星借力+电推进”（如“黎明”任务）的组合方式来实现任务目标。其关键技术包括长时间、大范围轨道机动技术，大推力电推进技术和长期大功率供电技术，长期深空飞行还需解决测控通信、自主系统以及轻量化结构与材料等问题。

（2）小行星抵近问题

近地小行星引力极为微弱，在探测器与目标小行星实现交会以后，需要把探测器的运行轨道稳定到与目标小行星基本相同的绕日椭圆轨道，并与目标小行星保持一定的距离，以便对其进行长期观测寻找合适的附着位置。对于微弱引力天体附着，需要探测器能够在伴飞过程中确定目标天体引力特性，以便修正下降策略。其关键技术包括暗弱不规则天体识别技术、自主光学导航和控制技术等。

（3）小行星附着问题

探测器在小行星表面着陆，对小行星进行采样是获取小行星信息的重要方式，需要实现探测器在弱引力环境下的着陆、附着以及采样等操作。从小行星资源开发与利用需求来看，长期附着将在后续任务中扮演重要角色，而表面的多点采样探测将会扩大任务的探测范围，提高任务的回报。其关键技术包括微重力附着技术与表面采样技术。

（4）小行星表面探测问题

小行星表面运动及观测是了解小行星物理特性的重要手段之一。受小行星弱引力影响，存在表面运动形式、运动机构设计、能源供给、信息传输、障碍规避和故障处理等问题。其关键技术包括弱引力表面漫游机器人技术、基于多信息融合的自主移动技术等。

“控”—目标捕获与操控

针对选择并到达的小行星目标，需解决如何在近距离实现小行星的操控作业问题。它包括：通过初步探测与参数识别，实现对小行星自旋状态、轨道运动状态以及局部地形地貌的操控，还包括对小行星消旋，将小行星整体轨道偏移或转移至目标区域等。

（1）小行星轨迹改变问题

改变小行星运动状态的方法从作用时间上区分，可以分为快速改变和缓慢改变。快速改变可通过动能撞击或表面爆炸等方式进行；缓慢改变还可分为接触式与非接触式长期的拖拽。目前国际上已提出十余项小行星操控技术途径，如核爆、动能撞击、引力牵引、聚光烧蚀、质量驱动等，这些技术途径大多处于概念研究阶段，未进入工程实际应用。其关键技术包括小行星运动模型及作用效果精确评估、大质量航天器姿态稳定等技术。

（2）小行星在轨捕获问题

小行星抓捕方式包括对小行星整体的抓捕以及对小行星局部的抓捕，抓捕方式的选择将决定小行星捕获机构设计以及相关系统设计。

目前，非合作目标在轨捕获技术主要包括：机械臂捕获、伸缩机构捕获、飞网/飞爪式捕获等。此外，近些年还提出了吸附捕获、类飞网捕获等一系列新概念。其关键技术包括抓捕机构可控展开、充气结构复合体折叠装载与非合作目标消旋等技术。

（3）捕获后的目的地选择问题

近地小行星捕获至地球附近空间后，最终停留目的地的选择是一个重要问题。捕获目的地的选择应主要考虑：①未来载人小行星探测的衔接性；②提取小行星资源支持后续深空探测任务；③捕获后对地球的碰撞威胁；④动力学可行性。其关键技术包括高精度动力学环境下小行星运动特性分析与大质量天体转移的低能量轨道分析与设计。

“用”—目标开发与利用

针对操控后的小行星目标，需解决无人或有人参与下的小行星资源利用与开发问题。开展小行星的资源开采与综合利用。它包括小行星资源的原位利用，小行星自然平台的利用，小行星基地的建设与维护以及涉及到载人登陆小行星探测等技术问题。

（1）小行星平台开发问题

利用小行星天体自身的轨道特性、物质特性等，有多个方向的开发可能，包括资源开发平台与星际航行平台。

资源开发平台是指将小行星控制至可达的范围内，然后开展机器人或载人小行星资源开采，获取小行星上稀有资源返回地球，或者直接利用小行星的矿物资源开展在轨建造工作等。星际航行平台是指利用小行星特殊的轨道，着陆小行星表面，利用小行星作为摆渡平台，探测器可开展探测，也可进入休眠状态，待小行星进入合适的位置，探测器飞离小行星，进入目标轨道，可减少探测器的推进剂需求，降低探测器规模或进一步拓展探测距离。

（2）小行星资源利用问题

原位资源利用是勘测、获取和利用地外天体的天然或废弃的资源，用于维持可长期在地外生存的产品和服务的技术。原位资源利用的好处是，通过减少进行长期地外驻留任务期间的消耗品、推进剂、结构材料和其他物品的需求，从而显著降低深空探测任务的质量、成本与风险。

（3）载人小行星探测问题

载人登陆小行星，参与小行星的资源开发利用或开展小行星相关科学研究也是未来的发展方向，需要考虑航天员短期或长期登陆，居住在小行星所面临的环境、生理、心理等多方面的技术问题。主要关键技术包括长期生命保障、空间辐射生物学研究及微重力生物学研究等技术。

（4）相关法律与政策问题

太空已成为人类继陆地、海洋和大气空间之后的第四个活动领域。同人类其他活动一样，太空活动也需要一系列规范来约束，使之能够有序进行，并符合参与空间活动的国家利益、人类共同利益。外层空间是全人类共有的资源，各国探索、利用和开发这一资源的活动应在国际空间法框架下进行。

小行星资源利用开发作为全新的概念，目前缺乏相关法律依据，需要参与开发的国家，组织和机构共同协商并完善。联合国和平利用外层空间委员会（外空委）是制定空间法的主要机构。空间法主要由5个国际条约和5套法律原则构成。

4 我国小行星探测任务路线图设想

我国依托嫦娥－2，在扩展阶段抓住机会实施了一次小行星飞越探测，接下来小行星探测任务需从未来10～20年长远发展规划层次，来对小行星任务进行规划与定位，实现统筹规划，分步递进，快速发展。

结合国内外小行星探测构想、规划和任务，以及我国现有的技术储备和未来技术发展趋势，本文提出我国小行星探测“三步走”的发展策略，每一步的主要目标分别是“探、控、用”，各步主要特征和目标始终都存在于各次小行星探测任务中。

第一步：探（可达性）

我国探月工程的稳步开展，为后续深空探测任务奠定了坚实的基础，所以为了加快跻身世界小行星探测领域的先进行列，我国小行星探测的第一步应以“高起点、高要求”为原则，多步并一步，通过一次任务，实现以近地小行星飞越、附着、原位分析、采样返回探测为主，以拓展新目标或技术演示验证为辅的多任务、多目标探测；突破轨道借力、长寿命电推进、非合作目标交会、弱引力天体采样等关键技术。

第二步：控（主动性）

将小行星操控至月球或者L2点轨道，更有利于后续对小行星的开采和利用。因此我国小行星探测第二步以近地小行星为目标，实施接近、伴飞、主动操控变轨至L2点，发展天文导航、大范围轨道机动与控制、新型材料制造、新型电源制造、极限高低温热控保障、非合作目标姿态轨道识别、地外天体结构成分识别等新兴技术，形成对外太空非合作目标的主动操控能力。同时构筑小行星防御体系，消除地外天体“自然”或者“人为”撞击对人类家园的致命威胁，保证国家安全。

第三步：用（全面性）

通过前两步，我国应可以全面掌握小行星探测的主要共性技术，后续应以小行星的“资源利用”为目标进行任务规划，第三步可选择具有特殊资源的小行星，可通过机器人开采探测，也可通过主动操控其轨道，使其成为地球或者月球卫星，并通过载人或者无人方式对其资源进行开采，其中原位利用技术可为人类拓展生存空间奠定基础。

5 总结

小行星是近期太空探索最有价值的目标之一，是人类进一步发展航天深空探测能力、拓展航天任务范畴的重要宝库。小行星探测可填补太阳系形成与演化、生命起源的科学空白，推动“物质构造、意识本质、宇宙演化”等基础科学研究，牵引空间自主智能、高能量推进、目标确认与价值评估、原位分析与采样返回等关键共性技术发展。目前，世界各国的小行星探测活动正处于起步阶段，及时介入小行星深空探测领域将使我国在国际空间探测活动中占有有利地位。尽早系统性开展小行星探测科学、监测、操控等专题研究，提前开展关键技术自主研究，实施一次“起点高、任务新”的小行星探测任务，对于彰显航天强国地位，以及抢占深空探测主动权和制高点有着不可估量的战略意义。