小行星探測的“中國行動”

文/ 蘭順正

▲“嫦娥二號”拍攝的“圖塔蒂斯”（Toutatis）小行星間隔成像照片

在今年中國航天大會主論壇上，中國科學院院士葉培建透露，中國小天體探測任務已經進入工程研制階段，計劃探測地球共軌天體2016HO3和小行星帶中的主帶彗星311P。當天葉培建作了題為《我國小天體探測任務的設想》的報告，從任務意義、國際發(fā)展態(tài)勢、小天體探測器方案概述、任務特點與難點等四個方面介紹我國小天體探測任務。他指出，小天體探測任務是中國航天強國建設征程的標志性任務。

▲ 中國小天體任務飛行過程示意圖

▲ 火星和木星之間的小行星帶

身價不菲的小行星

宇宙中存在大量小行星，僅太陽系中就有上百萬顆。1991年美國發(fā)射的“伽利略”木星探測器對951號加斯帕拉小行星進行了飛越探測，這是人類第一次近距離觀測小行星。到目前國際上小天體探測已有近30年歷史。

小行星探測具有重大意義。一方面，針對小行星組成物質、物理特征等進行科學探測，可以更好了解太陽系演化、地球生命起源等問題。有些小行星上擁有水和化合物，如在“谷神星”北半球直徑約50千米的隕坑中確認存在有機化合物。而木星的衛(wèi)星“歐羅巴”被證實，其表面的冰層下有大量液態(tài)水，其平均深度是地球海洋的20倍，而且含氧量較高。這些對于研究地外生命的作用不言而喻。

另一方面，小行星探測蘊含很大的經濟價值。目前人類可以開發(fā)利用的小行星基本上分為兩類，一類是近地小行星，主要分布在木星和火星之間的小行星帶，其中中等體積的近地小行星約有1.95萬顆；另一類是從地球附近飛掠而過的小行星，其數量和出現的時間都不確定，實施探測和開發(fā)的難度較大。天文學家將小行星分為3種：約15%的小行星主要由硅構成，其厚厚的硅質外層包裹著小型金屬內核；約10%的小行星的成分以金屬為主，主要是鐵和鎳，有的還蘊藏金、鉑等貴金屬；其余75%的小行星主要由碳構成。對于人類來說，最具開發(fā)價值的是以金屬為主要成分的小行星。如位于小行星帶直徑約250千米的“靈神星”，科學家通過觀測估計其上含有5億億噸鐵、5000萬億噸鎳，還有其它金、鉑等貴金屬數億噸，美國宇航局認為“靈神星”上的鐵資源總價高達1000億億美元。

鑒于開發(fā)小行星的巨大潛力，不論是民間還是官方都表現出了不小的興趣。如在2012年4月25日，美國一家名叫”行星資源”的創(chuàng)業(yè)公司在飛行西雅圖博物館舉行新聞發(fā)布會，宣布了其在小行星進行采礦的具體計劃。而在2015年美國通過了《商業(yè)航天發(fā)射競爭力法案》，賦予美國公司對其所開采太空資源的權利。

2014年11月12日歐空局“羅塞塔”號探測器釋放出“菲萊”號著陸器成功著陸67P彗星表面，成為首個在彗星上實現軟著陸的探測器；在2016年9月30日“羅塞塔號”成功撞擊67P彗星表面。

在具體行動上，日本的“隼鳥”系列探測器首先成功在小行星上進行了取樣，其“隼鳥號”探測器已經第一個將小行星“糸川”的樣本帶回地球，幫助人類更好地了解了這顆小行星的巖石密度、表面地形、形狀、顏色、主要構成成分和歷史等。“隼鳥2號”返回艙去年12月6日降落在澳大利亞南部沙漠地帶，獲取“龍宮”小行星樣品5.4克。另外美國“奧西里斯-雷克斯”探測器在2020年10月20日成功降落在近地小行星“貝努”的表面并采集樣本，計劃2023年9月抵達地球。

▲ 小行星2016HO3

已被中國重點關注的小行星

在小行星探測領域，中國也早已經有所行動。2012年12月15日中國“嫦娥二號”探測器近距離飛越小行星圖塔蒂斯，實現首次小行星飛越觀測，并獲取最高分辨率3米的光學彩色圖像，正式邁進了原本只有美歐日成員的小行星探測“俱樂部”。

2019年4月中國國家航天局發(fā)布了《小行星探測任務有效載荷和搭載項目機遇公告》，確定了今后中國小天體探測器方案的探測目標，是一顆地球共軌天體2016HO3以及小行星帶中的主帶彗星133P，并希望通過一次發(fā)射實現兩類探測目標和近距、附著、采樣等三種探測模式。

其中，2016HO3是一顆地球共軌天體，被美國夏威夷天文望遠鏡于2016年發(fā)現，它繞太陽公轉的周期幾乎和地球一樣，為366天，看上去總是和地球不離不棄，距離地球大約38～100倍地月距離，因此發(fā)射和返回窗口靈活，適于取樣返回、分析天體來源。圍繞2016HO3，中國將測定軌道參數、自轉參數、形狀大小和熱輻射等物理參數，研究其軌道起源與動力學演化。同時探測形貌、表面物質組份、內部結果，獲取小行星樣品背景信息，以及對返回樣品開展實驗室分析研究。而133P是小行星帶中的主帶彗星，研究熱點為主帶彗星形成和演化、氣體活動機制。圍繞133P，中國將測定主帶彗星的軌道參數、自轉參數、形狀大小和熱輻射等物理參數，研究主帶彗星的軌道起源及其動力學演化。同時探測主帶彗星形貌、表面物質組份、內部結構、空間環(huán)境等信息，獲取太陽系早期演化信息。

在今年的中國航天大會上，葉培建院士表示，中國小天體探測任務需要攻克多項關鍵技術。該探測任務的工程目標是突破弱引力天體表面采樣、高精度和高自主相對自主導航與控制、小推力轉移軌道、輕小型超高速再入返回、多模式長壽命電推進等關鍵技術。

▲ 中國科學院院士葉培建在中國航天大會上作《我國小天體探測任務的設想》報告 王磊攝

事關人類存亡的小行星

實施小天體探測任務有助于推動中國深空探測整體能力提升，而且對于防御小行星威脅也會有巨大的貢獻。

研究表明，雖然小行星撞擊地球的概率極低，可危害卻極大。一般而言，如果小行星軌道與地球軌道的最小距離小于0.05 AU，就認為是有潛在碰撞風險的小行星。目前已被確認的超過1.6萬顆近地天體中1838顆被認為具有“潛在危險性”。小行星的碰撞可能帶來十分嚴重的后果。據估計，直徑為10至50米的小行星撞擊地球，即可產生像廣島核彈爆炸一樣的威力；直徑在100米以上的小行星，就能產生幾百萬噸級核彈的破壞能量；直徑大于10千米的小行星，能釋放10億噸級甚至千億噸級的能量，這樣的能量可導致災難性的地球環(huán)境，使全世界陷入核冬。如廣為熟知的造成恐龍滅絕等災難的原因很可能就是由于小行星與地球碰撞。

目前國際上認為可能采用的行星防御一般是通過主動手段，其中包括核爆、動能撞擊、激光燒蝕、離子束牽引、引力拖曳、質量驅動等，破壞小行星的結構或者偏轉小行星的軌道。

去年5月26日，中國科學院國家空間科學中心的中科院復雜航天系統(tǒng)電子信息技術重點實驗室李明濤、王藝睿、王有亮、周炳紅、鄭偉等科研團隊，提出應對大尺寸潛在威脅小行星的“以石擊石”防御方案。具體而言就是通過發(fā)射無人飛行器捕獲小尺寸小行星或者在碎石堆小行星上采集超過100噸的巖石，與飛行器構成組合撞擊體，操控組合體撞擊對地球有潛在威脅的小行星，將潛在威脅小行星偏轉出撞擊地球的軌道。

按當時的介紹，相比經典動能撞擊方法，“以石擊石”方案可突破地面發(fā)射人造撞擊體的運載能力和包絡限制，通過在太空中捕獲百噸級質量的巖石，從而顯著提升撞擊體質量，最終實現小行星防御效果的數量級提升，對小行星的軌道偏轉效果可提升一個數量級，為防御大尺寸潛在威脅小行星提供核爆之外的一種新選項。

在今年中國航天日主場活動開幕式上，國家航天局局長張克儉也提到了小行星防御。他在致辭中說：“站在新的歷史起點，中國航天將論證實施探月工程四期、行星探測工程、建設國際月球科研站和近地小行星防御系統(tǒng)，拉開新時代探索九天的新序章?！倍~培建院士則表示，中國進行的第一次小行星探測就會選擇降落采樣，一旦掌握了降落技術，就意味著將來如果有小行星撞擊地球，中國可以直接接近并干預。由此不難看出，中國對于小行星防御的研究正在穩(wěn)步推進，以期在將來更好地造福全人類。