被終止的美國小行星重定向任務

文/ 龐之浩

▲ NASA“獵戶座”載人登小行星示意圖

2017年12月11日，美國總統特朗普正式簽署“太空政策一號令”，要求美國宇航局（NASA）重啟登月計劃，為載人登火星奠定基礎，從而徹底改變了前任美國總統奧巴馬以小行星為跳板進行載人登火星的載人深空發展戰略。其實，早在2017年3月，特朗普政府就終止了奧巴馬當政時NASA實施的“小行星重定向任務”（ARM）。那么，什么是“小行星重定向任務”呢？

奧巴馬當選總統后，于2010年4月15日取消了前任總統小布什的重返月球的“星座計劃”，聲稱美國人已登過月球了，現在應該載人登小行星了，提出了“小行星重定向任務”，然后以此為過渡進行載人登火星。

“小行星重定向任務”擬分三個階段實施：選擇小行星目標、對小行星重新定向和載人登陸小行星。2013—2019年完成選擇小行星目標任務，確定1顆小行星作為“小行星重新定向飛行器”（ARV）飛往的目標；2020—2024完成重新定向小行星任務，通過“小行星重新定向飛行器”捕獲、抓拖目標小行星至繞月軌道；2025年發射獵戶座載人飛船登陸小行星，進行考察、采樣并返回。

NASA當時表示，小行星是來自太陽系形成物的殘留物質，航天員將攜帶更多可用于研究的樣品返回地球，這將開啟有關太陽系組成與地球上生命起源新的科學發現之門。同時認為，“小行星重定向任務”將極大推進其載人登火星的步伐，試驗載人登火星所需的各種能力。

由于來往于地月空間的運行時間比進入近地軌道耗費時間要長，所以實施“小行星重定向任務”可以在地月空間進一步提升未來載人登火星的能力。另外，圍繞月球的深空環境與來往于火星的所經歷的環境相似，因此需要對太陽與宇宙輻射進行更嚴密的防護。它還能作為通往火星的技術試驗場，研發大量載人登火星的創新技術。

破天荒任務

2013年4月10日，NASA向白宮提交了一份“捕捉小行星”的方案，對外正式公布了“小行星重定向任務”計劃：先用“小行星重新定向飛行器”把1顆近地小行星拖至月球軌道；然后發射載人航天器，使航天員對該巨石進行采樣返回，驗證探索火星的相關技術，為2035年載人登陸火星做技術準備，推進載人航天飛行技術與能力創新發展。此舉當時在全球產生很大轟動。

那么，為什么要捕獲一顆小行星并將其它拖至月球軌道呢？美國解釋說是為了減低載人登陸小行星的風險和成本，并有利于今后開發小行星、防止小行星撞擊地球等。因為把小行星拖至月球軌道后，可大大縮短載人飛船飛往小行星的距離和時間，從而減少宇宙輻射、長期失重等對航天員產生的生理和心理影響以及飛船的成本。另外，小行星在月球軌道運行后，其飛行方向和速度比較穩定。如果真能捕獲一顆小行星并將其拖至月球軌道，這將是人類第一次移動天體的技術壯舉。

不過，完成這項任務需滿足三個基本條件：一是要物色一顆中等大小的小行星，直徑7米-10米左右、質量約500噸，并且這顆小行星上需要有100噸水、100噸富碳化合物、90噸金屬和200噸硅酸鹽。因為這樣大小的小行星便于俘獲，牽引技術難度較低，且這種體積與質量的小行星能夠在穿越地球大氣層時燃盡，不會對人類造成危害。另外，為確保進入一個穩定軌道，重定向的小行星將選擇月球的遠距離逆向軌道，從而能夠保證它不會撞擊地球。美國曾初步選擇了4顆近地小行星，并對這些候選小行星的速度、軌道、體積與旋轉情況進行研究，以為“小行星重定向任務”確定最終的目標小行星。

其次還要準備一套足夠強大的太陽能離子電推進系統，以便能夠將捕獲的小行星牽引到月球軌道。先進的太陽能離子電推進系統，推進效率是化學能推進系統的10倍，可以大大節省燃料消耗。若用化學能推進系統完成此任務，推進劑至少要用200噸；用太陽能離子電推進系統，推進劑只需用10噸。在“小行星重新定向飛行器”俘獲與改變從小行星上所收集巨石的運行方向時，將試驗這種最大的也是最先進的太陽能離子電推進系統，其中的大型、高功率太陽電池陣是未來載人深空必須攻克的一項關鍵技術。

最后是要派人對這顆有水、有礦的小行星進行勘探和開采，從而提前完成美國載人登陸小行星的目標。

▲ 獵戶座載人飛船接近“小行星捕獲艙”捕捉的小行星上的巨石示意圖

不過，用“小行星重新定向飛行器”抓拖小行星先后有兩種方案。一種是上面介紹的選擇一顆直徑10米的近地小行星，發射飛行器到該小行星附近用大袋子罩住它并拖回月球附近。另一種方案是選擇一顆直徑幾百米的近地小行星，然后發射飛行器在該小行星著陸，采集其上的一塊直徑小于或等于4米的大石頭，最終把它拖回到月球軌道。經過反復研究，NASA決定采用第二種方案。這是因為尋找直徑10米的近地小行星很困難，而采用第二種方案容易選擇目標小行星，且其所采用的在小行星上軟著陸和抓拖大石頭的機構機械技術等許多技術能用于未來的載人登火星任務，

直徑500米的絲川、直徑500米的貝努、400米直徑的2008 EV5都是第二種方案的備選目標小行星。日本隼鳥探測器曾對絲川小行星采樣返回，美國2016年發射的“奧西里斯”將在2020年對貝努小行星采樣返回，歐洲計劃對2008 EV5小行星采樣返回。所以，事先對這3顆近地小行星都會進行較細致的調查。

在太空撒網

“小行星重定向任務”第一階段任務計劃在2020年12月發射無人的“小行星重新定向飛行器”， 2年后到達目標小行星。它使用機械臂從一個小行星上俘獲一塊巨石，然后將該巨石塊收攏，并由“小行星重新定向飛行器”將其運行方向改變到圍繞月球的穩定軌道上。

“小行星重新定向飛行器”裝有兩個太陽能電池板。當它靠近目標小行星時原定釋放出一個直徑約15.2米、帶繩子的巨網或袋子，讓它像手風琴一樣膨脹，并通過激光定位設備使它套住旋轉著的目標小行星，后來改為使用機械臂俘獲小行星上的巨石；然后，啟動裝有約300千克燃料的太陽能離子電推進系統，使該小行星停止自轉并拽入近月軌道，此舉耗時約2.2年。

具體過程是：用宇宙神-5火箭發射一個慢速飛行的特制“小行星重新定向飛行器”，它使用太陽能電動推進系統自行飛行前往預定的小行星，在“小行星重新定向飛行器”接近目標時俘獲小行星上的巨石，隨后飛行器開啟推進器推離原有軌道向著月球飛行。

捕獲小行星必將面臨嚴峻挑戰。首先，要盡快啟動對目標小行星的搜索，挑選出符合要求的目標小行星，但這并非易事；另外，目標小行星會自轉，航天器將其捕獲后要通過推進器提供的反作用力“除轉”，使其停止轉動，然后才能成功拖拽；再有，捕獲小行星后，“小行星重新定向飛行器”的質量會大大增加，使推進、導航等方面的難度隨之增加。

未來執行火星載人任務需要從地球上遠距離運送更多貨物，而移動小行星上的巨石則有助于為未來火星任務研發更有價值的軌道控制與導航技術。它需要在時間延遲情況下遠距離完成一系列精準機動。

第二階段任務是在2025年左右，航天發射系統（SLS）重型運載火箭發射獵戶座多用途載人飛船，運送航天員對重新定向的小行星巨石進行探測并取樣返回。在進行載人登小行星時，也需要一套與“小行星重新定向飛行器”機動、交會和對接的裝置。在深空進行交會與對接需要改進現有的交會對接技術，美國原定通過“小行星重定向任務”研發新的交會對接系統。

▲ 美國航天員在海底進行相關訓練

▲ 美國擬捕獲小行星示意圖

無論是離開還是進入月球遠距離逆向軌道，在月球表面100公里上空完成這樣的任務都需要克服月球重力的作用。因此，在進入和離開月球遠距離逆向軌道時需要非常精準的導航能力，就好像是進入和離開火星軌道一樣需要這種精準導航能力。

美國正在研制的SLS新一代重型運載火箭， 其近地軌道運載能力為70-130噸；正在研制的新一代載人飛船——“獵戶座”具有用途多、載人多和可重復使用的特點。美國已于2011—2012年，在海底模擬如何載人登陸小行星、如何將宇宙飛船固定或者駕駛飛船圍繞小行星運行以及如何采集小行星樣本等訓練。

此外，NASA正在研制一種為火星航天員提供保護的先進的“基本生命保障系統”。它能使航天員在火星上進行維修，長時間儲存液體，提高濕度控制、二氧化碳清除和氧氣管理效率。美國原定在“小行星重定向任務”的載人飛行任務期間，對先進的“基本生命保障系統”進行試驗。

為了從火星采樣返回，研發新一代安全的樣品收集和儲存技術也很重要，它能使所采樣品不被地球上的微生物污染，同時也能保護地球不會受到返回樣品的任何潛在危害，并可用于減緩火星塵暴對航天服、“基本生命保障系統”和“獵戶座”飛船內部的污染。

為何被拋棄

其實，“小行星重定向任務”一問世就遭到很多專家的質疑，認為難度和風險都很大，不靠譜。

▲ “深空之門”——月球空間站示意圖

另外，“小行星重定向任務”主要依靠國家推動與完成，商業參與的機會并不多。而美國小布什和特朗普當政提出的“重返月球”雖是政府主導，但商業部門可以廣泛參與，且商業部門對開發月球資源很感興趣，從而大大促進美國商業航天技術與能力的躍升。

還有，“小行星重定向任務”也與當前國際載人航天發展趨勢不相吻合，因為俄羅斯、中國、歐洲、日本和印度等主要航天國家與組織都以月球作為主要探索目的地，美國如果“一意孤行”，未來可能會被“孤立”。而改為“重返月球”后，美國在其中能充分發揮領導和主體作用，打造以美國為首的國際登月聯盟，帶領和幫助其他國家實現登月，充分確保其載人航天領域的領導地位。

特朗普的“重返月球”計劃大體上是與俄羅斯合作研制 “深空之門”月球空間站，它既可用于載人登月，也能作為載人登火星的中轉站，包括在月球空間站上進行載人地月空間探測活動，組裝、試驗、加注載人火星飛船等。

在載人登月方面，美國擬廣泛開展國際合作，提供SLS火箭和獵戶座多用途飛船，登月艙下降段由日本研制，重復使用的上升段由歐空局研制，月球車由加拿大研制。作為中轉的“深空之門”也是如此，美國只提供服務艙，通信艙由歐空局負責，居住艙由歐空局和日本負責，加拿大提供機械臂，俄羅斯提供氣閘艙。

美國有望通過牽頭實施“重返月球”計劃，以經濟可持續的方式繼續保持載人深空探測領導地位。

不過，雖然“小行星重定向任務”已被終止，但美國仍將保留部分關鍵技術研發。其很多技術也可用于未來的航天項目。另外，美國的小行星探測仍在繼續。2016年9月8日，美國發射了奧西里斯小行星探測器，它將于2020年接近近地小行星貝努，進入小行星軌道并開始進行詳細地表成像。隨后，根據獲取的詳細地表圖像精心選擇一個地點，伸出機械臂采樣，并送回地球進行研究。