我国小行星探测发展思路及关键技术探讨

朱恩涌 孙国江 果琳丽 左光 陈冲

（中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

随着深空探测技术的发展，小行星探测已成为21世纪深空探测的重要内容之一。小行星探测不仅有助于揭开太阳系和生命的起源、演化之谜，而且可促进地球防护、空间科学和空间技术应用的发展，能为更远的深空探测关键技术提供验证。近年来世界范围内掀起了小行星探测的热潮，多个国家和组织提出了发展规划，如美国的赫拉（Hera）计划、欧洲航天局的“马可波罗”（Marco Polo）太空探测计划，日本的隼鸟-2小行星探测任务等。各主要航天国家都十分重视深空探测战略的制定工作，从战略高度明确了各自的发展方向和重点，美国更是于2010年提出了载人登陆小行星的计划。由于小行星探测，尤其是载人小行星探测，技术难度高、规模大、系统复杂、涉及领域广，它不仅依赖于先进的技术水平，而且需要雄厚的经济实力相支持。目前，已成功开展或正在实施小行星探测任务的国家和组织有美国、欧洲和日本。

2 国外小行星探测发展状况、技术特点及趋势

2．1 国外小行星探测发展状况

美国是世界上最早开展小行星探测的国家。在1991和1993年，美国的伽利略（Galileo）计划在前往探测木星的途中就探测了小行星Gaspra 和Ida［1］，近距离探测了两个小行星的大小、形状和陨击坑特征等。美国正在实施的“发现”计划，以通过探测太阳系的小行星来增强对太阳系的了解，并以为未来大型探索任务提供基本的参考数据为主要目标，目前已成功发射了“近地小行星交会”探测器（NEAR）和黎明号（Dawn）两个小行星探测器［2-3］。其中“近地小行星交会”是第一个专用的近地小行星探测器，也是第一个在小行星上降落的航天器。黎明号是NASA 第一个以科学探测为目标的探测器。美国的另一个小行星探测器深空1号［4］主要是进行技术试验，同时也对目标小行星进行了飞掠探测，为新技术的演示验证与近地天体探测任务的有机结合探索出一条最佳途径。2010年美国提出太空探索新政策，计划于2025年实现人类首次登陆小行星，这样可以快速、经济地实现地月系以外的载人探索。NASA目前已经确定了几个候选目标，并且不排除在一次飞行中登陆多个小行星的可能。［5］

日本2003年成功发射隼鸟号（MUSES-C）小行星探测器。该探测器完成了地球借力飞行、在轨与小行星“糸川”交会、着陆和采样等任务，并安全返回地球，是世界上首个实现对小行星取样返回的航天器。［6］

欧洲罗塞塔号（Rosetta）探测器于2004 年发射，成功近距离飞掠目标小行星“斯坦斯”，对该小行星进行了全方位的观测。按照计划，罗塞塔号探测器还将近距离飞掠探测另一颗小行星“鲁特蒂亚”。［7］

表1总结了国外部分小行星探测器发射时间、技术特点［2-4，6-7］。世界各国正在规划的小行星探测计划见表2［8-13］。

表1 部分小行星探测器Table 1 Part of asteroid probes

表2 世界各国正在规划的小行星探测计划Table 2 Asteroid exploration program being planned by foreign countries

2．2 国外小行星探测发展趋势和特点

从已实现的小行星探测计划和各国的规划中可以看出，小行星探测呈现出以下特点和趋势。

（1）小行星探测已从飞越和伴飞探测发展到表面软着陆和采样返回探测。在小行星探测早期，由于技术原因，尚不能完成小行星表面着陆及返回探测，只能是进行飞越和伴飞探测。但由于软着陆和采样返回探测能取得更大的科学探测成果，随着技术的发展，逐步实现了表面软着陆和采样返回。除隼鸟号外，正在规划中的小行星探测任务也有多个需要采样返回。

（2）通常一次飞行任务进行多目标探测。为了使探测任务价值最大化，小行星探测通常探测多个目标小行星。有的通过精心设计飞行轨道，使得探测器能够对多个小行星进行探测，或者是在其它探测任务时，在途中探测一个或多个目标小行星。

（3）从无人探测向载人探测发展。小行星探测由于周期长，所需轨道转移能力要求高，载人探测将面临诸多困难，因此各国都是首先开展无人小行星探测。2010年美国提出载人登陆小行星计划，预示着人类正朝载人小行星探测的方向迈进。

（4）小行星探测任务与新技术的演示验证相结合。小行星探测为新技术的验证提供了良好的平台。与新技术的演示验证相结合，小行星探测能兼顾更多技术目标，为后续的深空探测奠定技术基础。因此不论美国、日本还是欧洲都注重新技术的验证，即便是某些时候牺牲了部分科学探测价值。

3 我国小行星探测发展规划、思路和关键技术建议

结合我国的实际情况，参考国外小行星探测的发展状况，对我国开展小行星探测提出如下发展规划、思路和关键技术建议。

3．1 我国小行星探测的初步规划

在我国实施无人月球探测的同时，应积极准备实施无人小行星探测。在无人小行星探测成功后，再逐步实施载人小行星探测。具体可以划分为4个阶段。

（1）准备阶段。选择合适的小行星为目标，继承探月工程取得的技术成果，制定科学目标和任务，研制科学探测设备，开展小行星探测关键技术地面试验。

（2）无人小行星探测阶段。研制小行星探测器，选择合适的发射窗口，采用小推力转移轨道，进行伴飞探测，同时验证新技术。开展离子发动机技术、小推力轨道转移技术，以及深空自主管理技术等试验。

（3）机器人登陆，取样返回阶段。选择质量较大的小行星作为探测目标；采用钻取和机械臂相结合的方式取样。探测器释放搭载的小型机器人，进行长期探测分析。最终掌握深空环境和目标小行星的地理特征，为载人登陆小行星做好准备。

（4）载人小行星探测阶段。研制重型运载火箭，通过多次发射，在地球轨道交会对接完成飞行器的组装，最后实现载人登陆小行星进行相关科学考察。

3．2 我国无人小行星探测发展思路

探月二期、三期工程的实施将为我国开展无人小行星探测任务奠定良好的技术基础。在开展无人小行星探测任务时应提前规划，采用继承与创新相结合的原则，根据我国国情控制任务规模，同时开展相关新技术验证。

（1）选择合适的目标小行星。小行星的交会任务通常对资金和技术的要求很高，因此在进行探测目标选择时，通常要求被选目标尽可能的兼具重要的科学价值和技术上的可实现性。理想的目标小行星直径应至少达到数百米，自转周期至少要大于10h，而且有撞击地球的危险。由于已编号小行星的轨道相对准确，便于进行探测任务分析与设计，也便于进行多目标探测的优化，因此优先选择已编号近地小行星。

（2）充分继承探月工程所取得的科技成果。在我国现有航天技术水平基础上，以嫦娥探月卫星平台为基础，研制小行星探测器，利用长征三号系列运载火箭将小行星探测器送入地球-小行星转移轨道。

（3）采用多目标、多任务的探测实施方式。结合未来我国的火星探测计划，选择合适的发射窗口发射，可以采用复合飞行器，即探测器为包含两个及以上飞行器的组合体，分别对火星和目标小行星进行探测。由于近地小行星与地球的距离比火星近，在地球-火星转移轨道途中小行星探测器与火星探测器分离，之后火星探测器继续飞往火星，最后进入环火星轨道。小行星探测器则飞往目标小行星，进行绕飞或伴飞探测。

（4）应用X 频段测控通信系统。嫦娥二号探月卫星对X 频段测控通信系统进行了有效验证。我国发射小行星探测器，将采用X 频段统一测控体制，数据格式符合CCSDS国际标准。

（5）采用行星借力技术。行星借力技术是国外小行星探测的常用技术，利用行星借力技术可以有效降低探测器对运载的需求，整个任务的经费较少。目前我国还没有采用行星借力技术的先例，但从长远考虑应掌握此技术，为更远的深空探测奠定基础。

（6）使用电推进系统。从地球至小行星轨道转移和接近制动的过程中，需要至几千米每秒（甚至更高）的速度增量。使用高效电推进技术，可成倍地降低探测器携带燃料的重量，将更多的有效载荷送入轨道。电推进器可连续工作几十天甚至几年，通过长期的连续加速，探测器仍然可以获得很高的速度。

3．3 我国小行星探测的关键技术

由于飞行距离遥远，探测目标的特殊性，小行星探测器所需的技术要求有别于地球卫星和月球探测器，所需的技术要求更高，难度更大。我国小行星探测面临的技术难题主要有以下5项。

（1）轨道设计

小行星探测器的运行轨道可分为绕飞或伴飞轨道和转移轨道。由于目标小行星质量相对很小，即使探测器接近的距离足够小，也难以被小行星捕获，而是和小行星处于一种共同绕日运行的“伴飞”状态。对于质量稍大的目标小行星，由于绝大多数小行星形状不规则、引力较弱且引力场分布不均匀、自转速度较快且自转轴不固定，使得绕飞探测轨道动力学问题存在较强的非线性，从而导致绕飞轨道的设计与分析非常困难。转移轨道的设计与优化无疑也是一项重要的技术。小推力转移轨道可以有效节省探测器燃料，但其最优控制问题是其中的一个难点。国外无人小行星探测已成功运用该项技术，如“罗塞塔”探测任务。对于载人小行星探测，则采用直接转移轨道更为有利，但对运载技术又提出了更高的要求。对于多目标探测，轨道设计更是需要反复进行分析和优化设计。

（2）自主取样技术

探测器取样时必须附着在小行星表面或与之相对固定。但是小行星的表面重力很小，探测器与小行星表面若刚性连接，取样时产生的冲击力会对探测器产生不良影响，若是柔性连接，又对取样设备提出了考验。取样机构须适应其微重力条件工作，取样过程要防止污染，以及要求重量轻、功耗少等。除此以外，小行星组成成分的未知性使得钻孔难度提高。因此，传统的钻孔取样、挖掘取样等方法难以在取样机器人中应用，需要开发具有自主性强的采样系统。日本隼鸟号探测器采用独特的金属球撞击方式进行采样，但从回收的效果看，也不尽理想［14］。我国的探月三期工程要实现月球无人自主取样与返回，但小行星的环境与月球的差别很大，所以我国还需要研制新的自主取样系统。

（3）测控通信技术

小行星探测器完成任务的过程需要与地面保持联系，返回科学数据，交换指令和状态信息。因此测控通信系统必须确保地球与探测器间不间断地通信，实时地掌握探测器在运行过程中的真实信息，便于有效地对其进行管理和控制，完成各项预定的飞行任务。在深空通信中电波主要是在宇宙空间中传播，和地面微波通信相比，传播条件较好，但无线电波传输耗时巨大，信号微弱，数据传输速率受限，需要高的等效全向辐射功率（EIRP），存在上、下行数据传输的不对称。美国、俄罗斯、欧洲航天局都有较为完善的深空测控网。美国最大的地面站天线直径为70m，还实现了全球布站，支持飞行距离超出50AU 的旅行者2号探测任务［15］。我国嫦娥二号任务将首次验证我国新建的X 频段深空测控体制，但现有的性能指标与小行星探测的要求相比，还有一定差距。

（4）自主导航与控制技术

由于距离较远，使小行星探测器与地球之间的通信存在时间延迟，若遇到其它星体的遮挡，可能较长时间不能与地面取得联系，尤其是在探测器到达探测目标时，任务时间短，实时性要求更高。基于地面测控导航的反应速度慢，不利于突发和紧急事件的处理，尤其对于载人小行星探测将是十分危险的。另外，小行星很多参数未知或地面测定精度低，包括惯性姿态、旋转速率及惯性张量等信息需要在轨确定；小行星形状的不规则、质量分布的不均匀以及弱引力场等还会对接近小行星的轨道有较强的摄动。因此，小行星探测器必须有自主性强、精度高和鲁棒性强的导航和控制系统，如深空1号和隼鸟号探测器都具有先进的高精度自主导航系统。小行星探测器比月球探测器对导航系统自主性的要求更强，将是小行星探测必需解决的关键技术。

（5）航天员登陆活动技术

小行星表面几乎没重力，航天员若无必要防护措施登陆小行星，则很容易就会飞离小行星，更不必考虑在小行星上驾驶探测车等工具了。采用小行星表面锚定机构，可以避免航天员飘浮在空中，但由于不清楚小行星表面的坚固程度能否支撑固定航天员，因此也并不可靠。零重力还意味着航天员勘测小行星过程中形成的任何灰尘微粒都会长时间悬浮。微粒对航天服及航天员携带工具的影响也有待于进一步深入研究。目前人类还未开展载人小行星探测，但如何确保航天员安全着陆，并在小行星表面顺利实施科学探测活动，必定是其中的一个重要研究课题。

4 结束语

综上所述，国外已开展了多次无人小行星探测，并成功取回样品进行科学研究，目前正积极规划新的探测任务，甚至是载人小行星探测任务。随着我国航天事业的进展，我国若适时开展无人小行星探测，一方面可以加入国际深空探测技术领域的大家庭，取得广泛的国际合作支持与帮助；另一方面，小行星探测的成功实施，可以极大地提高我国在深空探测领域的技术水平，对地球防护和空间科学的发展具有重要意义。当前我国应深入开展小行星探测尤其是载人小行星探测的前期研究工作，对相关关键技术进行研究，以尽早实现小行星探测。

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