近地小行星探测目标的选择

焦维新 （北京大学行星与空间科学研究中心）

近地小行星探测目标的选择

焦维新 （北京大学行星与空间科学研究中心）

Selection of the Near Earth Asteroid Targets

1 探测近地小行星面临的问题

探测是研究的基础，但与探测大天体相比，小行星探测面临许多新问题，这些问题包括：

1）近地小行星（NEA）数量巨大，截至2017年5月1日，已经发现了16089颗。从众多的天体中选择探测目标，其难度可想而知。

2）近地小行星的轨道各异，如轨道倾角、偏心率、自旋周期、半主轴长度等参数相差很大。根据美国航空航天局（NASA）喷气与推进实验室（JPL）给出的数据，近地小行星轨道倾角的范围是0.02°～154°，偏心率的范围是0.062～0.999，自旋周期的范围是4min至700多小时。因此，与这些小行星进行轨道交会所需要的能量也相差很大，如何权衡科学目标和探测成本，也是值得考虑的重要问题。

3）近地小行星的大小相差很大，直径从1m～33km。

4）按成分划分，近地小行星可分为C类、M类和S类等，各类型的成分相差较大且表面形态各异，这些因素既影响到科学目标的选择，也直接关系到着陆和取样的方法。

5）近地小行星的引力一般都很低，与在大天体上的再入、下降与着陆（EDL）很不相同，一般不存在严重撞击目标天体的问题；相反，往往是要注意着陆后的弹跳出逃问题，很多情况下需要考虑固定方法。

6）对近地小行星表面的地质特征、形态特征等情况了解甚少，一般探测器抵近后才能了解这些具体情况，这给着陆器的设计带来很大的不确定性。例如，岩石表面和“土壤”层的着陆方式很不相同，因此，着陆器的设计要适应比较大范围的表面情况。

这里讨论如何选择近地小行星作为探测目标问题。分析时采用排除法，从近地轨道转移到与目标小行星交会轨道所需要的能量、小行星大小、小行星自旋周期、小行星可能撞击地球的概率等方面，逐层次加以排除，最后再根据科学目标的要求从候选目标小行星中选择。

2 选择探测目标的判据

速度增量

选择探测目标需要考虑的一个重要因素是速度增量△v，也就是从近地轨道（如400km高度）转移至与目标小行星交会轨道所需要的速度变量尽可能小，以便节省能量。作为参考，与火星交会所需的△v是6.3km/s，与月球交会的△v是6.0km/s。影响△v的因素很多，主要涉及小行星的轨道倾角（i）、轨道偏心率（e）和远日点距离（Q），而且是由这些参数的综合因素决定的，单独看与某个参数的关系并不显著。

近年来，喷气与推进实验室在网站上直接公布近地小行星的速度增量数据。到2016年7月19日，共发现近地小行星14557颗，其中△v＜6.2km/s的只有3618颗。

近地小行星的大小

目标小行星的直径不能太小。如果太小，则引力很小，探测器着陆时会遇到困难；另外，直径太小的小行星表面一般没有或很少有风化层，即通常所说的“土壤”，没有土壤，着陆固定和取样都有困难。体积很小的小行星一般自旋比较快，这也给安全着陆带来困难。

综合考虑，一般要求小行星的直径大于200m，或者要求H＜21（H为绝对星等）。如果考虑小行星直径的限制，则可将上述3618颗的候选范围缩小到376颗，其中的4颗小行星已被国外进行了着陆探测或被列为探测目标，目前的待选目标为372颗。

自旋周期

在考虑着陆或取样返回探测方式中，小行星的自旋周期是需要认真考虑的问题。在着陆过程中，小行星表面的预选目标点移动了很大距离，使得着陆器在指定地点着陆的难度增大。如果自旋周期太短，着陆器难以选择合适的着陆点。

小行星的自旋周期与大小和类型有关。在确定探测目标之前，通过雷达等探测手段了解预选小行星的自旋周期。从现有的观测数据看，很少发现直径小于200m的小行星自旋周期小于2h，也很少发现直径大于500m的小行星自旋周期小于2h。在上述372颗待选小行星中，有自旋周期数据的只有80多颗，已知4颗小行星的自旋周期小于2h，因此预选范围缩小到368颗。

近地小行星类型

小行星表面的反射光谱反应了其本身物质的组成。根据小行星的反照率和光谱特性，可将小行星分为A、V、E、M、S、C、B、G、F、P、D等类型。其中C、S和M类是最早的分类，C表示碳，S表示硅，M表示金属。

C类：极暗，反照率约0.03，硅酸盐和不透明物（碳），类似碳质球类陨石。约占已知小行星的75%。集中在2.8AU附近的小行星是C类小行星，其频谱平坦，在紫外频谱吸收。这种频谱特征表明，在这个区域内小行星的表面发生过含水的变化过程。

S类：靠近太阳的小行星大多数是S类，相对亮，反照率为0.10～0.22，硅酸盐+金属的混合，类似镍铁石陨石，约占已知小行星的17%。

M类：明亮，反照率为0.10～0.18，纯镍铁。

根据小行星的类型，又可以缩小选择范围。如果目的是研究太阳系的起源和演变，选择C类小行星比较合适；如果目的是研究资源，选择M类小行星比较合适。

表面物质的形态

表面物质的形态与着陆固定和取样方法有密切的关系。例如，如果表面是坚硬的岩石，没有风化层，着陆固定和取样都比较困难，需要采取特殊的方法。表面形态与小行星大小有关系，如果近地小行星的直径小于200m，基本上没有风化层，确定是否有风化层的最好方法是用雷达探测表面物质的极化比。

撞击地球的概率

综合轨道特征和大小，有一类小行星撞击地球的危害性较大，被称为对地球有潜在危险的小行星（PHA）。最小轨道交会距离（MOID）是指两个天体轨道间的最小交会距离，可以作为小行星与行星之间碰撞的早期指示。如果地球与小行星之间的最小轨道交会距离比较大，则近期不会发生碰撞；如果最小轨道交会距离比较小，则应密切关注小行星轨道的变化，因为它可能成为撞击者。可根据最小轨道交会距离数据，判断小行星撞击地球的潜在危险性。

另外，喷气与推进实验室还设立了专门的网站，展示这类小行星撞击地球的概率。欧洲航天局（ESA）也有类似的网页。根据这两个网站的数据，当前撞击地球概率最大，且直径大于200m以上的小行星有32颗。

根据上述6个判据，可以将近地小行星的探测目标范围缩小到100颗以内。根据其他观测数据和选定的科学目标，选择出最合适的目标小行星。

3 候选近地小行星

阿波菲斯

99942号阿波菲斯小行星，其临时编号为2004 MN4，于2004年6月19日发现。根据当年176个观测数据，认为阿波菲斯在2029年撞击地球的概率高达2.7%。但更多的观测结果表明，2029年平均撞击概率为0.004%，导致其杜林危险指数降落至零级（无危害）。

研究指出，2029年4月13日阿波菲斯小行星到地球中心的距离为5.62～6.30Re；2036年4月13日，其撞击地球的概率为0.00224%, 或者说是1: 45000。

2009号FD

2009号FD小行星在喷气与推进实验室“哨兵撞击风险表”中曾经排在第一位，是目前认为最有可能撞击地球的小行星，有文献将其列为继阿波菲斯和贝努后第三颗令人最感兴趣的小行星。2009号FD小行星是在2009年3月发现的，属于阿波罗群小行星。根据估算，该小行星在2185－2196 年撞击地球的概率是0.29%。

涅柔斯

4660号涅柔斯小行星是一颗阿波罗类的近地小行星，也是穿越火星轨道的小行星。该小行星的最大特点是频繁地靠近地球，在2100年前，它将7次接近地球，最靠近的第一次是在2021年12月，距离地球3.9×106km。雷达探测结果表明，涅柔斯表面有厘米级至分米级的粗糙度。

1950号DA

1950号DA小行星（29075）是在1950年2月23日发现的，在观测了17天后从人们的视野中消失了半个世纪，后来在2000年12月31日重新被辨别出。根据2014年的研究，1950号DA在2880年撞击地球的概率是0.05%。

阿波菲斯的基本参数

2008号EV5

2008号EV5小行星是一颗碳质小行星，也是对地球有潜在危险的小行星，其形状大体上是球形，直径约400m，自旋周期约3.7h，近日点0.87825AU，远日点1.0384AU，偏心率0.083561，轨道倾角7.43819653°，轨道周期342.7天，与地球的最小轨道交会距离为0.0138092AU。从低地球轨道到达2008号EV5的△v为5.629km/s。下次靠近飞越地球的时间为2023年和2039年，与地球的回合周期大约为15年。

2016号WN55

2016号WN55小行星的直径为0.451km，在2020－2114年有77次撞击地球的机会。2039年9月13日，其到地球表面的距离仅4.18Re。