走，我们去看看小行星

□ 邢强

走，我们去看看小行星

□ 邢强

▲ 阿里安5火箭正在发射罗塞塔号探测器

小行星将是人类太空探索的新边疆，无论在军事意义层面还是从科学探索层面，都会是今后人类太空活动的一个重要发展领域。

而无论是正在热议的捕获一颗500吨级的小行星到绕月轨道上然后派航天员去登陆的方案，还是到估值为95.79万亿美元的那颗小行星上去开采珍稀矿产的计划，还是捕获一颗更大的小行星到近地轨道上成为太空永备军事基地的项目，都一次又一次地让小行星成为了热点话题。

[作者注]：据世界银行报告，2015年全球GDP的总量为74万亿美元。那一颗充满稀有金属的小行星的估值为95.79万亿，比全球GDP的总和还要多。

第一次飞掠

自1801年皮亚齐发现了第一颗小行星谷神星以来，很长一段时间人类都是依靠地面望远镜对小行星进行观测和研究。

1989年10月18日，人类终于摆脱了对地面望远镜的依赖，开始实施近距离观测小行星的计划。这一天，阿特兰蒂斯号航天飞机将一枚重达2.562吨的深空探测器送入太空。这枚探测器，在之后20年里甚至到今天，都以其重大的发现而举世闻名。它就是伽利略号木星探测器。

伽利略从1995年进入木星的轨道直到2003年坠毁，共在木星工作了8年之久。在印象中，伽利略号始终是作为赫赫有名的木星探测器受世人敬仰的。而实际上，在到达木星轨道之前，它就已经创造了传奇。

1991年10月29日，伽利略号在前往木星的途中掠过了951号小行星，并在5400公里处拍摄到了它的照片。加斯普拉，这颗在1916年被俄国天文学家格里·尼明发现的小行星成为了第一颗被人类制造的探测器飞掠的小行星。

在整个飞掠过程中，伽利略号探测器与小行星的平均相对速度为8公里/秒。伽利略号共向地球成功传输了57张加斯普拉星的照片。这些照片覆盖了加斯普拉星80%的表面积，除了南极区域没能被拍到外，基本上算是超额完成了预计的探测目的。

伽利略号探测器仅仅是做了一次飞掠加斯普拉星的飞行，并没有绕着这颗小行星转圈飞，按理说只能看到该星体的一个侧面，又如何能做到拍摄到了80%的表面的呢？

这就是轨道设计的巧妙之处了。经分析，这颗近日点为1.8267天文单位、远日点为2.5931天文单位的小行星很有可能存在自转现象。预计自转速度为7小时一圈。那么，通过设计伽利略的轨道，让其用将近7小时的时间来飞掠加斯普拉星的话，不就可以借助小行星的自转来窥得它的全貌了么？

[小知识]：现代导弹制导控制技术在深空探测器上的应用

伽利略号探测器为了能够拍好加斯普拉星的照片，首次在深空探测器上使用了现代导弹制导控制技术。这样，伽利略号探测器才能够在遥远的距离上自主锁定目标并结合飞掠式弹道对探测器上的敏感器进行调姿。

要知道，在这个距离上，以光速传播的人类的遥控信号也要延迟将近10分钟，因此只能靠探测器自主行动才能抓住稍纵即逝的时机。而伽利略号探测器的相机实际上是为了拍摄木星及其卫星而设计的，对于个头小得多的小行星，并未专门进行优化。实际上，伽利略号探测器的相机的视角只有5°。这是什么概念？就像是我们把一张A4纸沿着长边卷成筒状来锁定天空中飞速掠过的飞鸟，而且要对着鸟儿连续眨57次眼睛。

从那以后，所有需要拍摄小天体的深空探测器都用上了类似的导弹制导技术。

▲ 伽利略号的主任务是探测木星，不过他对小行星也有开创性的发现

▲ 阿特兰蒂斯号航天飞机将伽利略号探测器送入太空

第二次飞掠

飞掠了加斯普拉星后，伽利略探测器顺便又实现了人类第二次小行星飞掠式探测。这一回，伽利略号飞掠的是243号小行星艾达星。伽利略号有个大发现：他发现艾达星这颗小行星居然有它自己的天然卫星！

这是伽利略探测器采用之前在加斯普拉星的探测中得到验证的技术对艾达星的拍摄。这回伽利略看到了小行星95%的表面。艾达星的公转周期为4.84年，自转周期为4.63小时。它的平均直径为31.4公里。它不规则、椭长形的形状，如牛角面包，也像是一位双手抱膝的少女。伽利略号探测器分别用410纳米的频段、756纳米的红外线频段和968纳米的红外线频段对艾达星进行了拍摄，然后将这些频段合成后，成为艾达星的连续成像照片。伽利略号拍摄的艾达星高清照片，即使是地球近地轨道上的哈勃望远镜也是拍不出来的，只能近距离飞掠才能得到。

[小知识]：深空超远距离精确定位技术

在伽利略探测器飞掠艾达星之前，1993年初，美国海军天文台和橡树岭天文台合作，对艾女星进行了超远距离精确定位，使得伽利略号的飞掠弹道误差由之前的78公里减少为60公里。

要知道，这是对2.7亿公里之外的一颗平均半径只有15.7公里的一颗不发光的不规则小天体的定位，基本相当于对10公里外一只飞蚊的定位误差仅2.2毫米。

▲ 伽利略号探测器

▲ 探测爱神小行星的NEAR探测器

▲ 探测土星的卡西尼探测器

登陆！

伽利略探测器在1991年10月29日和1993年8月28日的两次非常成功的飞掠小行星的探测极大地鼓舞了人类工程师。于是，更刺激的计划启动了。

那就是：在小行星上登陆。

1996年2月17日，“近地小行星交会”探测器（NEAR）发射升空，直奔小行星带。1997年6月27日，NEAR号探测器到达253号小行星梅西尔德星附近1212公里处。NEAR号当时的飞行速度为9.93公里/秒。比起上世纪80年代研制的伽利略号来说，NEAR号有更强大的照相系统。虽然飞掠时间很短，但是她还是一口气拍摄了500张梅西尔德星的照片。同时，NEAR号通过自己受到的引力摄动，自动评估出了梅西尔德星的质量。

这是人类探测器第3次飞掠小行星，同时也是第1次飞掠一颗C型小行星（含碳小行星）。对于我们这些碳基生物来说，还是让人蛮激动的。然后，NEAR号就这么飞走了。毕竟，她的主要任务是探测爱神星。

说起NEAR探测器对爱神星的探测，你不得不被轨道设计师们的情怀和高超技艺所打动了！经过将近4年的长途飞行，NEAR进入了绕行爱神星的轨道。而这一天，不早也不晚，恰好是2000年2月14日，也就是20世纪的最后一个情人节！

在321公里×366公里的轨道上绕行爱神星的NEAR号成为人类有史以来第一颗围绕一颗小行星飞行的探测器。从2000年2月14日到2001年2月12日，NEAR号以各种轨道高度和多种轨道倾角（甚至尝试飞了极地轨道）把爱神星看了个遍。

公元2001年2月12日20时01分，NEAR号安全降落在爱神星南部一个鞍形特征的地区。

这是人类探测器第一次成功登陆一颗小行星。

爱神星上面有两处相较于星体来说，非常巨大的陨石坑。这两个陨石坑在2003年拥有了正式的名字：贾宝玉坑和林黛玉坑。爱神星这样的名字，2月14日环绕这个情人节日子，贾宝玉和林黛玉这样的陨石坑，这些都使人类探测器与小行星的第一次亲密接触变得更加浪漫。

卡西尼

说起飞掠的话，卡西尼探测器也算是有一次。这个土星探测器于2000年1月23日，在160万公里远的地方飞掠2685号小行星，基本上确认该小行星的尺寸小于20公里。

离子推进

1998年10月24日，一枚德尔塔2号火箭携带深空1号探测器升空。深空1号最大的技术亮点是采用了离子推进器，另外还有其他11项先进的技术。

实际上，这是人类第一颗完全采用离子电推进的方式进行火星以远探测的航天飞行器。

原本深空1号是要飞掠探测9969号小行星布拉耶的。但是因技术原因，深空1号飞得有些远，只拍到了模糊的小行星照片。不过，深空1号本身就是一颗带有12项先进技术的验证型深空探测器，因此不必过于强求结果了。

深空1号后来拍到的包瑞尔彗星的照片效果还可以。再后来，深空1号成为了绕太阳飞行的一颗人造行星。

▲ 深空1号探测器

▲ 德尔塔2型火箭正在发射

▲ 人类探测器近距离拍摄的爱神星（上）隼鸟号探测丝川小行星示意图（下）

星尘

1999年2月7日，由洛克希德·马丁公司制造的星尘号深空探测器出发了。在长达12年1个月零8天的任务周期内，星尘号做到了这些：飞掠5535号小行星；捕获彗星尘埃；将彗星尘埃带回地球。

星尘号有着巧妙的设计，有助于它在飞掠彗星附近时，获取彗星喷发出的物质。其实就是追着彗星屁股后面跑，用气凝胶收集器来捕获彗星尘埃。

2006年1月15日，携带彗星尘埃的星尘号返回舱在美国犹他州大盐湖沙漠成功着陆。这是人类首次获取到散逸在太空中的彗星物质。

采样

前文所述的伽利略号、NEAR号、深空1号和星尘号共4个深空探测器都是美国宇航局的项目。从1989年到1999年这十年的技术积累的过程中，人类掌握了深空轨道计算、超远距离精确定位、飞行器自主导航制导与控制、超远距离信号回传、绕飞超小天体、带伽马射线仪自主着陆、离子推进、追赶彗星并采样返回等技术。

2003年5月9日，一枚M-V运载火箭将日本宇宙航空开发机构JAXA组织研发的隼鸟号小行星探测器送入奔向小行星的轨道。隼鸟号小行星探测器升空不久，其中一台离子发动机就出现了状态不稳定的情况。2003年10月，隼鸟号遭遇了人类有现代太阳观测史以来最为强烈的一次太阳风暴。隼鸟号出现多次故障，但最终还是磕磕绊绊地到达了小行星。

2005年9月12日，隼鸟号抵达25143号小行星丝川的附近，先是定位在距离小行星20公里处，然后移动至7公里的距离上。2005年11月20日，隼鸟号第一次尝试登陆小行星，失败。2005年11月25日，隼鸟号第二次尝试登陆小行星，成功。

原计划，隼鸟号的返回舱会于2007年6月返回地球，但工程师判断隼鸟号的燃料疑似出现了泄露的情况。另外，11块锂电池中，已有4块完全不能工作。

推迟3年后，最终，携带小行星土壤样本的返回舱在2010年再入大气层。2010年6月13日深夜，隼鸟号小行星探测器的返回舱成功再入大气，并着陆在澳大利亚的乌美拉靶场。

隼鸟号在宇宙中旅行了7年，穿越了60亿公里的路程。她实现了人类第一次对一颗对地球有威胁的小行星的探测，实现了第1次小行星采样返回（之前美国的星尘号取的是彗星尘埃，这次的隼鸟号是直接挖的小行星土壤）。按照吉尼斯世界纪录的认定，隼鸟号创造了世界上首个从小行星上带回物质的探测器和对最小目标自然天体（丝川小行星全长仅约500米）进行着陆的探测器两项世界纪录。

▲ 罗塞塔号于2010年拍摄到的司琴星，在其后方的是土星

▲ 黎明号探测器在2015年拍摄的谷神星

▲ 艾达星

欧洲的小行星探测

作为传统航天组织，欧空局ESA当然不能坐视美国宇航局NASA和日本宇宙航空开发机构JAXA就这么一个接一个地把探测器送往小行星。

2004年3月2日，一枚阿里安5运载火箭将后来非常出名的罗塞塔号探测器和菲莱着陆器送入太空。

罗塞塔号与菲莱作为彗星探测器，实际上在到达67P彗星之前，先探测了2颗小行星。2008年9月5日，罗塞塔号以8.6公里/秒的低速（相对于之前的速度）掠过2867号小行星，两者的最近距离不到800公里！

虽然这颗小行星是苏联科学家尼科莱·切尔尼克在1969年发现的，并起了一个很苏联的名字——斯坦斯，但是，欧空局还是习惯上把这颗小行星叫做——钻石。

首先来说，2867号小行星的外形的确很像钻石。另外，钻石这个名词，对于法国航天产业有着重要的意义。法国早期的运载火箭就是以钻石来命名的。

团队里有法国人，所以在罗塞塔号飞掠被命名为钻石的小行星后，这颗小行星上陨石坑的名字就被玩坏了。与国际上惯用神名、人名和地名命名环形山和陨石坑的惯例截然不同，法国人这样命名2867号上的陨石坑：玛瑙、石榴石、黄玉、祖母绿、黑曜石、紫水晶、孔雀石、青金石、绿松石、玉石、海蓝宝石……这帮人哪是学行星物理的啊，一定有宝石学专业的人混进了队伍！

出手比美国和日本晚的欧空局，为了挽回一些荣耀，他们觉得要搞一个大的！

2010年7月10日，罗塞塔号飞掠了21号小行星，而且同样是在800公里的超近距离飞掠的。这是人类探测器首次飞掠编号在100号以内的小行星。编号越小，表示发现得越早，而这往往也意味着这颗小行星的个头儿越大。

21号小行星的等效直径为100公里，成为了当时人类探测器近距离探测过的最大的小行星。

21号小行星是德国画家戈尔德施密特在50岁的时候发现的，从此他改行研究天文学。他是从巴黎学习的绘画，因此就用巴黎的古名称卢泰西亚来命名他发现的21号小行星了。

哈！法国人主导探测的这两颗小行星，第一颗被叫做钻石，第二颗干脆原本就是以巴黎这座城市命名的呢！冥冥中，一切自有天意。

新视野号

2006年1月19日，一枚宇宙神5号运载火箭把新视野号探测器送入太空。新视野号探测器最为有名的成就是拍摄了冥王星的高清照片。不过，仔细探究新视野号的飞行轨道的话，我们可以发现它对小行星带还有土星都曾有过穿越或者飞掠的行动。

2006年6月13日，新视野号飞掠132524号小行星并拍下照片。从此，这颗直径约2.5公里的小行星有了名字：APL，也就是约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的缩写。

2010年，新视野号飞掠83982号小行星。哈！83982号！这么大的编号！嗯，因为这是一颗在2002年4月12日才被发现的小行星。这颗小行星属于半人马族。这个族名很奇怪，说明它并不属于我们日常熟悉的火星与木星之间的那个小行星带。实际上83982号小行星来自木星与海王星轨道之间的小行星区域。

[小知识]：随着人类技术的发展，科学家们逐渐认识到，小行星不仅仅存在于火星和木星轨道之间的小行星带中，还会散布在木星与海王星轨道之间的广袤区域，而在海王星轨道之外，有个名为柯伊伯带的区域。柯伊伯带至少比火星与木星之间的主小行星带宽20倍，这里的星体质量的总和预计是主小行星带的200倍。于是，认知又被刷新了一番。

▲ 艺术家的笔下黎明号探测器和灶神星（左）与谷神星（右）的合影

黎明号

2007年9月27日，黎明号发射升空。它的探测目标是1号小行星谷神星和4号小行星灶神星。人类终于能够近距离探测编号在10以内的小行星了！

2011年7月16日，黎明号进入绕灶神星的轨道。灶神星，不愧于它的名字。这颗以掌管灶火的灶王爷命名的小行星是夜空中最亮的小行星（最大相对亮度为5.1）。人类根据黎明号探测器传回的数据绘制了灶神星地质结构图。

2015年3月6日，黎明号探测器进入1号小行星谷神星的轨道。直径达945公里的谷神星是海王星轨道以内，人类迄今为止发现的最大的小行星。想当年人类可是把它看做是火星与木星轨道之间的一颗新发现的行星的。

谷神星自己的质量占据了整个主小行星带的三分之一。把太阳系内人类已经发现的所有的天体（包括太阳在内）放到一起，然后按个头儿从大到小排个序的话，谷神星能够排到第35位。地球排第6位，月球排第14位。

统计算来，黎明号探测器绕着灶神星和谷神星已经转了2450多圈，发回了大量数据。至今，美国宇航局的黎明号探测器已传回6.9万张照片，共计132G。

按最新的分析结果，谷神星有稀薄的大气，表面有水冰，而且很有可能在地壳下面隐藏有巨大的地下海洋。

中国的小行星探测

近几年，中国原本是没有专门的小行星探测计划的，但是中国研制的深空探测器的确也飞掠了小行星，而且还创造了飞掠距离的世界纪录！

公元2010年10月1日，嫦娥二号发射成功。它只是一颗探测月球的深空探测器，而且还仅仅是一颗嫦娥一号的备份星。

嫦娥二号分别在100×100公里的圆轨道和100×15公里的椭圆轨道进行了高分辨率成像和环月探测，完整获取了7米分辨率的月球表面三维影像数据，并完成了对嫦娥三号落月任务预选着陆区虹湾局部区域的达到1.3米的高分辨率成像。

2011年4月1日，嫦娥二号到达设计寿命。为了积累深空探测经验，嫦娥二号于6月9日下午离开月球，前往距地球约150万公里远的日-地拉格朗日L2点，对太阳实施探测，同时进行测控技术等试验。8月25日嫦娥二号进入日地拉格朗日L2点的环绕轨道。该轨道为类似椭圆形轨道，卫星环绕轨道1周需6个月时间。成功到达L2点后，嫦娥二号刷新了中国航天测控距离的纪录，也成为了世界首个从月球直接前往日地拉格朗日点的航天器。

这颗造价只有6亿元人民币（相当于9057万美元）的探测器探测了月球，奔赴了拉格朗日点之后，能力还有富余。于是，它开始前往小行星。2012年4月15日，嫦娥2号离开地日拉格朗日L2点前往有撞击地球危险的4179号小行星进行探测。

北京时间2012年12月13日16时30分09秒，嫦娥二号在距地球约700万公里远的深空掠过4179号小行星，最近距离仅为3.2公里。飞掠时速高达10.73公里/秒。

这是中国探测器第一次对小行星进行近距离拍摄。

这次探测，使中国成为了继美国、日本、欧空局后，第4个对小行星实施探测的国家或组织。

故事还没有完，探测完小行星后，嫦娥二号居然还有余力。于是，她成了中国首颗飞入行星际的探测器，在后续的星际飞行中，其飞行目标将主要聚焦在星载设备长寿命考核、自主飞行能力、行星际远距离测控验证等方面。早在2014年，嫦娥二号就飞到了距离地球7000万公里的地方，不断打破我国深空探测器的飞行距离纪录。按轨道计算的结果，嫦娥二号至少能够飞到距离地球3亿公里的地方，成为一颗传奇的行星际探测器。

近距离飞掠、绕飞、着陆、采样返回，是目前人类能够对小行星实施的技术手段。

未来，尚有四大技术手段有待实施：

人工改变小行星轨道的技术；

载人登陆小行星的技术；

工业化开采小行星的技术；

借助系外小行星进入其他星系的技术。

责任编辑：夏丹