世界掀起小行星探测新高潮

世界掀起小行星探测新高潮

近些年，美日竞相发射小行星探测器，并已取得了显著成就。另外，美国新成立的两家民间公司准备开采小行星上的宝藏，越来越多的国家或机构开始研究如何防止近地小行星撞击地球的方案。2013年4月，美国政府宣布了一个大胆设想：捕获小行星并拖至月球轨道，进而载人登陆小行星，然后把小行星用作载人登火星的中转站。所以，小行星探测十分值得关注。2013年10月25日，太空探险家协会（由各国航天员组成）在纽约召开记者招待会，呼吁国际社会合作，防范小行星撞击地球。

1 意义重大

随着科学技术的发展，人类越来越认识到探测、开发小行星具有重要意义。

一是因为小行星是太阳系形成时残留下来的初始物质，保存了太阳系形成时的大量珍贵信息，因此探测小行星能认识太阳系的最初物质组成，更好地研究太阳系的形成和演化。

二是利用小行星能测定行星质量，因为当某颗小行星接近大行星时，大行星对它的摄动作用必然影响其轨道，所以从其轨道的微小变化中可以算出行星的实际质量。

三是小行星可能蕴藏着丰富的燃油和贵重金属等矿产资源，开发它们能大大缓解地球上因原材料日益匮乏而导致的全球性通货膨胀，以及由此引发的国家之间的紧张和矛盾。

四是研究近地小行星，可以为地球自身的安全做好预测和防范，寻找到防止近地小行星撞击地球的技术和方法。

五是小行星也能作为载人登火星的中转站，成为深入探索太空的基石。

美国已准备在2025年以前载人探测、登陆小行星，为2035年载人登陆火星做准备。

准备发射的美国“尼尔”小行星探测器

日本隼鸟－1密封舱成功着陆地球时的状况

2 竞相探测

美国“尼尔”率先出击

1996年2月17日，美国德尔他－2火箭发射了世界首个小行星探测器“尼尔”（NEAR，又称“近地小行星交会”）。其质量为805kg，于2000年2月14日进入爱神星（Eros）轨道，这是航天器首次成功进入围绕小行星运行的轨道。

“尼尔”上带有相机、激光测距仪和无线电科学实验设备等6台探测仪器，用于确定爱神星的尺寸、质量、密度、磁场及岩石成分。2001年2月12日，在探测任务结束之际，“尼尔”首次以硬着陆的方式降落到爱神星的表面，结束了长达5年的富有成果的太空之旅。在5年的太空活动中，“尼尔”飞行了3.2×109km，其中绕爱神星飞行了1年，共拍摄了16万幅图片，搜集了比科学家原先计划还多10倍的数据，大大超过了原来的预期。

日本“隼鸟”排除万难

2003年5月9日，日本发射隼鸟－1（Hayabusa－1）小行星探测器。它用于探测位于地球和火星之间距离地球3×108km的糸川小行星，并采集样本带回地球供科学家研究。

2005年9月12日，隼鸟－1飞抵离糸川小行星20km高的预定轨道。它用自身携带的X射线和红外探测仪观测了糸川小行星表面情况，收集其成分和地形数据。10月，隼鸟－1降低轨道高度，从10km之内对其进行观测。

2005年11月12日，隼鸟－1在距离小行星表面55m高的地方向糸川小行星表面投放了所携带的“智慧女神”（MINERVA）子探测器，以采集糸川小行星表面数据，但因故障，“智慧女神”子探测器失灵了。

不过，2005年11月20日和26日，隼鸟－1先后2次在糸川小行星表面短时间着陆，采集其表面的岩石样本。它是通过着陆产生的撞击，吸入飞溅起来的碎石。

隼鸟－1原本定于2005年12月返航，2007年6月回到地球，但由于出现了故障，所以一直到2010年6月13日才降落在澳大利亚南部的沙漠地带。

2007年9月27日，美国发射了首个用离子推进技术完成实用型科学探测任务的“黎明”（Dawn）小行星探测器，用于在2011年和2015年先后探测火星和木星间的小行星带中最大的2颗小行星—谷神星（Ceres）和灶神星（Vesta）。利用“黎明”小行星探测器上的同一套科学仪器探测2个不同目标，便于科学家将2套探测数据进行准确的对比分析。

“黎明”小行星探测器是第1个在太阳系中环绕2个分离目标轨道的空间探测器，装有3台离子推进器，从地球起飞时使用了发射成本较低的火箭。由于离子推进器有加速时间长、可取得较大的速度变化和便于控制等优点，所以“黎明”小行星探测器灵活性较大，发射窗口较长。

2011年7月15日，“黎明”小行星探测器进入灶神星轨道，成为首个对小行星带中的小行星进行探测的空间探测器，并于8月11日正式开始了对这颗巨型岩质小行星的探测任务，对灶神星拍摄了多角度图片，帮助科学家绘制灶神星地形图并开展相关研究。2012年9月5日，“黎明”小行星探测器离开灶神星轨道，向谷神星飞去，预计在2015年抵达目的地。

探测灶神星和谷神星的美国“黎明”小行星探测器示意图

中国嫦蛾-2发挥余热

2012年6月1日，已在日地L2点开展了10个月科学探测的嫦娥－2探测器成功变轨，进入飞往小行星的轨道。

2012年12月13日，嫦娥－2在距地球约7×106km的深空与图塔蒂斯（Toutatis）小行星交会。它们交会时的相对距离约3.2km，相对速度10.73km/s，并用星载监视相机对该小行星进行了光学成像，这不仅是我国首次实现对小行星的飞越探测，也是国际上首次实现对图塔蒂斯近距离探测。此前，图塔蒂斯运行轨道参数主要来自国际上公布的数据，具有不确定性，精确预测轨道是嫦娥－2再拓展任务能否成功的关键。我国集中国内多台光学天文望远镜进行小行星测轨，提高了测量精度，测算出“中国版本”的图塔蒂斯小行星轨道，为与卫星交会飞行轨道设计提供了重要依据。图塔蒂斯因运行时与地球距离近，被美国航空航天局（NASA）列入“潜在危险小行星名单”。其形状及自转都极具特点，对其开展研究还有助于了解小行星在早期太阳系的碰撞演化的重要科学信息。嫦娥－2对图塔蒂斯小行星的探测，使我国成为继美国、欧洲航天局（ESA）和日本之后，第4个探测小行星的国家。在实现“轨道测得准、卫星控得住、图像拍得好”的工程目标后，嫦娥－2工程完美收官。嫦娥－2再拓展试验的成功实施，突破并验证了卫星对小天体探测的轨道设计与飞行控制技术，实现了我国航天飞行从4×105～7×106km以远的跨越；为嫦娥－3任务新建成的喀什35m、佳木斯66m大型深空站和上海65m甚长基线干涉测量（VLBI）站提供了最佳合作目标，进行空间测试和标校试验，验证了天地测控设备的正确性和协调性；我国第一次综合利用光学天文望远镜实现对图塔蒂斯小行星的飞行轨道精确测定，进一步验证并完善了国际天文联合会对的轨道观测数据；开辟了我国航天活动一次发射开展月球、L2点、小行星等多目标、多任务探测的先河。这些都为我国未来开展月球以远的深空探测积累了宝贵的工程经验。飞越小行星后，嫦娥－2正向更远的深空飞行，2014年2月达到7×107km。

美国“奥西里斯-风化层探测者”探测器

未来研制发射计划

由于隼鸟－1大难不死获得成功，大大鼓舞了日本的航天事业。现在，日本已计划在2014年发射隼鸟－2小行星探测器，它将于2020年登陆1999JU3小行星，然后借助机械臂采集1999ju3小行星上的岩石样本，最终返回地球。

2016年，美国将发射“奥西里斯-风化层探测者”（OSIRIS-REX）探测器，它可增进对近地小行星的基本科学了解，研究小行星的物质，测绘1999RQ36小行星的整体特性，测量非引力作用力，并提供观测数据以供与地面望远镜观测作比较，并于2023年携带至少60g的1999RQ36小行星表面物质返回地球。

2017年1月，美国由宇宙神－5火箭将发射“埃莫”（Amor）近地小行星探测器。它将与一个由3颗小行星组成的2001SN263小行星系统进行交会、着陆和探测，用于对未来载人小行星探测计划提供至关重要的实际考察数据。

3 开采计划

天文学家已发现了9500颗近地小行星，并且每年还新发现约1000颗近地小行星。而这些近地小行星几乎全都含有水，其中不少还有许多镍、铂、金等贵重金属。

小行星的矿藏

初步观测和探测表明，小行星可能蕴藏着丰富的燃油和贵重金属等矿产资源。比如：162385（2000BM19）小行星价值3.44万亿美元；4034Vishnu小行星价值2.51万亿美元；65679（1989 UQ）小行星价值1.77万亿美元；7753（1988XB）小行星价值1.38万亿美元；3200Phaethon小行星价值8700亿美元。值得一提的是241Germania小行星上存在价值达95.8万亿美元的矿产，几乎与整个世界的国内生产总值（GDP）相当。

此外，小行星可作为载人登火星或其他行星的中转站，成为深入探索太空的基石。因为其上有丰富的水资源，它可以直接用于航天员或分解成氧和氢，供航天员呼吸和星际飞船的燃料使用，大幅降低人类太空飞行的费用，帮助人类探索更遥远的太空世界。

总之，开采小行星将使人类在太阳系中走得更远。为此，2012年、2013年，美国先后成立了两家准备到小行星采矿的民间公司，不过这两家公司采用的策略和方法稍有不同。

行星资源公司

2012年4月24日，由谷歌公司联合创始人佩奇和执行董事会主席施密特联合著名导演卡梅隆及其他投资者，共同成立了一家颇具雄心的太空探索和自然资源开发公司—行星资源公司。

美国行星资源公司计划先明确所要开发的小行星，基本要求是距离近、资源多。为此，将建造一系列空间探测器。首先，用该公司的集结探矿者－100（Arkyd－100）系列探测器对近地轨道小行星进行普查，然后根据这些近地小行星远近和成分进行分类。对于离地球较远的小行星用集结探矿者－200、300系列探测器进行近距离考察。最后，在综合分析的基础上实施开采活动。

美国行星资源公司拟研制的集结探矿者－100探测器示意图

美国深空工业公司的“萤火虫”探测器

美国采用“微重力铸造”技术生产的零件

深空工业公司

2013年1月22日，美国新成立的深空工业公司宣布，将在2015年发射质量约25kg的“萤火虫”（FireFly）探测器，用于寻找距地球小于4.83×108km的小行星上的资源；在2016年发射质量约31.75kg的“蜻蜓”（DragonFlies）探测器，用于从选定的小行星上运回采集样本到地球，供科学家进行详细分析，确认小行星上矿物是否具有足够价值并确定下一步探测目标。

该公司已拥有一项专利技术—“微重力铸造”，即用3D打印机将小行星的原材料转化成复合金属零件，以替换破损的零部件。

开采小行星是在“烧钱”吗？

不过，有很多人认为开采小行星矿藏是在“烧钱”，成本太高，得不偿失。对此，美国行星资源公司一位负责人表示，该公司把降低铂金价格视为一个潜在目标，以便使它的价格下跌20%～50%。美国行星资源公司首先要开发新技术，以降低太空探索成本至现行费用的1/10～1/100。

美国行星资源公司创办人安德森说，以小行星为开采对象是成熟理论，因为小行星质量小、重力小、有水几率高，可降低飞行器摆脱重力的能量耗用和往返燃料成本。该公司需要寻找一颗“测试行星”，以证明太空采矿是可行并且经济的。美国航空航天局也认同这一思路并表示，随着技术的进步和自然资源的减少，太空采矿在21世纪晚些时候可能将变得有利可图。该局希望至少能从小行星上采集60g的样品，如果计划顺利将采集2kg，未来5～10年内将看到小行星采矿服务业的兴起。

4 预防小行星撞地方案

2013年2月15日，直径17m、质量达1×104t的陨石（这是自1908年以来坠落地球的最大陨石），以18km/s的速度撞向地球，坠落在俄罗斯车里雅宾斯克州，爆炸当量相当于4.7×105t的三硝基甲苯（TNT）烈性炸药，空中爆炸的威力为广岛原子弹的30倍，陨石爆炸产生的冲击波到达地面后，击碎了无数居民家里的玻璃，导致当地近1200人受伤。

小行星撞击地球示意图

多次威胁地球

历史上曾发生过多次小行星撞地球的事件。例如，2008年，一颗直径只有几米的小行星坠落到了苏丹，碎片散落到了努比亚沙漠。2012年1月27日，曾有一颗公共汽车大小的小行星（2012 BX34）在距离地球6×104km飞过。2013年2月16日，体积相当于白宫（直径约45m）的小行星2012DA14近距离与地球“擦肩而过”，当时它正飞行于印度尼西亚上空，距离地球仅约2.7×104km。这一距离已低于地球同步卫星的轨道高度，列20颗最接近地球的小行星之首。

尽管这些小行星没有对地球造成威胁，但它们再次向地球人敲响了警钟，要加速研究如何防止近地小行星撞击地球的方法和技术了，因为小行星撞击地球是世界上四大突发巨大灾难之一，早晚有一天会撞击地球。美国航空航天局最近公布的一份高精度“潜在危险小行星”图显示，到2013年早些时候为止，对地球构成潜在威胁的小行星超过1400颗。

小行星撞击地球可使人类遭受灭顶之灾。科学家估计，如果有小行星撞向地球，即使是一颗直径仅200m的小行星，就足以毁灭地球上的一个国家。所以，许多国家都在研究应对方法，并取得不同程度的进展。

美国目前主要用PS1天文望远镜负责监视地球附近直径300m～1km的小行星。该天文望远镜每隔30s就会对36个月球大小的天空范围拍摄一张1400M像素的照片。每天收集的数据足以装满1000张DVD，而每张照片都可以打印成一张足以覆盖半个篮球场的300dpi图片。

2013年2月，美国夏威夷大学的研究小组提出了一项更便宜、更简单的系统，名为“小行星陆地影响警报系统”。它是由8个望远镜组成，每一个都装配有非常强大的相机，预计于2015年开始建造，有非常高的敏感性，相当于从美国旧金山观测到纽约发出的一道火柴光芒。

2013年2月，美国加州大学圣巴巴拉分校教授鲁宾及其科研团队发布一套应对天体威胁的方案，原理是把太阳能转化成具有破坏力的激光束，用于偏转或蒸发那些对地球构成威胁的小行星。他们构想了一套名叫“定向太阳能小行星瞄准与探测系统”的系统，它是能从1.5×104km之外可使小行星气化的激光阵列，这些激光器同时发射，足以摧毁一颗小行星，或至少使小行星改变路线。

美国研制的“双小行星重定向测试”飞行器示意图

俄罗斯研究进展

俄罗斯行星保护中心领导人扎伊采夫表示，如果有充分的资金保障，俄罗斯目前的技术条件完全能够在5年内建成行星保护系统来保护地球免遭小行星的袭击。该中心打算建立一个名为“行星保护系统快速反应梯队”的地球保护盾牌，该反应梯队由多枚宇宙观测航天器、侦察卫星和太空拦截航天器构成，当观测航天器观测到危险天体时，马上把信号传输给侦察卫星，并由侦察卫星全天候对危险天体进行全程跟踪监测。太空拦截航天器负责摧毁小行星或改变小行星运行轨道。

2013年2月18日，俄罗斯科学院天文学研究所高级研究员雷赫洛娃说，俄罗斯打算建造新型天文望远镜来预防包括陨石坠落在内的太空威胁。目前，俄罗斯专家正在制订为期10年的联邦专项计划来应对包括陨石坠落在内的太空威胁。根据该计划，俄罗斯将对现有的反射镜口径在1m之内的天文望远镜进行清点和更新，然后建造2～3台反射镜口径为2m的现代化大型望远镜。对于2013年2月15日在车里雅宾斯克州上空发现一颗坠落的陨石，俄罗斯紧急情况部表示，由于陨石太小，俄罗斯未能预测到它的坠落。

欧洲研制的“小行星撞击监视器”示意图

发射人造物体撞击近地小行星，使其改变轨道示意图

欧洲研究进展

目前，欧洲拟在8年内建造预防小行星撞击地球的“近地轨道防护盾”，旨在通过导弹炸毁、引力牵引和主动碰撞等多种手段，防范近地小行星撞击地球。该计划有望在2020年以前正式实施。已有的核弹炸毁、引力牵引和主动碰撞等想法尚不成熟。

据2013年1月国外报道，美国和欧洲正计划共同实施一个名为“小行星撞击和偏离评估”的项目，其核心理念是发射2个小型太空飞行器去拦截65803号小行星Didymos。这颗近地小行星还拥有一颗小卫星，它们预计将在2022年掠过地球附近。美国研制的“双小行星重定向测试”飞行器将撞击这颗小行星的卫星，让其偏离原有轨道；欧洲航天局研制的“小行星撞击监视器”将对整个撞击经过开展监视。

多种研究方案

至今，已有多种防止小行星撞击地球的方案。例如，①用核武器炸毁可能撞击地球的近地小行星；②发射导弹或航天器猛烈撞击近地小行星，用机械力使其改变轨道；③用太空镜群或激光所产生的能量把近地小行星推往新的轨道；④发射引力航天器靠近对地球有威胁的近地小行星，然后通过自身引力使该小行星脱离原来的轨道；⑤用质量巨大的绳索套住近地小行星，采用改变其重心的方式来改变小行星的轨道；⑥让航天器登陆小行星，并且使用电马达逐渐改变小行星的轨迹；⑦给小行星上安装“太阳帆”或一台大型火箭发动机，把它从地球的轨道上推开；⑧给小行星涂油漆上色，如果将小行星的一部分漆成白色，那么这一部分将会“感受”到更强烈一些的太阳活动辐射，这种受力不均就会产生一股极其微弱的推力，将小行星逐渐轻柔地推离撞击轨道；⑨机器人吞食，发射一批核动力驱动的机器人前往小行星表面，一旦着陆之后它们就会开始“吞食”小行星表面岩石，然后将吞下的岩石使用电磁炮技术高速弹射进入空间。

不过，这些方案设想各有利弊，究竟哪种最好目前还没有定论。就目前的技术水平而言，通过发射物体撞击小行星以使其偏离轨道绝对是有可能做到的。研究表明，未来的太空激光技术可能用于探测威胁地球安全的小行星，并能够使小行星偏移轨道。美籍华裔航天员卢杰等推出的“重力拖车”方案是以柔克刚，其中小行星拖曳飞船只需要盘旋在小行星表面，利用重力作用充当飞行器无形的拖链，逐渐改变小行星的飞行速度，日积月累，来改变小行星的运行轨道。

使用激光或者巨大的镜子对小行星能量进行聚焦，汽化掉行星部分体积以使其偏离轨道示意图

5 载人探测

美国航空航天局原计划在2025年实施载人登陆小行星计划，对小行星进行实地考察，以便未来把小行星作为载人登陆火星中转站，为2035年载人登陆火星做技术准备。不过，载人登陆小行星的计划可能提前。

“捕获小行星”示意图

捕获小行星

2013年4月，美国航空航天局向白宫提交了一份“捕捉小行星”计划，计划捕捉一颗小行星，并把其带入近月轨道。其目的是减少航天员登陆小行星的风险和费用，并有利于今后开发小行星、防止小行星撞击地球等。如果该计划得到批准，它将成为有史以来第一个被人类移动的天体。

理想的捕捉目标是一颗中等大小的小行星，直径7～10m左右、质量约500t，并且这颗小行星上需要有100t水、100t富碳化合物、90t金属和200t硅酸盐。捕获如此大小的小行星对地球没有威胁，即便最终小行星失控冲向地球，这种大小的小行星将在大气层中烧毁，不会对地面构成危害。

“捕捉小行星”计划将耗时10年完成，具体过程是：用宇宙神－5火箭发射一个慢速飞行的特制“小行星捕获舱”，它使用太阳能电动推进系统自行飞行前往预定的小行星，在该捕获舱在接近目标时会释放出一个直径约15.2m的袋子，用其套住小行星，随后捕获舱开启推进器，利用大约300kg推力推离原有轨道向着月球飞行。如果一切顺利，它将花费6～10年时间将这颗小行星推入月球轨道。“捕获小行星”行动将在2018年进行，而美国航天员将于2021年4月造访这颗被拖拽到月球轨道的小行星，将携带小行星碎片返回地球。

这项计划的可行性由3个关键要素决定：首先要能找到一颗满足质量、大小等条件的近地小行星；其次还要准备一套足够强大的太阳能电动推进系统，能够将小行星带离原有轨道；最后要能在2021年安排航天员登上一颗小行星。

捕捉一颗小行星置于月球轨道可以一举多得：为更多的研究提供便利；方便开采小行星上的矿藏；掌握防止小行星撞击地球的技术；作为载人登火星的中转站。

不过，捕获小行星并将其拖拽到月球附近将面临严峻挑战。比如，在浩瀚的深空中辨认出一颗直径7m的目标小行星并非易事；目标小行星会自转，探测器把它捕获后应让其停止转动，然后才谈得上成功拖拽；装上小行星后，“小行星捕获舱”的质量势必增加，使推进、导航等任务的难度增大。

美国载人登陆小行星示意图

2013年7月10日，美国航空航天局局长博尔登同日本宇宙航空研究开发机构理事长奥村直树在华盛顿举行会谈，博尔登希望日本协助美国进行捕获完整小行星的计划。日本表示同意，具体合作内容有待后续沟通。日本于2010年发射隼鸟－1探测器并将小行星微粒子带回地球，美国对此技术表示高度赞扬。

为2014财年做准备，美国航空航天局于2013年7月30日召开了小行星任务制定评审会，审议了小行星捕获任务各个阶段的多个概念提议。该评审会还评估了任务的技术和纲领层面的事宜。除此之外，官员们还讨论了近期收到的来自工业界、大学和公众等机构和人员提出的关于小行星计划的400多个反馈意见。任务制定评审会结束后，将把得分最高的概念融入到小行星计划基础概念里，这个概念将会在2014财年进一步完善优化。

不过，美国共和党控制的众议院科学委员会在2013年7月份就阻止了“捕获小行星”的议案进行投票，结果22名共和党议员赞成，17名民主党议员反对，因此该计划暂缓。该科学委员会为美国航空航天局设计了今后3年的路线图，将“捕获小行星”计划搁置一边，并要求将航天员重新送上月球，然后目标瞄准火星。共和党众议员帕拉佐称“捕获小行星”计划代价高、复杂、分散精力。也有议员抱怨说，该计划似乎靠不住，表述不清，不会像重返月球那样提升美国吹牛的权利。该议案尚待众议院全体投票表决。目前，美国航空航天局及其火箭科学家们正考虑该怎么办。有研究报告估计，捕获小行星并使之改变运行轨道将耗资26亿美元。而喷气推进实验室最新的分析认为，这一计划只需要花费10多亿美元。

洛马公司的“移民石”计划

美国洛马公司已提出了一个名叫“移民石”（Plymouthrock）的载人登小行星计划，很值得借鉴。它用载2名航天员的双“猎户座”（CEV）载人飞船登陆近地小行星，然后出舱对土壤和岩石进行取样，最终回到地球后进行深入分析，往返耗时6个月。

洛马公司通过研究认为，采用对接在一起的2艘改进型飞船可以完成载人登小行星。这2艘飞船同时发射，其中1艘是载人的主飞船，另1艘携带绝大部分的消费品，包括推进剂和生命保障供应的无人副飞船，它们在近地轨道进行头对头对接。1艘“猎户座”飞船不具备足够的生存空间、生命保障供给和满足任务要求的推力。2艘“猎户座”飞船可以容纳2名航天员，并有足够的推力到达最近的小行星。

在到达小行星上空时，1名航天员将穿舱外航天服出舱，并通过载人机动装置漂浮到小行星上采集样本，用科学仪器进行实验，另1名航天员留在舱内进行指挥。航天员至少可以在小行星附近地带停留5天时间。任务完成后，出舱航天员回到载人的主飞船，然后主副飞船分离，载人的主飞船发动机点火返回地球，无人的副飞船继续进行小行星的科学观测，例如精确轨道跟踪、引力和辐射环境测量，以补充乘员访问期间没有充足的时间完成延长的任务。采用2艘飞船对接的方案可以节省下大量的时间和成本。

洛马公司的“移民石”计划很可能是为载人登小行星的探路者，具有抛砖引玉的重要作用。

把航天员送上某颗小行星将面临重重挑战和风险，但寻找目标是关键，必须全面了解小行星，它可以大大降低任务和人员面临的风险。往返小行星需要很长时间，这是一大挑战，所以还需要解决心理、辐射和没有实时通信等问题。

司马/文