小天體探測關(guān)鍵技術(shù)和特點

高磊 （探月與航天工程中心）

小天體探測關(guān)鍵技術(shù)和特點

高磊 （探月與航天工程中心）

Key Technologies and Characteristics of Small Body Exploration

包含小天體探測任務(wù)在內(nèi)的空間探測任務(wù)是當前最為復(fù)雜的航天任務(wù)之一，實施空間探測需要多方面的技術(shù)支持。美國在《2015 NASA技術(shù)路線圖》中將空間探測任務(wù)涉及的關(guān)鍵技術(shù)分為15個領(lǐng)域，包括發(fā)射推進系統(tǒng)，空間推進系統(tǒng)，進入、下降與著陸系統(tǒng)，材料、結(jié)構(gòu)、機械系統(tǒng)與制造等。每個技術(shù)領(lǐng)域都包含了多項關(guān)鍵技術(shù)，但大多數(shù)技術(shù)是所有空間探測任務(wù)都需要的。這里重點介紹小天體探測特殊性帶來的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合任務(wù)中各項技術(shù)的應(yīng)用情況進行詳細闡述，包括行星借力及先進推進技術(shù)，小天體著陸技術(shù)和小天體采樣返回技術(shù)。

1 行星借力及先進推進技術(shù)

小天體探測目標通常距離遙遠，實現(xiàn)交會需要的速度增量較大，而行星借力技術(shù)和高效先進推進系統(tǒng)可以有效減少燃料消耗，提高任務(wù)的可達范圍并減少任務(wù)的發(fā)射成本。因此，近期幾乎所有的小天體探測任務(wù)都應(yīng)用了行星借力技術(shù)或/和先進推進技術(shù)。

行星借力技術(shù)

行星借力技術(shù)指借助行星的引力調(diào)整或改變探測器飛行軌道的技術(shù)，采用行星借力技術(shù)可以減小星際探測任務(wù)發(fā)射能量和總速度增量，進而降低發(fā)射成本和燃料消耗、增加有效載荷質(zhì)量，是空間探測的一項重要技術(shù)。

行星借力技術(shù)通常會大幅度增加探測器的飛行時間，一般適用于軌道與地球軌道相差較大的探測目標，因此通常只有水星、火星以遠探測任務(wù)以及小行星探測會用到行星借力技術(shù)。

在過去進行的14次小天體探測中，只有深空－1任務(wù)沒有采用借力飛行技術(shù)，其他的任務(wù)都在主任務(wù)或擴展任務(wù)期間通過借力飛行實現(xiàn)了軌道的改變。盡管行星借力技術(shù)會增加任務(wù)的時間，但其可以顯著降低任務(wù)的燃料消耗，是小天體探測常用的一項技術(shù)。要完成精準的行星借力，需要軌道設(shè)計技術(shù)、測控技術(shù)等技術(shù)的支持。

小天體探測器的行星借力

先進推進技術(shù)

先進推進方式可以通過增加比沖或其他方式，減少或去除燃料消耗，進而達到減少發(fā)射成本、增加有效載荷質(zhì)量的效果。主要的先進推進技術(shù)包括先進化學推進、核推進、電推進、太陽帆推進、微波推進和反物質(zhì)推進等。大多數(shù)先進推進技術(shù)仍處于研究階段，用在實際任務(wù)且是近期研究熱點的先進推進技術(shù)是電推進技術(shù)。

離子推進是空間電推進技術(shù)中的一種，原理為將工作介質(zhì)電離，在強電場作用下加速離子并將其噴出，利用離子的反作用力推動探測器運動。由于加速后離子的速度顯著高于化學推進中噴射氣體的速度，因此單位質(zhì)量的燃料可以獲得更大的速度增量，也就是比沖高、效率高。但電推進同樣存在推力小導(dǎo)致飛行時間過長的問題，當前研究的主要方向為如何增加電推進的推力。

目前，美國、日本和歐洲都已經(jīng)掌握了成熟的電推進技術(shù)，并將其應(yīng)用于空間探測任務(wù)中。其中，美國和日本在小天體探測任務(wù)中采用了離子發(fā)動機，包括深空－1、“黎明”、“隼鳥”和隼鳥－2。

小天體探測中采用的電推進技術(shù)

2 小天體著陸技術(shù)

不同于月球和火星，小天體的引力非常微弱，且沒有大氣，因此小天體探測對于著陸技術(shù)的需求與火星等大天體的著陸技術(shù)完全不同，需要通過精確的推力控制實現(xiàn)零速度著陸。為實現(xiàn)這一目標，需要掌握探測器自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)，緩沖吸能部件方案選取和設(shè)計，錨定機構(gòu)技術(shù)等。探測器自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)可以解決通信延遲、小天體可知信息少等問題；緩沖吸能部件可以吸收探測器相對于小天體表面的沖擊能量，防止探測器反彈飄走；錨定機構(gòu)技術(shù)同樣是應(yīng)對探測器反彈飄走的情況，通過錨定機構(gòu)將探測器固定在小天體表面。

目前，只有美國的“近地小行星交會”、日本的“隼鳥”和歐洲的“羅塞塔-菲萊”等3個探測器實現(xiàn)了完全不同方式的小天體著陸。

“近地小行星交會”的著陸技術(shù)

美國“近地小行星交會”原本執(zhí)行一項小行星環(huán)繞任務(wù)，并沒有設(shè)計著陸裝置，其構(gòu)型為普通的衛(wèi)星構(gòu)型，擁有展開的太陽能電池板。但美國航空航天局（NASA）的科學家在任務(wù)末期為“近地小行星交會”探測器增加了軟著陸任務(wù)，通過一系列的軌道降低和精確控制完成了小天體表面的軟著陸，著陸速度約為1.5～1.8m/s，實現(xiàn)了首次小行星軟著陸，并在小行星表面工作了數(shù)天時間。

“隼鳥”的著陸技術(shù)

日本“隼鳥”完成了小行星的采樣返回，但其著陸不同于傳統(tǒng)意義上的著陸，可以描述為點觸式的接觸。實質(zhì)上，“隼鳥”攜帶了一個迷你著陸器，即跳躍式機器人“密涅瓦”（MINERVA）。按照原計劃，“密涅瓦”將利用小行星低重力的特點進行跳躍式前進，穿行小行星的表面并進行拍照。但由于釋放位置發(fā)生偏差，最終“密涅瓦”沒有著陸在小行星表面，而是成為了一顆環(huán)繞小行星的衛(wèi)星。“隼鳥”探測器本身則與小行星表面進行了短暫接觸，在接觸時收集了小行星表面的樣品。“隼鳥”探測器為了著陸在引力非常弱的小行星上，采用了自主導(dǎo)航與路標技術(shù)。具體方法為：在距離小行星表面100m處，拋下一個導(dǎo)航路標進行自主導(dǎo)航。導(dǎo)航路標被安裝在底座上的閃光燈照亮，使寬視場相機的照相與閃光燈的閃光同步。導(dǎo)航路標像一種充滿玻璃球的軟包，所以它具有較小的反彈系數(shù)，能避免路標被彈起。

“羅塞塔-菲萊”的著陸技術(shù)

歐洲“羅塞塔-菲萊”彗星探測器則實現(xiàn)了真正意義上的小天體著陸，即釋放著陸器“菲萊”使其著陸在目標彗星上并開展科學探測。“菲萊”著陸器為了克服彗星引力小帶來的問題，采用了腿式緩沖機構(gòu)和叉鉤技術(shù)。由于將要探測的彗星引力很小，根本不用火星著陸器那樣的安全氣囊作為緩沖。為防止探測器在彗星表面著陸時被彈出去，科學家們將著陸器緩沖裝置設(shè)計成3條“腿”，在與彗核接觸瞬間，3條“腿”可吸收掉大部分撞擊，起到緩沖作用。一旦同彗核接觸，著陸器立即伸出一個叉鉤，將自己固定在彗核表面。

不幸的是，“菲萊”著陸器以大約1m/s的相對速度著陸彗星表面后，由于推進器和魚叉裝置失效，著陸器反彈了兩次并最終停留在一個被遮蔽的區(qū)域。著陸器在著陸后進行了一些探測，并通過軌道器向地球傳輸了信息。之后，著陸器在電池用盡后進入了休眠狀態(tài)。

3 小天體采樣返回技術(shù)

小天體采樣返回與火星等大天體采樣返回具有一些共同的技術(shù)，例如樣品罐密封技術(shù)、再入返回技術(shù)等，同時也具有一些特殊的技術(shù)。由于小天體引力微弱，小天體采樣返回可以采用接觸的方式進行采樣，而不用在完全著陸之后進行采樣，從而降低燃料消耗。因此，如何在有限接觸時間內(nèi)實現(xiàn)采樣是小天體采樣返回所面臨的主要問題。目前，小行星采樣主要采取了喇叭狀的采樣器，在接觸時通過發(fā)射拋射物等方式使小行星表面濺起表面物質(zhì)，并收集樣品，“隼鳥”、隼鳥－2和“奧西里斯”都采用了類似的技術(shù)。“星塵”探測器則不同，只是在飛越彗星時利用氣凝膠收集彗星的塵埃粒子。

“星塵”的彗星采樣技術(shù)

盡管美國“星塵”彗星探測器以緩慢的速度接近威爾德2號彗星，但兩者之間的相對速度仍達到6.1km/s。在這樣的情況下，收集彗星物質(zhì)相當困難，因為這些塵埃粒子很容易穿透收集器。為解決這個難題，科學家發(fā)明一種物質(zhì)，稱為氣凝膠。這種物質(zhì)是目前世界上最輕的固體材料，密度比玻璃低1000倍，是海綿狀的玻璃。粒子撞擊后，在氣凝膠內(nèi)產(chǎn)生胡蘿卜狀軌跡，使粒子停下來，即可以捕獲和保存高速彗星物質(zhì)粒子，還不影響粒子本身的特性。

采樣罐是一個鉸鏈蛤殼式機械裝置，飛經(jīng)彗發(fā)時，蛤殼打開，伸出采樣板；完成樣品收集后，采樣板縮回密封艙，蛤殼自動關(guān)閉并密封。“星塵”探測器利用氣凝膠，即低密度惰性多孔硅膠基質(zhì)的物質(zhì)進行樣品收集，能夠在最小限度的物理和化學變化下捕獲高速微粒。氣溶膠為簡單的硅膠基質(zhì)的薄片，由模塊化的鋁單元格攜帶并部署在槳上。采樣期間，氣溶膠將暴露于空間中，在其他時間將被儲藏在樣品庫中。

“隼鳥”的小行星采樣技術(shù)

日本“隼鳥”是首個實現(xiàn)小天體表面采樣返回的探測器，其采樣裝置采用了喇叭狀的設(shè)計，從探測器的底端伸出。采樣裝置的內(nèi)部裝有小的金屬球，在探測器接觸到小行星表面時，采樣裝置將發(fā)射金屬球撞擊小行星表面，使表面濺起碎片樣品，然后將樣品收集到角狀容器中并裝入密封艙內(nèi)的容器中。

隼鳥－2的小行星采樣技術(shù)

日本隼鳥－2采用了與“隼鳥”相似的設(shè)計。隼鳥－2將在小行星上進行3次采樣，其中前2次將直接在表面進行采樣，第3次則將從小型便攜撞擊器造成的撞擊坑中采樣。典型的采樣過程如下：首先探測器命令接近選擇的采樣區(qū)域，在100m高度探測器將進入自主模式并很快釋放信標著陸在目標區(qū)域，在30m高度探測器將與信標排成一線并很快接近表面并完成接觸；1m長的喇叭狀采樣器將覆蓋目標區(qū)域，鉭拋射物將撞擊表面，將材料濺射至采樣搖臂上，材料將進入3個儲存罐中的1個，之后儲存罐將被密封。然后，探測器將飛離表面并繼續(xù)進行科學探測。

“奧西里斯”的小行星采樣技術(shù)

美國“奧西里斯”將不會在小行星上登陸，而是盡量接近小行星，然后在5s的相互接觸過程中收集樣品。洛馬公司設(shè)計了一種反向真空系統(tǒng)“快速樣品獲取機構(gòu)”（TAGSAM）。“快速樣品獲取機構(gòu)”將噴射出氮氣，使小行星表面的巖石和塵埃被激起并被吹入位于鉸鏈式機械臂末端的采樣頭中。當采樣收集器接觸小行星表面時，“快速樣品獲取機構(gòu)”外部的表面接觸板也將收集微粒物質(zhì)。樣品將被存儲在“采樣返回艙”中的容器內(nèi)。“快速樣品獲取機構(gòu)”有3個獨立的氣體瓶，可以進行3次采樣嘗試。盡管這是一項新技術(shù)，但是對其采樣頭進行的真空和微重力實驗證明其具有采集60g樣品的能力。

4 小天體探測特點

小天體探測科學目標集中于成分構(gòu)成

小天體探測的頂層科學目標為研究太陽系、行星、宇宙的形成與演化，探測生命的起源與發(fā)展，為此需要研究小天體的成分構(gòu)成，進而研究小天體的形成與演化過程，得知太陽系形成早期的過程，并研究生命起源與小天體水、有機物之間的關(guān)系。為實現(xiàn)對小天體成分構(gòu)成的探測，小天體探測經(jīng)歷了遠距離探測、表面原位探測階段，已進入采樣返回并進行詳盡研究的階段，未來探測將重點研究小天體的內(nèi)部構(gòu)成、水和有機物質(zhì)。

小天體探測項目規(guī)劃多包含試驗?zāi)康?/p>

小天體探測的科學意義重大，很多近地小天體具有良好的接近性，探測難度較低。在包含科學探測目的的基礎(chǔ)上，美國和歐洲對于小天體的定位都屬于新技術(shù)試驗的絕佳場所，美國過去的小天體探測任務(wù)均為小型任務(wù)，在進行科學探測的同時試驗了大量設(shè)計方案和新型技術(shù)，并且未來的多次小行星探測任務(wù)都將為載人火星探測任務(wù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)；而歐洲的“羅塞塔-菲萊”任務(wù)是歐洲航天局開展空間探測任務(wù)的基石任務(wù)之一，驗證了多行星借力、彗星表面著陸等多項技術(shù)。日本起初為“隼鳥”任務(wù)設(shè)定的目標也是進行多項技術(shù)試驗。因此，各國在小天體探測項目規(guī)劃時，除了科學探測和占領(lǐng)先機的政治意圖以外，多考慮為后續(xù)任務(wù)試驗一些新方案和新能力。此外，小天體探測的實施還包含了演練軍事技術(shù)的含義，在小天體表面實現(xiàn)著陸和采樣操作可以驗證“尋找非合作目標”等軍事能力和技術(shù)。

小天體探測任務(wù)的復(fù)雜程度不斷提高

小天體探測方式經(jīng)歷了飛越、環(huán)繞、著陸和采樣返回等多個階段，目前探測任務(wù)的復(fù)雜度仍在不斷提高，未來規(guī)劃的探測任務(wù)主要形式為采樣返回任務(wù)，同時還有美國的載人小行星探測任務(wù)。隨著小天體對地球的撞擊威脅受到更多關(guān)注，未來小天體摧毀/軌道偏轉(zhuǎn)等任務(wù)也成為了研究的熱點。此外，任務(wù)的科學探測內(nèi)容和操作難度也在不斷增加，以輔助獲得更多的科學探測成果。

小天體探測技術(shù)要求集中于精確控制

小天體探測，特別是近地小天體探測的難度并不大，其對于任務(wù)設(shè)計、發(fā)射、推進、通信等能力的要求相對較低。小天體探測的關(guān)鍵技術(shù)主要集中于解決如何著陸、如何實施采樣返回等問題，這就需要精確自主導(dǎo)航、采樣等對探測器進行精確控制的技術(shù)。日本在運載、推進等方面的能力并不強，但其掌握了微重力下通過精確控制接近小行星、采樣并返回的能力，成功實施了首次小行星采樣返回任務(wù)。未來小天體探測技術(shù)將仍重點關(guān)注著陸技術(shù)和采樣返回技術(shù)。