邱成波，孫煜坤，王亞敏，蔣峻，陳昕

（1.中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 200120；2.中國科學(xué)院微小衛(wèi)星重點實驗室，上海 201210）

1 近地小行星探測概況

小行星是太陽系形成早期的殘留物質(zhì)，廣泛存在于火星–木星軌道之間、近地及木星L4和L5點。近地小行星由于距離地球近，探測成本相對較低，有利于行星科學(xué)和空間資源利用探測任務(wù)的實施，同時，近地小行星也存在撞擊地球的風(fēng)險。因此，小行星探測近年來受到了各航天機構(gòu)的廣泛關(guān)注。到目前為止，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了1.2萬多顆近地小行星，且此數(shù)字每年以上千顆的速度在上升，這些近地小行星幾乎全都含有水，其中不少還有鎳、鉑、金等貴重金屬，空間資源十分豐富[1]。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、歐洲空間局（European Space Agency，ESA）、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）等航天機構(gòu)已經(jīng)完成了小行星交會、著陸、采樣和返回等技術(shù)積累，正在規(guī)劃行星防御和行星采樣與采礦任務(wù)。特別值得關(guān)注的是，美國和盧森堡政府批準(zhǔn)民間自行開展小行星采礦，行星資源公司（Planetary Rescource[2]，PR）和深空工業(yè)公司（Deep Space Insdustry，DSI[3]）兩家公司均規(guī)劃了小行星采礦藍(lán)圖，制定了分步走戰(zhàn)略，已經(jīng)開始了小行星特征識別的空間在軌試驗。

美、日、歐洲很早便開展了深空探測小行星任務(wù)，NEAR（Near Earth Asteroid RendezvoHs）探測器最終在設(shè)計任務(wù)之外完成了在“愛神”小行星上的軟著陸，獲得了寶貴的探測資料和成果。日本的小行星探測器“隼鳥–1號”（Hayabusa-1）攜帶有一個小行星探測機器人Minerva，原計劃在“隼鳥–1號”運行至行星表面20 m時投放至行星表面，但最終探測器投放失敗，并未達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，不過“隼鳥–1號”還是實現(xiàn)了小行星表面的接觸工作?！傲_塞塔號”彗星探測器于2004年3月2日發(fā)射，2014年11月13日，由“羅塞塔號”彗星探測器釋放的“菲萊”探測器成功登陸67P/Churyumov-Gerasimenko彗星。

到目前為止，NASA、ESA、JAXA通過一系列的小行星飛越、交會、繞飛與采樣返回探測任務(wù)的實施，深空探測技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。近幾年，NASA和ESA的深空探測計劃不再局限于空間探測和行星表面取樣，而是傾向于行星防御及近地小行星資源利用的研究。NASA、ESA和JAXA均已經(jīng)啟動了繼小行星探測和行星表面樣本提取任務(wù)之后的進展性任務(wù)，OSIRISRex（Origins Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer）預(yù)計在2022年左右將小行星Bennu上的樣品帶回地球，日本JAXA的“隼鳥–2號”（Hayabusa-2）也已開展了近地小行星采樣與地表下樣本分析的任務(wù)，NASA和兩家新成立的民間公司已經(jīng)啟動了行星防御及行星資源利用的計劃。

行星防御和小行星采礦已經(jīng)成為小行星探測的兩大熱點問題，對其進一步研究有助于解決行星資源利用、地球安全保護、地外殖民計劃、行星科學(xué)等一系列問題，具有重大的研究意義。

2 近期近地小行星計劃

美國和日本目前正在實施的小行星計劃分別為OSIRIS-Rex和“隼鳥–2號”，目標(biāo)均為采樣返回。美國作為小行星領(lǐng)域研究大國，其近期近地小行星計劃的主要推動者為NASA和商業(yè)航天公司。商業(yè)航天公司PR和DSI的遠(yuǎn)景規(guī)劃更突顯小行星探測所帶來的經(jīng)濟價值，通過低成本的前期小行星礦產(chǎn)勘探，對具有較高經(jīng)濟價值的小行星開展采集計劃。NASA提出了ARM（Asteroid Redirect Mission），計劃將直徑為幾米量級的小行星抓捕并實施軌道重定向進入月球逆行軌道，然后由航天員開展采樣任務(wù)并將樣品帶回地球。

2.1 OSIRIS-Rex采樣返回計劃

2011年5月，OR被選中成為第3個新邊境計劃，耗資上限為8.5億美金。參與單位為洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司（Lockheed Martin Space System Company）和NASA的戈達(dá)德太空飛行中心（NASA Goddard Spaceflight Center）。2016年9月使用AtlasV411火箭將OSIRIS-Rex發(fā)射升空[4-5]。

該任務(wù)從50萬顆小行星中篩選出能夠滿足當(dāng)前火箭能力內(nèi)速度增量的小行星。以其軌道特性能夠滿足在計劃時間內(nèi)采樣返回為篩選條件，篩選后剩下350顆。尋找直徑大于200 m，避免自旋過快而無法著陸接觸采樣的小行星，余下29顆，其中C類小行星只有5顆，Bennu就在其中。在篩選完成之后，NASA在1999—2000年和2005—2006年利用地面觀測手段進行了兩次地面觀測，獲取了Bennu的7 m分辨率的圖片，并得到大致的密度和軌道特性[6-7]。

OSIRIS-Rex的任務(wù)目標(biāo)主要包括以下5部分：

1）表征原始碳基小行星的綜合屬性，并與地面觀測數(shù)據(jù)進行比對分析。

2）對全球性質(zhì)、化學(xué)成分和含碳礦物學(xué)的分布進行測繪，探索原始的小行星的特征地質(zhì)和動態(tài)的演變，并提供返回的樣品。

3）記錄小行星質(zhì)地、形態(tài)、生物化學(xué)，將采樣點的風(fēng)化層的光譜特性提高到厘米量級。

4）返回并分析足夠質(zhì)量原始碳基小行星風(fēng)化層的樣品，用以研究小行星自然、歷史，以及它的構(gòu)成物質(zhì)和有機材料的分布。

5）測量有潛在危險的小行星亞爾科夫斯基效應(yīng)。

OSIRIS-Rex已于2018年底抵達(dá)Bennu小行星，后于2019年1月成功進入Bennu軌道。其上的載荷有OCAMS相機套裝、OVIRS可見光/紅外光譜儀、OTES熱輻射光譜儀、OLA激光雷達(dá)掃描、DEXIS X射線成像光譜儀和無線電科學(xué)觀測儀器。任務(wù)初期，探測器對Bennu進行繞飛，OSIRIS-Rex探測器內(nèi)部的激光雷達(dá)掃描儀（OLA）已初步完成掃描Bennu表面，掃描得到的Bennu小行星3D激光影像已在NASA官網(wǎng)公布。同時，使用中端視場成像儀MapCam觀測小行星的塵埃羽狀物，將光度和光譜數(shù)據(jù)與地球觀測值作對比，其結(jié)果將決定如何規(guī)劃安全逼近策略。在逼近后期階段，獲取Bennu具體圖像，用以建立Bennu形狀模型，刻畫Bennu綜合全局屬性[8-9]。隨著不斷的逼近，相繼獲得Bennu的全局特性參數(shù)、重力場分布、小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，在1 km軌道上預(yù)計獲取5 cm精度圖像、具體雷達(dá)觀測、X光探測和熱學(xué)探測地表最高溫度，優(yōu)選出2個基本采樣點和2個備用采樣點[10]。

OSIRIS-Rex采用接觸式采樣，采樣裝置為TAGSAM采樣機構(gòu)，如圖1所示。逼近任務(wù)結(jié)束后，航天器緩慢下降，先從1 km軌道下降到距離表面125 m處待命，然后在55 m處匹配上Bennu自旋和表面指向，主要采用視覺導(dǎo)航引導(dǎo)采樣機構(gòu)貼近采樣點[11]。在采樣過程中，使用高壓氮氣吹動表層風(fēng)化層采樣，通過預(yù)設(shè)機構(gòu)將表面風(fēng)化層從兩側(cè)吹入收集裝置內(nèi)部。OSIRIS-Rex在實際采樣前會進行兩次預(yù)演，預(yù)演成功后才進行真正的采樣任務(wù)，以提高采樣成功的概率。采樣結(jié)束后，OSIRIS-Rex離開小行星表面，回到安全軌道，將TAGSAM中的樣品放入樣品返回裝置，用特制相機確認(rèn)其已經(jīng)擺放穩(wěn)妥后，將在2021年3月離開Bennu返航[12]。

圖1 TAGSAM采樣機構(gòu)示意圖Fig.1 Illustration of TAGSAM sampling

2.2 “隼鳥–2號”采樣返回任務(wù)

“隼鳥–2號”是日本第2個小行星采樣返回任務(wù)，目標(biāo)小行星為1999 JU3。小行星 1999 JU3的自轉(zhuǎn)周期為7.6 h，直徑為0.922 ± 0.048 km，外形比例為1.3∶1.1∶1.0，幾何反照率為0.063 ± 0.006，星等為18.82 ±0.021，傾斜參數(shù)為0.110 ± 0.007，近日點/遠(yuǎn)日點為0.85/1.4 AU，光譜類型為Cg。“隼鳥–2號”提供至多2 km/s的速度增量?！蚌励B–2號”總重為600 kg，比“隼鳥–1號”重了90 kg，90 kg中一半用在提升各模塊的冗余量，一半提升科學(xué)能力。“隼鳥–2號”自帶2個大視場相機和1個望遠(yuǎn)相機以實現(xiàn)視覺導(dǎo)航。

“隼鳥–2號”上載有MASCOT著陸器及3個跳動探測器，MASCOT是由德國宇航局制造的重量為10 kg的著陸器，稱為“行星表面跳動偵察機”，它是300 mm ×300 mm×200 mm的盒狀結(jié)構(gòu)，用于行星表面探測及科學(xué)研究。MASCOT著陸器已于2018年10月4日成功投放到目標(biāo)小行星表面。的大致結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由上蓋、鋁架外框、捆綁電源、無線電收發(fā)單元、光口過濾裝置、common E-box、動力和傳動裝置、近紅外高光譜顯微鏡、ILMA、相機共10個部分組成。3個跳動探測器分別是MINERVA-II-A1、A2及B, A1、A2與“隼鳥–1號”上的相同，B由一個日本大學(xué)協(xié)會研制，每個探測器重1 kg左右。這些跳動探測器的目的是驗證超低重力場環(huán)境下行星表面移動技術(shù)，同時進行行星表面科學(xué)測量[13]。

圖2 MASCOT內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 The inner structure of MASCOT

其中主要載荷為空間相機、紅外輻射計、磁力計和近紅外高光譜顯微鏡。高度和軌道控制系統(tǒng)（AOCS）包括高度軌道控制處理器單元（AOCPs）、2個跟蹤雷達(dá)（STTs），2個慣性參考單元（IRUs），4個加速計（ACMs），4個低精度的太陽敏感器（CSASs），4個反應(yīng)輪（RWs）。行星抵近過程中，LIDAR用于測量飛行器距行星表面的高度，精確表面地質(zhì)測量，5個星標(biāo)用于抵近過程中的導(dǎo)航。

2.2.1 下降過程

“隼鳥–2號”于日本當(dāng)?shù)貢r間2019年2月22日抵近1999 JU3，第1個任務(wù)是進行目標(biāo)行星的全局測量，測量的特征包括自轉(zhuǎn)軸、自轉(zhuǎn)周期、行星形狀、行星表面溫度分布、表面組成分布等，前3個特征由ONCT/W1獲得，后2個特征由TIR和NIRS3，為之后的任務(wù)奠定基礎(chǔ)。MASCOT通過彈簧裝置被驅(qū)逐，初始速度保持在cm/s級的可控范圍內(nèi)，通過歷時12～16 h在行星表面跳動探測實現(xiàn)行星參數(shù)的測定、著陸起飛環(huán)境的探測及最佳采樣點的確定。

著陸過程大概分為3個過程：①初始下降；②自主控制下降；下放星標(biāo)；③近表面下降，如圖3所示。過程①使用地面配合飛船自主的混合導(dǎo)航方式，垂直下降速度控制在0.1～1 m/s。行星表面的地標(biāo)作為地面控制點，由地標(biāo)精確判斷飛船與行星間的相對偏移及飛船的速度，偏移過大時，飛船機動轉(zhuǎn)向預(yù)定路線；對于過程②，飛至離行星表面100 m高度時，下放星標(biāo)，飛船用ONC-W1和FLASH捕捉星標(biāo)，根據(jù)星標(biāo)位置來進行導(dǎo)航，探測器進行多次采樣機動，在其中一次機動中釋放MASCOT跳動偵查機構(gòu)，依次探測星標(biāo)位置科學(xué)數(shù)據(jù)，“隼鳥–2號”返回20 km高空，與MASCOT進行通訊，經(jīng)過12～16 h的探測，MASCOT最終選定采樣點，如圖4所示；過程③，向采樣選定點自主導(dǎo)航下降，在30 m高度，LRF打開，邊遵循星標(biāo)位置，邊控制姿態(tài)，最后5 m自由落體，是否落地通過SMP的彎曲或者姿態(tài)晃動比率來監(jiān)測?！蚌励B–2號”一共進行3次著陸演習(xí)，確保在指定位置平穩(wěn)著陸[14]。

圖3 下降及采樣過程Fig.3 Descend and sampling process

2.2.2 采樣過程

下降過程中ACOS監(jiān)測“隼鳥–2號”離小行星表面的高度，一定高度時，發(fā)射物發(fā)射至行星表面并撞擊行星表面，反彈起較多行星表面的顆粒，由于行星引力較小，反彈升起的顆粒重力加速度微弱，顆粒將沿著樣本收集器內(nèi)壁折射進入樣本容器中，一次樣本大致100 mg，采樣機構(gòu)中一共有3個發(fā)射物，進行3次發(fā)射試驗，共收集3次樣本。最后將樣本容器移至返回艙中，如圖5為采樣過程。

圖4 MASCOT跳動探測Fig.4 Hopping detection of MASCOT

圖5 采樣示意圖Fig.5 Illustration of sampling

“隼鳥–2號”與“隼鳥–1號”不同的是它采集地表下1 m的樣本，地表下的采樣主要由2種裝置完成，它使用氣動鉆頭配合樣本收集罩進行。氣動鉆頭深入地表下1 m進行挖掘，將地表下1 m的地質(zhì)材料裸露在外，之后再進行與地表采樣相同的采樣過程，氣動鉆頭如圖6所示。除了這2個裝置，“隼鳥–2號”采用樣本輸送系統(tǒng)將樣本轉(zhuǎn)移到一個旋轉(zhuǎn)式裝置（HRMS）中，如圖7所示，樣本進入收集罩后通過旋轉(zhuǎn)輪輸送至樣本容器，采樣結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示[15]。

2.2.3 撞擊過程

彈坑試驗由一個小型撞擊器（SCI）完成，直徑2 m，是一個18 kg重的載荷，圓柱形，直徑300 mm，高度200 mm，它在離行星表面500 m高度處釋放，撞擊前加速至2 km/s，載荷中有計時器，能延遲爆炸，確保飛行器離開并進入安全空間?！蚌励B–2號”通過釋放DCAM3相機來觀測爆炸過程，將爆炸圖像傳至“隼鳥–2號”，如圖9所示。爆炸直徑可達(dá)2 m，之后飛行器返回至HP（行星表面20 km高空）觀測爆炸產(chǎn)生的彈坑細(xì)節(jié)[16]。撞擊器已成功與探測器分離，并在“龍宮”表面撞擊產(chǎn)生隕石坑，便于探測器次表層采樣的實施。

圖6 氣動鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.6 Pneumatic bit structure

圖7 樣本輸送機構(gòu)Fig.7 Sampling conveying mechanism

圖8 地表下1 m采樣裝置簡圖Fig.8 Mechanism for 1 meter underground sampling

2.3 DSI公司的小行星勘探和收獲計劃

深空工業(yè)公司DSI 2013年1月23日成立，其主旨是為空間市場提供“水、推進劑和建筑材料”。 DSI長遠(yuǎn)戰(zhàn)略規(guī)劃分為4個階段：對近地小行星的勘探、收獲、對原材料的提煉、制造。在2016年的計劃中，DSI在研兩個微納星型號：Prospector-X、Prospector-1。在后續(xù)研制計劃中，DSI目前初步完成了對收獲環(huán)節(jié)的概念設(shè)計。

圖9 撞擊試驗路線圖Fig.9 The roadmap of impact test

2.3.1 礦產(chǎn)勘探計劃

DSI的勘探計劃由兩個型號完成，一個是技術(shù)驗證型號Prospector-X，另一個是正式深空探測型號Prospector-1。

1）技術(shù)驗證型號Prospector-X

Prospector-X號是由盧森堡和DSI共同支持研發(fā)的一顆3U立方星。計劃于2017年發(fā)射升空，運行于近地軌道，對星上搭載的水推進系統(tǒng)Comet-1、深空航電系統(tǒng)和自主導(dǎo)航系統(tǒng)進行技術(shù)驗證，為下一步Prospector-1的設(shè)計進行技術(shù)積累。

2）深空探測型號Prospector-1

DSI的目標(biāo)是從近地小行星帶中選取可能富含水的目標(biāo)小行星。在開展探測目標(biāo)篩選和軌道優(yōu)化設(shè)計后，DSI將發(fā)射歷史上第一顆商業(yè)小行星采礦探測器Prospector-1[17]。Prospector-1預(yù)計干重為30 kg，濕重位50 kg，立方星尺寸約為50 cm。在探測器3個側(cè)面各布置一套推進系統(tǒng)，每套推進系統(tǒng)由4個200 s比沖的Comrt-1水推進器組成。推進系統(tǒng)能提供的總速度增量為1 000 m/s。能源系統(tǒng)由3塊展開太陽能的和3塊體裝太陽能板組成，在1 Au的距離上可以提供120 W的能源；使用X波段通訊系統(tǒng)，在最惡劣情況下能滿足1 kbps和3.1 dB的性能指標(biāo)；使用雷達(dá)測距技術(shù)進行絕對導(dǎo)航，使用遠(yuǎn)紅外技術(shù)進行相對導(dǎo)航，使用視覺測距進行近距離導(dǎo)航；使用貨架產(chǎn)品VIS/MWIR相機（10 km上0.5 m分辨率）、中子質(zhì)譜儀、磁場重力場測量儀和其他降落設(shè)備。

2.3.2 收獲概念設(shè)計

DSI對收獲階段的設(shè)計處于概念階段，目前考慮兩個方案。方案一是將近地小行星運回，方案二是從近地小行星上獲取一部分材料，將其帶回。整星收獲方案需要攻關(guān)大目標(biāo)物體的固定技術(shù)、消旋技術(shù)和大推力推進技術(shù)。部分收獲方案的實施需要開展小行星著陸、樣品抓捕、探測器–樣品共同體返回等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。根據(jù)DSI的計劃安排，收獲計劃的研究將在Prospector-1發(fā)射后啟動。

2.4 PR公司的Arkyd計劃

行星資源公司（PR）的小行星采礦計劃由技術(shù)驗證型號Arkyd-3、Arkyd-6和正式型號Arkyd-100、Arkyd-200、Arkyd-300組成[18]。

2.4.1 技術(shù)驗證型號

PR將在Arkyd-3與Arkyd-6上驗證相應(yīng)的衛(wèi)星分系統(tǒng)技術(shù)，并為第一個正式型號Arkyd-100進行技術(shù)積累。Arkyd-3與Arkyd-6如圖10所示。

圖10 Arkyd-3和Arkyd-6Fig.10 Arkyd-3 and Arkyd-6

Arkyd-3在發(fā)射過程中由于“獵鷹9號”貨運飛船爆炸而失敗，后由其備份星Arkyd-3R執(zhí)行任務(wù)。Arkyd-3R是一顆采用3U立方星模型的技術(shù)驗證星，主要搭載用于Arkyd-100正式型號中的分系統(tǒng)：航電、姿控軌控、推進和星務(wù)系統(tǒng)，以及驗證地面與衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。Arkyd-3R的總質(zhì)量小于5 kg，功率為30 W，配備S頻段通訊系統(tǒng)。

Arkyd-3R于2015年4月14日20點10分（UTC）使用“獵鷹9號”火箭發(fā)射升空，跟隨貨艙至國際空間站ISS，并于2015年7月16日由Kibo氣閘艙釋放，傾角為51.6°。在軌運行5個月后，于2015年12月23日5點30分左右（± 41分）進入大氣層燒毀。

Arkyd-6 與Arkyd-3一樣同為技術(shù)驗證星，采用6U立方星模型，發(fā)射計劃經(jīng)4次延期，通過搭載“獵鷹9號”升空。Arkyd-6 將攜帶新的姿控、能源、通訊和航電系統(tǒng)，并測試用于Arkyd-100的富水探測載荷。富水探測載荷主要由中波紅外圖像系統(tǒng)組成，用近地小行星的溫度差異來判斷小行星所屬種類，并獲得富水礦物和行星的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。整個載荷將在近地低軌以地球為目標(biāo)進行測試，并將在Arkyd-100上對近地小行星進行觀測。

Arkyd-6重量約為10 kg，配備35 W功率的太陽能電池片。遙測信號使用UHF頻段，設(shè)計速率為40 kbps；上行信號使用S頻段，速率為500 kbps；下行信號使用X頻段，速率為6 Mbps。Arkyd-6上配備主要儀器包括中波紅外通用接口，波長3～5 μm，26 m地面分辨率。

2.4.2 正式型號

PR將正式型號定為Arkyd-100、Arkyd-200和Arkyd-300。其中Arkyd-100的任務(wù)是在地球軌道對近地小行星進行紅外探測，以確定其是否含水等情況。Arkyd-200和Arkyd-300將飛臨近地小行星附近完成觀測。其中Arkyd-200將為最終Arkyd-300集群任務(wù)進行技術(shù)積累。

Arkyd-100計劃在地球低軌運行，并攜帶一個15 kg的電子望遠(yuǎn)鏡，總重20 kg，配備90 W功率的太陽能電池片。遙測信號使用UHF頻段，設(shè)計速率為40 kbps；上行信號使用S頻段，最高速率2 Mbps；下行信號使用X頻段，最高速率為40 Mbps。Arkyd-100上配備的主要儀器包括可見與遠(yuǎn)紅外高光譜儀，波長400～900 nm，40光譜通道，10 m地面分辨率；配備中波紅外儀，波長3～5 μm，20 m地面分辨率。Arkyd-100將觀測近地小行星和地球，提供地球圖像并獲取低至19等星的科學(xué)圖像。Arkyd-100將支持高速激光通訊。

Arkyd-200目前停留在概念設(shè)計階段，其主要任務(wù)是整合合適的推進系統(tǒng)、載荷配置和觀測余量，以完成對近地小行星的觀測任務(wù)，它的設(shè)計濕重為250 kg，載荷重量為10 kg，尺寸為95×80 cm，太陽能電池片在1 AU的距離上設(shè)計功率大于100 W；使用光學(xué)通信，在火星軌道保證高達(dá)2 Mbps的通信速度；搭載可見與遠(yuǎn)紅外高光譜儀和中波紅外儀。推進系統(tǒng)提供5 km/s的速度增量。

Arkyd-300將在Arkyd-200的基礎(chǔ)上實現(xiàn)更為強大的功能。PR將執(zhí)行針對近地小行星的“Arkyd-300”集群計劃。Arkyd-300在環(huán)繞近地小行星的軌道上完成對近地小行星的形狀、旋轉(zhuǎn)姿態(tài)、密度和表面組成成分的分析，從而評估小行星的科學(xué)和商業(yè)價值。

2.5 NASA的ARM計劃

2010年4月，時任美國總統(tǒng)奧巴馬宣布了人類探索小行星的任務(wù)，該任務(wù)由NASA總體負(fù)責(zé)。任務(wù)目標(biāo)有3個，一是對具有潛在威脅的近地小行星進行防御，二是提升人類探索宇宙的能力和技術(shù)，三是小行星采礦。鑒于此，NASA在2013年提出了ARM，它是NASA未來10年發(fā)展的一個重要任務(wù)，計劃實現(xiàn)人類歷史上首次小行星抓捕，并將其轉(zhuǎn)移至月球軌道，宇航員在月球軌道提取小行星樣本之后帶回地球[19]。ARM的實施不僅能夠嘗試及驗證一系列深空探索的技術(shù)，同時有利于提升小行星防御能力，還能奠定小行星采礦技術(shù)的基礎(chǔ)。

ARM任務(wù)分為3個大階段，第1階段由地基和天基探測器共同選定目標(biāo)小行星；第2階段抓捕小行星并轉(zhuǎn)移至月球軌道（ARRM）；第3階段為載人航天器與共同體進行交會與對接并進行采樣任務(wù)。

第1階段需選擇和確認(rèn)目標(biāo)小行星。小行星的選擇和確認(rèn)是小行星重定向任務(wù)的基礎(chǔ)，NASA利用天基GEO-hosted探測器配合地基SST和PS-2探測器進行小行星的特征提取，主要考慮小行星軌道、尺寸、自旋速率、組成成分等。

目前，NASA通過深空探測已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有潛在利用價值的目標(biāo)小行星有12顆[20]，分別為2007 UN12、2008 EA9、2013 EC20、2010 UE51、2009 BD、2011 MD、2008 HU4、2012 TF79、2006 RH120、2012 LA、2011 BL45及2008 UA202，它們的部分參數(shù)如表1所示。

表1 目標(biāo)小行星部分參數(shù)Table 1 Some parameters of the target asteroids

第2階段是小行星抓捕及轉(zhuǎn)移過程。小行星抓捕及轉(zhuǎn)移過程包括小行星交會抓捕探測器（ACR）抵近小行星、ACR探測器抓捕小行星并消旋、控制ACR探測器–小行星共同體轉(zhuǎn)移至地月軌道這3個過程。對于抓捕NASA提出了兩種方案，分別為捕獲袋式結(jié)構(gòu)（方案一）、空間機械臂式結(jié)構(gòu)（方案二），方案一中抓取的理想小行星的尺寸是內(nèi)徑4～10 m，最大返回質(zhì)量1 000 t，具體最大返回質(zhì)量取決于近地小行星的軌道和太陽能電推進器的功率，任務(wù)要求自旋周期大于2 min；方案二中抓取石塊的尺寸是內(nèi)徑2～4 m，來自內(nèi)徑大于100 m的小行星上，抓取的最大質(zhì)量是70 t，電推進功率為40 KW[17]。兩種方案如圖11所示。為了最大限度地提高目標(biāo)小行星返回質(zhì)量，ACR探測器可多次利用月球引力加速，這樣的多次加速在40 KW的太陽能電推進系統(tǒng)下需要用時1.4年；將小行星存放在月球逆行軌道（DRO）上，高度約7萬km。為了低成本進入穩(wěn)定的逆行軌道，利用地–月和地–日三體系統(tǒng)的低能量特性對共同體減速。軌道優(yōu)化計算表明，在地–月系統(tǒng)中飛行8個月，機動20次，實現(xiàn)16 m/s減速機動后，共同體進入穩(wěn)定的月球逆行軌道[21]。

圖11 NASA小行星捕獲結(jié)構(gòu)方案Fig.11 NASA’s asteroid capture scheme

載人飛船開采小行星是小行星重定向任務(wù)的最后階段。在ACR探測器與小行星共同體進入月球軌道之后，空間發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，SLS）火箭搭載“獵戶座”（Orion）載人飛船進入地月軌道，通過月球引力加速進入遠(yuǎn)月球軌道，進行與ACR探測器的對接任務(wù)，對接完畢后宇航員出艙進行采樣作業(yè)，采集完畢將樣品運至艙內(nèi)，返回地球。往返飛行的軌跡圖如圖12所示。

圖12 Orion載人飛船與ACR衛(wèi)星對接軌跡Fig.12 Docking trajectory of the Orion and the ACR satellite

2.6 ESA的AIDA計劃

AIDA（Asteroid Impact and Deflection Assessment mission）是ESA和NASA合作的小行星項目。AIDA由兩個系統(tǒng)組成：小行星撞擊監(jiān)測器（AIM）和雙星系統(tǒng)重定向測試星（DART），如圖13所示，其中AIM由ESA研制，DART由NASA研制。AIM能夠執(zhí)行小行星抵近操作，進行空間光通信試驗，攜帶的有效載荷能夠研究整個撞擊過程任務(wù)參數(shù)[22]。DART用于測量小行星10%以內(nèi)的偏轉(zhuǎn)，獲取及傳遞撞擊前小行星的高分辨圖像，自主導(dǎo)航配合相對導(dǎo)航抵近次星的中心，配合天基導(dǎo)彈技術(shù)撞擊小行星。

圖13 AIDA任務(wù)示意圖Fig.13 Task sketch map of AIDA

AIDA的目標(biāo)是近地小行星65803（1996GT）Didymos，18星等，直徑為670 m，軌道類型為apollo。AIM攜帶的一級載荷能夠確定雙星系統(tǒng)的軌道和旋轉(zhuǎn)動力學(xué)參數(shù)、小行星質(zhì)量、地質(zhì)學(xué)物理性能、地表及地下結(jié)構(gòu)，同時，能夠開展通信工程實驗（TEX），部署MASCOT-2小行星著陸器的小衛(wèi)星工程實驗（MEX），測試COPINS和MASCOT-2著陸器衛(wèi)星間的網(wǎng)絡(luò)連接；二級載荷在行星撞擊期間，通過測量行星旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的變化，由撞擊產(chǎn)生的撞擊坑影像及撞擊產(chǎn)生的碎石動量來確定這一過程造成的動量轉(zhuǎn)移，了解小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)，AIM的主要載荷[23]如表2所示。

表2 AIM主要載荷Table 2 Payload of AIMs

DART的有效載荷是基于“新地平線號”探測器LORRI的紅外熱像儀，DART能夠自主導(dǎo)航至目標(biāo)星中心進行撞擊任務(wù)，撞擊點的精度在直徑的1%范圍內(nèi)，同時它能夠記錄撞擊之前的小行星表面形態(tài)及地質(zhì)特點。

AIDA是世界航天史上的一個突破性計劃，無論在宇宙科學(xué)、行星防御還是深空資源探索上均有十分重大的意義。在宇宙科學(xué)上：①雙星系統(tǒng)重定向的實施有利于探索主星和次星之間的質(zhì)量傳遞規(guī)律；②通過檢測彈坑的形成和小行星材料的分布有助于行星科學(xué)的研究；③有利于評估小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成分組成。在行星防御上：①能夠掌握動能沖擊對行星偏轉(zhuǎn)的影響規(guī)律；②通過動能撞擊及撞擊產(chǎn)生的碎石的濺射規(guī)律，評估動能的轉(zhuǎn)移。在深空資源探索上：①推動了地區(qū)宇航局之間合作，有利于集中各單位空間技術(shù)的優(yōu)勢，推動國際空間硬實力的提高；②發(fā)展小天體任務(wù)的飛行技術(shù)，獲得重要經(jīng)驗；③有利于小行星資源的調(diào)研。

3 未來近地小行星技術(shù)展望

3.1 深空探測推進技術(shù)

面對深空任務(wù)的特點，巡航段采用太陽能電推進較為廣泛，核能推進技術(shù)有著較大的挖掘潛質(zhì)，但目前仍有較大的技術(shù)瓶頸。核能的推進方式主要有核熱推進、核電推進和核爆炸推進。

核電推進技術(shù)使用前景較好，它具有高效能、高速度增量、極高比沖（可達(dá)1萬s）、長壽命等特點，可以大幅縮短任務(wù)周期、提高有效載荷比。深空任務(wù)常用核電源主要有兩類：放射性同位素溫差電源和核反應(yīng)堆電源。放射性同位素溫差電源的研制需要解決放射性同位素的選取和制備、溫差電轉(zhuǎn)換器技術(shù)、同位素?zé)嵩磫卧昂税踩夹g(shù)等，技術(shù)門檻較高，且高純度放射性同位素的制備周期較長，可達(dá)數(shù)10年[24]。目前國內(nèi)外大量研究在如何提高反射性同位素溫差電源的熱電轉(zhuǎn)換效率和質(zhì)量比功率方面，這對小衛(wèi)星，微小衛(wèi)星，航天器推進方式的研究具有重大意義。

3.2 寬適應(yīng)性探測器平臺技術(shù)

探測器與地球的最遠(yuǎn)距離可達(dá)2 AU（3×108km）以上，探測器從發(fā)射到與小行星交會、采樣、采礦返回及地球再入需要持續(xù)至少3年多的時間，探測任務(wù)對深空環(huán)境中的熱控、測控與通信、電源等分系統(tǒng)提出了嚴(yán)格的指標(biāo)要求，且在各個階段有所不同。由于小行星星歷、引力場存在較大的不確定性，在以往的地球軌道衛(wèi)星或月球探測器中并未遇見，這是深空小行星探測任務(wù)所面對的特殊問題，對小行星表面附著、采樣、采礦及返回任務(wù)的實施帶來挑戰(zhàn)。

深空探測器的重量直接關(guān)系到運載火箭選型與交會–返回過程的燃料消耗，即探測器研制成本與發(fā)射成本，因此，需通過載荷平臺一體化設(shè)計、結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計等，實現(xiàn)探測器小型化、輕量化等指標(biāo)。

3.3 空間機器人技術(shù)

隨著空間任務(wù)的不斷深入，對空間機器人在軌服務(wù)技術(shù)的要求也不斷提高。目前，空間機器人可提供的在軌服務(wù)有4種方式[25]，分別為視覺監(jiān)測、燃料補給、衛(wèi)星援助和空間建設(shè)?？臻g機器人技術(shù)在小行星消旋、載人飛船對接任務(wù)中至關(guān)重要。例如大型的小天體取樣過程，需要大型柔性機械臂對天體進行抓取，同時還需要結(jié)合小型靈巧手進行取樣作業(yè)。未來空間機器人將朝著環(huán)境適應(yīng)性更強、靈活性更高、技術(shù)容錯率更大、功能更多的方向發(fā)展。

3.4 深空立方星技術(shù)

隨著低功耗、小型化深空通信、推進、導(dǎo)航、能源與探測器平臺等技術(shù)的成熟，低成本、研制周期短的立方星在深空探測領(lǐng)域前景廣闊。為實現(xiàn)高效、高精度的小行星特征測量，需研究不規(guī)則小行星附近的星群組網(wǎng)與小行星特征協(xié)同測量，如立方星編隊多視角測量三維形狀、星–星跟蹤測量重力場。

4 結(jié)束語

發(fā)達(dá)國家對于近地小行星深空探測方面的技術(shù)愈加成熟，目前已對近地小行星做了較為充分的調(diào)研及空間技術(shù)驗證。未來更深層次的采樣、行星防御、小行星抓捕與采礦等空間任務(wù)已經(jīng)提上日程。這類任務(wù)對空間推進技術(shù)、小行星抓捕技術(shù)要求較高，需要加強研制合適的深空推進器，提高空間機器人技術(shù)?？臻g技術(shù)難度不斷加大，新領(lǐng)域在不斷地被開辟，發(fā)達(dá)國家正在不斷拓寬空間技術(shù)的深度和廣度。我國在行星防御及小行星采礦方面的科研及工程實施還屬于空白，亟須開展相關(guān)領(lǐng)域的研究與創(chuàng)新，不斷提升自身空間技術(shù)水平。站在全球空間任務(wù)實施的致高點上，獲得空間資源采集和利用的主動權(quán)。