美國(guó)小行星探索之路能走多遠(yuǎn)

□□根據(jù)2011年7月28日的報(bào)道，天文學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)一顆小行星藏在地球繞日軌道上，它已陪伴著地球渡過(guò)了至少幾千年的時(shí)光。這種小行星被稱(chēng)作“特洛伊小行星”，盡管其與地球距離比地月遠(yuǎn)得多，但由于軌道相近，它是最適合航天員探索的地方之一。美國(guó)航空航天局（NASA）在未來(lái)15年內(nèi)很有可能對(duì)其進(jìn)行研究甚至開(kāi)發(fā)。研究者還認(rèn)為，如果能夠發(fā)現(xiàn)更多的“特洛伊小行星”，航天員能在這些小行星上尋找地球匱乏的貴重礦物。這一發(fā)現(xiàn)也為科學(xué)家研究太陽(yáng)系開(kāi)啟了全新的視野。

1 美國(guó)財(cái)政預(yù)算成為載人航天計(jì)劃的障礙

2010年4月，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布，美國(guó)將在2025年之前發(fā)射載人登陸小行星任務(wù)，但目前并未制定詳細(xì)的計(jì)劃。由于星座計(jì)劃的中止，小行星探測(cè)似乎成為航空航天局載人深空探測(cè)的唯一目標(biāo)。

雖然美國(guó)航空航天局2010年10月授權(quán)法案宣布中止星座計(jì)劃，并將其資金轉(zhuǎn)到其他探索計(jì)劃，如小行星探索任務(wù)。授權(quán)法案還要求美國(guó)航空航天局在2016年之前研制并發(fā)射重型火箭，這種重型火箭應(yīng)該能搭載“獵戶座”飛船，在航天飛機(jī)和星座計(jì)劃基礎(chǔ)上發(fā)展的運(yùn)載火箭是空間站后時(shí)代太空探索的關(guān)鍵。但是，目前美國(guó)白宮和國(guó)會(huì)在實(shí)現(xiàn)一次真正意義上的深空載人探測(cè)任務(wù)所需的硬件總體結(jié)構(gòu)和時(shí)間表

？問(wèn)題上還沒(méi)有達(dá)成一致。

為了促成小行星探測(cè)計(jì)劃的成形，美國(guó)航空航天局探索系統(tǒng)任務(wù)部（ESMD）組建的載人探索框架研究小組（HEFT）花了將近1年時(shí)間對(duì)到達(dá)小行星、月球甚至火星所需的技術(shù)、時(shí)間表和預(yù)算進(jìn)行了評(píng)估，2011年1月公布了最初評(píng)估報(bào)告。

載人探索框架研究小組的研究結(jié)果并不令人振奮。該研究小組認(rèn)為，低地球軌道（LEO）以遠(yuǎn)的探索所需的重型火箭、深空探測(cè)飛船、太空推進(jìn)系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)無(wú)法在國(guó)會(huì)要求的最后期限—2016年之前或長(zhǎng)期預(yù)算規(guī)劃之內(nèi)研制成功，美國(guó)航空航天局充其量只能在滿足性能、時(shí)間表和預(yù)算三個(gè)條件中的兩個(gè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)小行星探索方案。

美國(guó)航空航天局的這次保守評(píng)估是對(duì)2009年奧古斯丁委員會(huì)結(jié)論的回應(yīng)，奧古斯丁委員會(huì)的結(jié)論認(rèn)為，相對(duì)靜態(tài)的資金水平和傳統(tǒng)的采購(gòu)方式導(dǎo)致了重返月球計(jì)劃的中止。

美國(guó)參議員比爾·納爾遜和凱·貝莉·哈切森認(rèn)為，美國(guó)航空航天局應(yīng)該繼續(xù)研制重型火箭和“獵戶座”飛船。納爾遜說(shuō)，航空航天局必須遵循授權(quán)法案的要求，在2016年之前研制出新型火箭，并且把研制費(fèi)用控制在規(guī)定的預(yù)算以內(nèi)。

很多長(zhǎng)輩一看孩子開(kāi)始吃飯了，就開(kāi)始緊鑼密鼓地張羅了，以吃了多少飯作為喂養(yǎng)的第一標(biāo)準(zhǔn)，唯恐在吃上耽誤了娃的發(fā)育。甚至還有人鼓動(dòng)母乳媽媽?zhuān)磔o食之后就可以斷奶改吃飯了，當(dāng)真是謠言害娃不淺啊。

美國(guó)計(jì)劃用2個(gè)對(duì)接在一起的“獵戶座”飛船實(shí)施載人登陸小行星

“獵戶座”飛船與月球著陸器在地球軌道對(duì)接后抵達(dá)月球概念圖，該計(jì)劃已取消

2 無(wú)人小行星探測(cè)

美國(guó)航空航天局要想具備載人登陸小行星能力，需要掌握可能登陸的小行星的更多信息。到目前為止，只有2個(gè)探測(cè)器對(duì)小行星進(jìn)行過(guò)詳細(xì)考察，其一是美國(guó)“近地小行星交會(huì)-舒梅克”（NEARShoemaker）探測(cè)器，它于2001年在小行星愛(ài)神（小行星433）上著陸；其二是日本隼鳥(niǎo)號(hào)探測(cè)器（Hayabusa），它于2010年6月從小行星絲川（Itokawa，即小行星25143）表面帶回微量樣本。

即將為人類(lèi)提供新的小行星數(shù)據(jù)的探測(cè)器是美國(guó)黎明號(hào)（Dawn），由離子推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)的黎明號(hào)探測(cè)器在2011年夏季拜訪2顆處于火星與木星之間小行星帶中的大的原行星。2011年8月，黎明號(hào)探測(cè)器進(jìn)入環(huán)繞灶神星（小行星4）的軌道，繪制其表面的詳細(xì)地圖；然后在2015年2月與最大的小行星—谷神星（小行星1）會(huì)合；如果任務(wù)順利，它將再考察智神星。研究古老的小行星有助于了解太陽(yáng)系起源。

580km長(zhǎng)的灶神星是1顆被熔巖流覆蓋的干燥、表面分化的天體，其礦物成分存在很大變化，這表明該小行星的內(nèi)層曾經(jīng)暴露在外；在灶神星的南極區(qū)域有1個(gè)直徑460km的隕石坑，明顯因撞擊產(chǎn)生，這次撞擊產(chǎn)生的碎片可能以一次性熔化的火成巖隕石（即HED無(wú)球粒隕石）的形式到達(dá)地球。黎明號(hào)探測(cè)器對(duì)灶神星的在軌測(cè)量將有助于研究產(chǎn)生這些火山巖漿聚合物的火山的熱源和類(lèi)型。

谷神星長(zhǎng)度大約980km，它與太陽(yáng)的距離比灶神星遠(yuǎn)一些，而且與灶神星有完全不同的風(fēng)貌。通過(guò)光譜觀測(cè)顯示，谷神星的表面是含水的黏土，它的北極可能有一個(gè)冰帽，科學(xué)家估計(jì)，這是在45億年前谷神星形成過(guò)程中留下的。

類(lèi)似谷神星和灶神星這樣的近地小行星距離太陽(yáng)小于1.3個(gè)天文單位，它們是無(wú)人深空探測(cè)和載人深空探測(cè)的潛在目標(biāo)。美國(guó)航空航天局科學(xué)任務(wù)部和探索系統(tǒng)任務(wù)部在未來(lái)10年將繼續(xù)實(shí)施近地小行星探測(cè)任務(wù)，獲得小行星的詳細(xì)知識(shí)，如它們各不相同的特性、組成成分和起源。美國(guó)航空航天局正在研制“奧西里斯”（OSIRIS）風(fēng)化層探測(cè)者探測(cè)器，其任務(wù)是從富含不穩(wěn)定物質(zhì)的近地小行星1999 RQ36上采集150g樣本并帶回地球。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的隼鳥(niǎo)－2也將進(jìn)行小行星采樣返回。

“近地小行星交會(huì)-舒梅克”探測(cè)器在軌飛行示意圖

此外，美國(guó)航空航天局新的近地小行星探測(cè)任務(wù)“埃莫”（Amor）目前處于概念研究階段，該項(xiàng)目屬于發(fā)現(xiàn)計(jì)劃中的一項(xiàng)任務(wù)，是美國(guó)航空航天局太陽(yáng)系科學(xué)探索的優(yōu)先項(xiàng)目，該項(xiàng)目的主要任務(wù)是對(duì)未來(lái)載人小行星探測(cè)計(jì)劃提供至關(guān)重要的實(shí)地考察數(shù)據(jù)。

“埃莫”探測(cè)器將與1個(gè)由3顆小行星組成的小行星系統(tǒng)進(jìn)行交會(huì)、著陸和探測(cè)。這個(gè)近地小行星系統(tǒng)名為2001 SN263，其主星是1顆C型小行星（即含碳量較多），還有2顆很小的衛(wèi)星?！鞍Ｄ钡闹饕綔y(cè)目標(biāo)阿爾法（主星）有2.8km長(zhǎng)，2顆小衛(wèi)星貝塔和伽瑪?shù)拈L(zhǎng)度分別為1.1km和0.4km，貝塔在外側(cè)，它圍繞主星阿爾法的軌道直徑30～35km。2001 SN263小衛(wèi)星系統(tǒng)圍繞太陽(yáng)的橢圓軌道周期為2.8年，軌道傾角為7°，與地球的最近距離為0.06個(gè)天文單位。

黎明號(hào)探測(cè)器在軌飛行示意圖

“奧西里斯”風(fēng)化層探測(cè)者探測(cè)器在軌飛行示意圖

地面設(shè)備的光譜觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2001 SN263是一種C型小行星，這類(lèi)小行星在小行星帶中占大多數(shù)，其上含有揮發(fā)性的有機(jī)物，這種有機(jī)物自45億年前形成以來(lái)一直處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。由于C型小行星的反射率低（5%），因此地面設(shè)備難以對(duì)它們進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)，以往的探測(cè)器也只對(duì)它們進(jìn)行過(guò)遠(yuǎn)距離觀測(cè)?！鞍Ｄ碧綔y(cè)器則將在前所未有的近距離上研究這個(gè)神秘的C型小行星系統(tǒng)，并在其表面著陸以獲得直接的科學(xué)信息。

“埃莫”探測(cè)器采用三軸穩(wěn)定方式，由美國(guó)軌道科學(xué)公司（OSC）建造，將在2017年1月由宇宙神－5火箭發(fā)射，在經(jīng)過(guò)1次地球引力輔助和幾次小行星飛越之后，探測(cè)器將于2021年11月到達(dá)2001 SN263小行星。該探測(cè)器將對(duì)這個(gè)小行星系統(tǒng)進(jìn)行8個(gè)月的詳細(xì)研究，包括高分辨率制圖、至少2次著陸等。“埃莫”探測(cè)器將回答以下問(wèn)題：

· C型小行星的主要特征；

· C型小行星是否與原始的碳粒隕星有聯(lián)系；

· C型小行星上是否富含水和原始有機(jī)化合物；

· 由多顆小行星組成的小行星系統(tǒng)是怎樣形成的；

· 地球如何防止被C型小行星撞擊；

· C型小行星能否為未來(lái)載人探索提供資源。

在“埃莫”探測(cè)器到達(dá)2001 SN263小行星之后，它將用其攜帶的近地天體相機(jī)（NEOCam）對(duì)這個(gè)小行星系統(tǒng)的3顆小行星分別拍攝彩色照片，并分別對(duì)這3顆小行星的詳細(xì)形狀建模；之后，在主星阿爾法上選定著陸點(diǎn)，并在其中1顆衛(wèi)星上選擇著陸點(diǎn)。通過(guò)幾次接近小行星，并對(duì)著陸點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)考察之后，探測(cè)器將機(jī)動(dòng)進(jìn)入環(huán)繞小行星的軌道，當(dāng)探測(cè)器距離小行星表面大約10m時(shí)，在當(dāng)?shù)氐闹亓?chǎng)作用下，以很小的微重力狀態(tài)自由降落在小行星表面。

“埃莫”探測(cè)器一旦在小行星表面著陸，其上類(lèi)似螺旋鉆的錨會(huì)牢牢固定在小行星表面，接著，探測(cè)器開(kāi)始對(duì)小行星表面進(jìn)行1周的考察。這時(shí)，探測(cè)器上用于測(cè)量主要元素組成的光譜儀、放大鏡和顯微鏡相機(jī)開(kāi)始工作，探測(cè)器攜帶的機(jī)械臂達(dá)2m長(zhǎng)，能把放大鏡和顯微鏡相機(jī)移到與小行星表面相當(dāng)近的位置，以便對(duì)表面礦物質(zhì)的紋理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行亞毫米級(jí)探測(cè)。通過(guò)這些探測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家能分析出C型小行星表面與碳粒隕星之間是否存在可能的聯(lián)系；如果最終證實(shí)兩者之間存在聯(lián)系，那么人類(lèi)可以利用地球上的隕星樣本來(lái)分析C型小行星的礦物學(xué)、熱演變和資源。

隼鳥(niǎo)－2探測(cè)器在小行星著陸采取巖石樣本的瞬間

3 載人探測(cè)小行星

未來(lái)10年，類(lèi)似“埃莫”、隼鳥(niǎo)－2等自主探測(cè)任務(wù)的目標(biāo)是考察各類(lèi)近地小行星的特征，并驗(yàn)證對(duì)小行星進(jìn)行逼近操作、資源探查和著陸等相關(guān)技術(shù)，這一系列的探測(cè)將為航天員登陸小行星做充分的準(zhǔn)備。星座計(jì)劃的研究和洛馬公司等企業(yè)率先提出的概念已經(jīng)為未來(lái)載人登陸小行星的早期任務(wù)勾畫(huà)出了大概輪廓。

要想具備載人登陸小行星能力，必須首先研制出重型運(yùn)載火箭和飛出低地球軌道的載人飛船。在具備這些技術(shù)之后，通往深空的道路就鋪開(kāi)了，根據(jù)美國(guó)的項(xiàng)目?jī)?yōu)先級(jí)別，航空航天局可以搭載拜訪小行星、拉格朗日點(diǎn)或月球表面所需的硬件。

與持續(xù)時(shí)間只有幾個(gè)星期的月球探測(cè)任務(wù)不同，小行星任務(wù)不需要類(lèi)似長(zhǎng)期固定在月球表面的昂貴著陸器或月球基地，但是需要更多的乘員消耗品和居住空間。借鑒“國(guó)際空間站”的經(jīng)驗(yàn)或運(yùn)輸居住艙（TransHab）可充氣設(shè)計(jì)，在推進(jìn)系統(tǒng)上會(huì)增加1個(gè)居住艙，然后在低地球軌道或拉格朗日點(diǎn)與乘員再入艙組裝在一起，這樣就形成了一種能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)月之久的小行星探測(cè)載人航天器。另外，近地小行星載人任務(wù)所需的燃料可能需要從軌道加油站中得到補(bǔ)充。

小行星載人探測(cè)任務(wù)的居住艙應(yīng)該配備足夠的消耗品、輻射防護(hù)屏、鍛煉設(shè)備及艙外航天服，并能?？啃⌒吞剿黠w船。搭載三四名航天員的小行星探測(cè)飛船從地球出發(fā)并航行數(shù)月之后，將會(huì)與預(yù)先選定的小行星交會(huì)，利用小型遙控探測(cè)器對(duì)小行星表面進(jìn)行為期幾天的考察，之后，其中的2名航天員會(huì)駕駛小型探索飛船—“多任務(wù)探索飛船”（MMEV）下降到小行星表面，進(jìn)行2個(gè)星期的實(shí)地探測(cè)。

運(yùn)輸居住艙模型

這種“多任務(wù)探索飛船”能在小行星表面著陸，對(duì)小行星進(jìn)行物理特征測(cè)量，并采集十幾千克的土壤樣本。雖然航天員能穿上艙外航天服在小行星表面進(jìn)行科學(xué)考察，但是“多任務(wù)探索飛船”在機(jī)動(dòng)性、活動(dòng)能力、活動(dòng)范圍、體力消耗、輻射防護(hù)、姿態(tài)保持等方面更具優(yōu)勢(shì)。

小行星探測(cè)飛船在完成探測(cè)任務(wù)之后，經(jīng)過(guò)數(shù)月航行回到地球軌道，航天員乘坐再入艙攜帶樣本進(jìn)入大氣層返回，而與此同時(shí)，居住艙機(jī)動(dòng)進(jìn)入高地球軌道，在那里進(jìn)行燃料補(bǔ)給和在軌整修。

盡管載人深空探測(cè)的初期費(fèi)用很高，但是這種載人航天器能夠在地月系統(tǒng)、小行星附近，甚至在火星上重復(fù)使用。具備載人登陸火星的能力仍然是人類(lèi)深空探索這條持續(xù)發(fā)展道路的重要目標(biāo)?！?/p>