载人探测小行星的目标星选择

王悦 刘欢 王开强 张柏楠

（中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

小行星（Asteroid）是太阳系内类似行星环绕太阳运动，但体积和质量比行星小得多的天体。太阳系中绝大多数的小行星都集中在火星和木星轨道之间，称为小行星带。另外在海王星以外也分布有小行星，这片地带称为柯伊伯带（Kuiper Belt）。其中一些小行星的运行轨道与地球轨道相交，曾有某些小行星与地球发生过碰撞。2009年8月10日发布的有轨道根数的小行星为459 433颗［1］，按轨道半长轴、近日距和远日距进行统计，远日距小于3．3AU的为340 184颗，占总数的74%，这些小行星完全运行于日心距小于3．3AU 的空间内；半长轴为2AU 至3．23AU 的有437 287颗，占总数的95．2%。

其中有一类小行星运行在地球附近，远日点距离小于1．3AU，被称为近地小行星（NEAs）。根据小行星的近日点距离和轨道半长轴的数值，把它们划分为4种类型，轨道半长轴a小于1AU 和近日距q小于0．983AU 的近地小行星被称为Atira型小行星；轨道半长轴a小于1AU 和近日距q大于0．983AU 的近地小行星称为Aten型小行星；轨道半长轴a大于1AU，而远日距Q小于1．017AU 的小行星称为Apollo型小行星；轨道半长轴a大于1AU，远日距Q小于1．3AU，大于1．017AU 的小行星称为Amor型小行星（见图1）。美国国家航空航天局（NASA）的近地小行星探测器已经访问过其中最著名的小行星433 号（爱神星）。由于近地小行星的威胁，NASA 从1998年开始对近地小行星进行探测，目前，已发现直径大于140 m 近地小行星约6000颗。其中有一类小行星对地球存在着潜在的威胁，离地球的最近距离小于0．05 AU，它们被称为潜在威胁小行星（PHAs），共发现约1200颗［2-3］。

图1 近地小行星轨道示意图Fig．1 Sketch map of NEA orbit

在众多的小行星中，挑选适宜的星体开展载人探测，除了满足人类强烈的探索欲望，更重要的是可以验证先进的深空探测技术，同时利用人类的主观能动性，对小行星进行考察勘测，甚至可将小行星改造成为人类通往更远行星的临时补给站。适时地介入载人小行星探测研究领域，也必将增强我国综合国力，产生深远的政治影响，使我国在深空探测领域占有一席之地。

2 载人小行星探测特点及选星原则

2．1 载人小行星探测特点

载人小行星探测有着其他深空探测不可比拟的特殊性，如表1所示，其中重要的一点就是探测目标的多样化。通过合理的选择探测目标，可以在保证航天员安全的情况下，降低任务风险和技术难度，提升探测任务的性价比。

表1 三种载人深空探测任务的特点比较Table 1 Comparsion of three different missions of human deep space exploration

许多近地小行星的轨道与地球轨道相似，对于绝大多数近地小行星，可设计地球-小行星日心转移轨道，实现与小行星的交会，如图2所示。同时，由于小行星引力微弱，几十米的速度增量就可摆脱小行星引力束缚［3］。还有些进入地球引力影响球的特殊小行星，可根据具体情况进行轨道设计，使探测器不必经过日心转移轨道飞行，就可与小行星在地球引力影响球内交会，从而大幅缩短探测任务时间。所以，目标星选择策略研究是载人小行星探测任务需要研究的重点之一。

图2 地球-小行星日心转移轨道示意图Fig．2 Sketch map of transfer trajectory

2．2 载人小行星探测选星原则

从载人小行星探测特点出发，结合我国实际，考虑载人探测的安全性、可行性以及探测价值，提炼得到以下3类选星原则。

1）安全性

（1）环境确定性原则：已编号的小行星轨道较明确，有较完备的观测数据，这样可以保证了解星上环境，采取相应措施，确保航天员安全。

（2）结构稳定性原则：小行星的自转周期不应太小，自转周期＜10h的星体，在离心力作用下，可能导致小行星的结构松散，存在不稳定因素，不利于航天员进行舱外活动［2］。

2）可行性

（1）Δv原则：考虑动力学因素，运载能力是影响载人小行星探测任务实施的重要指标。按照我国未来运载器技术的发展规划，预计在2025 年前发展LEO运载能力50t级的超大型火箭，在2030年之后发展LEO能力为130t级的重型运载火箭［5］。因此，对目标小行星进行选择时，其探测任务所需的Δv值，应尽量在我国未来运载能力发展的允许范围之内。

（2）任务时间原则：从空间环境对人生理影响的角度考虑，选择任务时间较短的小行星进行探测，能更好的降低环控生保系统设计的复杂度，减小探测器规模。

（3）窗口宽松原则：目标星应有宽松的发射窗口，以增加任务的灵活性。本文仅考虑2020 年至2050年内合适的发射窗口。

3）探测价值

（1）潜在威胁小行星（PHA）原则：PHA 是指与地球最近距离小于0．05AU，直径大于140m，如果与地球发生碰撞会造成破坏性后果的小行星。这类小行星可能更完整地保存有宇宙形成初期的原始信息，拥有更丰富的矿产资源，探测意义较大［3］。

（2）光谱原则：具有特定光谱类型的小行星具有更大的探测意义。比如，C 型小行星是含碳的小行星，其化学组成同太阳与原始的太阳星云极为相似，可能含有水合（含水的）矿物，具有较大探测价值。S型小行星是以硅质为主组成，还包括铁、镁等元素。X 型小行星含有大量金属，矿产资源丰富，具有很好的探测价值［6-7］。

3 目标星约束条件及选星结果

为满足我国未来各阶段深空探测发展需求，将小行星根据探测难度由易到难分为3类，分别称之为第一类、第二类和第三类候选星。下面针对3类候选星分别进行分析，并根据上述选星原则，提出具体约束条件和优选条件，对应称为第一类、第二类和第三类约束条件和优选条件。

安全性原则是3 类候选星都要首要考虑的因素，可行性原则根据3类候选星的探测难度分别评估，再根据探测价值从中优选。其中，在衡量可行性时，先定性分析轨道参数（半长轴a、偏心率e、轨道倾角i）对速度增量与任务时间的影响，根据轨道参数对小行星进行筛选，再对候选星进行定量轨道计算，评估探测技术难度。由于速度增量与任务时间之间存在耦合关系，将任务时间小于200d作为轨道设计的约束条件，轨道计算时暂不考虑轨道倾角。

3．1 第一类约束条件及选星结果

根据安全性原则，候选星应为已编号并且自转周期不小于10h的小行星，周期未知的小行星保留了载人探测的可能性，故也考虑在内。根据动力学分析可知，与地球轨道相似的小行星，任务所需的速度增量Δv和时间T较小，所以e应尽量小，a应尽量接近1AU。轨道倾角增加需消耗额外速度增量（倾角增加1°，速度增量约增加0．5km／s［8］），i较小的小行星更有利于载人探测任务。根据上述分析，得到第一类约束条件为：

（1）自转周期不小于10h（含未知）；

（2）选择已编号或有探测记录的小行星；

（3）e＜0．125；

（4）0．9AU＜a＜1．1AU；

（5）i＜2°；

（6）发射窗口拟定于2020—2050年间；

（7）优先选择潜在威胁小行星（PHA）；

（8）优先选择光谱类型为S、C、X 型的小行星（含未知）。

得到第一类候选星共22颗，选星结果及小行星分布如图3所示，上述小行星有极小的偏心率、接近1AU的半长轴和较小的轨道倾角，小行星轨道与地球极为相似。图3中小行星位置越接近地球，表明小行星轨道与地球轨道相似程度越高。通过选取不同位置的小行星进行轨道计算，根据计算结果，虽然由于小行星的轨道特性不同，导致计算结果有所差异，但呈现与地球轨道相似程度越高的小行星，任务所需Δv越小的规律。Ⅲ区中小行星任务所需Δv约在6～8km／s；Ⅱ区中小行星约在5～6km／s；而Ⅰ区中小行星任务所需Δv则很有可能小于5km／s，这对载人小行星探测极具诱惑力，可优先考虑。部分小行星轨道计算结果如表2所示。

图3 第一类候选星分布Fig．3 Distribution of 1st category candidate asteroids

其中值得说明的是，本文计算的任务所需Δv是指从地球停泊轨道逃逸及以后所需的总速度增量；飞行时间T是指从地球逃逸（飞出地球引力范围）至抵达地球所需的总飞行时间；发射窗口是指探测器从地球逃逸进入日心过渡轨道的时刻。

综合考虑此类小行星，虽然任务所需Δv极具诱惑力，经初步计算，采用50吨级的超大型火箭发射4次以内即可完成任务，而采用重型火箭则可能仅需1～2次发射任务。但从安全性和探测价值考虑，上述小行星的直径较小，探测价值有限，且自转周期未知，探测器着陆和航天员舱外活动可能会受到的影响不明，不宜直接进行载人探测，需进一步探测其物理特性，以分析判断其是否满足载人探测的安全性要求。

表2 第一类候选星部分轨道计算结果Table 2 Trajectory calculation results of part of 1st category candidate asteroids

3．2 第二类约束条件及选星结果

第二类候选星筛选时，首先保证满足载人探测的安全性，再根据轨道参数评估探测的技术难度和可行性，并综合衡量探测价值，作为优选，可得到第二类约束条件和优选条件：

（1）自转周期不小于10h（含未知）；

（2）选择已编号且有探测记录的小行星；

（3）e＜0．5；

（4）0．5AU＜a＜1．5AU；

（5）i＜3°；

（6）发射窗口拟定于2020—2050年间；

（7）优先选择潜在威胁小行星（PHA）；

（8）优先选择光谱类型为S、C、X 型的小行星（含未知）。

根据约束条件对已知近地小行星进行筛选，得到初选星287颗，并根据优选条件，对初选星进一步优选，得到第二类候选星共30颗，选星结果及小行星分布如图4所示。

图4 第二类候选星分布Fig．4 Distribution of 2nd category candidate asteroids

第二类候选星探测难度略大于第一类候选星，均为PHA，具有一定的探测价值；其中一些自转周期未知的小行星的安全性仍存在一些隐患，需要进一步的探测和分析；而对于自转周期已知且大于10h的小行星，物理特性明确，已初步具备开展载人探测的基本条件。

对第二类候选星中自转周期明确且大于10h的小行星进行分析，结果如表3所示。

根据轨道设计结果可再次验证具有与地球相似轨道特性的小行星，任务所需Δv可能越小。所以，根据图4将第二类候选星粗略划分为3个区域，Ⅲ区中小行星任务所需Δv很可能将大于11km／s；Ⅱ区中小行星约在9～10km／s；而Ⅰ区中小行星则很可能只需不到9km／s的速度增量。

综合考虑，小行星89136（2001US16）和65717（1993BX3）物理特性信息较全，较大的星体尺寸和具备的潜在危胁均表明其具有一定探测价值，任务所需Δv约为9km／s。经初步计算，采用50吨级的超大型火箭需近8～10次以上的发射任务，而采用重型火箭最少需要4次发射任务。

表3 第二类候选星部分轨道设计结果Table 3 Trajectory calculation results of part of 2nd category candidate asteroids

3．3 第三类约束条件

第三类候选星可作为未来中长期深空探测规划参考。同理，可根据选星原则得到第三类约束条件和优选条件：

（1）自转周期不小于10h（含未知）；

（2）选择已编号且有探测记录的小行星；

（3）e＜0．5；

（4）0．5AU＜a＜1．5AU；

（5）3°＜i＜5°；

（6）发射窗口拟定于2020—2050年间；

（7）优先选择潜在威胁小行星（PHA）；

（8）优先选择光谱类型为S、C、X 型的小行星（含未知）。

根据第三类约束条件可得到满足条件的小行星229颗，根据优选条件进一步优选，得到第三类候选星共35颗。选星结果及小行星分布如图5所示。

图5 第三类候选星分布Fig．5 Distribution of 3rd category candidate asteroids

第三类候选星的轨道倾角3°～5°，相对较大，所以需要耗费更多的燃料用于消除轨道倾角带来的偏差，任务所需Δv同比第二类候选星约增加1～2km／s，若采用重型火箭其发射任务约增加1～2次，在未来中长期具备载人探测的可能性。值得一提的是，小行星99942Apophis在2029年和2036年将与地球两次亲密接触，其中2029年4月进入地球引力影响球范围，虽然国外已有针对这颗小行星的轨道和飞行方案设计［9］，但未考虑小行星进入地球影响球后，仅通过地球轨道飞行与其交会并返回的方案，此时飞行时间T可以大幅缩短至数天，未来可利用这一特性对其进行载人探测。

4 启示与建议

本文基于上述选星结果和轨道设计结果，提出以下几方面建议。

（1）第一类候选星探测技术难度最小，仅采用超大型火箭发射，通过LEO 交会对接，即可具备对其进行载人探测的能力；但是，第一类候选星的科学探测价值较低，且其直径较小，自转周期不明，需要进一步探测，了解其自转周期等物理特性，并进行载人安全性分析和可行性论证；也可择机发射无人探测器，以验证载人探测所需的关键技术。

（2）第二类候选星探测技术难度略大于第一类候选星，采用超大型火箭难以实施探测任务，而采用重型火箭则可具备对大部分第二类目标星进行载人探测的能力；但是，第二类目标星具备一定的科学探测价值。考虑到部分小行星自转周期不明，因此需要进一步探测，了解其自转周期等物理特性，进行安全性分析和可行性论证；

（3）表3中小行星轨道参数及物理特性明确，满足载人探测安全性要求，且具备一定的科学探测价值，根据轨道计算结果，小行星89136和65717任务所需Δv较小，探测技术难度相对较低，可根据航天技术发展情况和需要，考虑择机进行载人探测。

（4）第三类候选星探测技术难度大于前两类，采用重型火箭仅具备对其中部分目标星进行载人探测的能力，需根据中长期的航天技术发展情况和需要，考虑是否进行载人探测。由于第一类、第二类候选星中自转周期明确且满足安全性的小行星较少，当无合适发射窗口，可考虑第三类作为备选星。

（5）小行星99942 Apophis，其运行轨道特殊，预计将于2029年4月飞入地球引力影响球。此时，探测器仅通过地球轨道飞行即可实现该小行星的载人探测任务，其飞行时间可以大幅缩短至数天。可考虑利用该窗口对其开展载人探测。

（References）

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［7］Landis R R，Korsmeyer D J，Abell P A，et al．A piloted orion flight to a near-Earth object：A feasibility study，AIAA 2007-6168［C］／／AIAA SPACE 2007 Conference＆Exposition．Washington：AIAA，2007

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Xu Weibiao，Zhao Haibin．Deep space exploration of asteroids：The science perspectives［J］．Advances in Earth Science，2005，20（11）：31-38（in Chinese）

［9］Sam W，Dan Z，Bong W．Preliminary design of a crewed mission to asteroid apophis in 2029-2036，AIAA 2010-8374［R］．Washington：AIAA，2010