美国“小行星重定向任务”研究

刘映国 （中国国防科技信息中心）

美国“小行星重定向任务”研究

刘映国 （中国国防科技信息中心）

Study on U.S. Asteroid Redirect Mission

“小行星重定向任务”（ARM）是美国奥巴马政府规划的近期载人航天探索目标，由机器人阶段和载人飞行阶段两部分组成。其主要任务是无人航天器在飞越地-月空间的近地小行星上收集巨型石块，并改变该石块飞行方向进入远距离月球逆向轨道，然后由载人航天器与巨型石块交会并俘获，航天员对石块进行采样返回。“小行星重定向任务”是美国载人探索火星计划的过渡性项目，旨在为21世纪30年代载人探索火星演示验证相关技术。同时，美国政府实施该项目计划的意图还在于，弥补“国际空间站”（ISS）2024年退役后的载人飞行活动空白期，并推进载人航天飞行技术与能力创新发展，争夺世界航天发展的战略优势。

“小行星重定向任务”机器人阶段任务于2016年7月完成关键决策点B（KDP-B）里程碑评审，并由美国航空航天局（NASA）管理机构在8月15日正式批准。关键决策点B评审是任何一项航天飞行任务一系列全寿命里程碑审查计划中的关键评审，标志着整个任务向发射前进了一大步。在关键决策点B里程碑阶段，NASA确定了“小行星重定向任务”机器人阶段任务的具体内容、所需费用和计划进度，标志着该任务进入全面实施阶段。2016年11月17日，美国国家研究委员会特别任务小组发布《“小行星重定向任务”与优先小物体科学与探索目标关系》报告，提供的专家研究意见是该任务可实现数十项科学目标，并为未来载人深空探测任务提供战略知识服务。“小行星重定向任务”是美国2010年提出载人探索火星任务目标后，NASA在2013年正式提出并力推的一项短期载人航天飞行活动的第一阶段任务，既有为载人探索火星演示验证技术与能力的想法，又有保持载人航天战略优势的意图，引发了国际社会的广泛关注。2017年3月，美国特朗普政府提出终止“小行星重定向任务”，但仍将保留部分关键技术研发。

1 “小行星重定向任务”设想

NASA宣称，其正在实施一项破天荒的机器人探访近地小行星任务，将从小行星表面收集质量为数吨的巨大石块，并改变其运行方向进入围绕月球的稳定轨道。当这块巨石进入月球轨道后，由航天员对其进行探测，并在21世纪20年代实现取样返回。这个被称作“小行星重定向任务”的计划，是NASA在21世纪30年代实现载人探索火星系统对所需技术进行验证，并积累航天飞行经验工作的一部分。

按照计划设想，“小行星重定向任务”由机器人俘获小行星阶段和航天员探测重定向巨石阶段两部分任务组成。第一阶段任务计划在2020年前后发射“小行星重定向任务”机器人航天器，使用机械臂从一个小行星上俘获一块巨石，然后将小行星巨石块收拢，并由机器人航天器将其运行方向改变到围绕月球的稳定轨道上，这一轨道称作“远距离逆向轨道”。第二阶段任务是2025年前后由NASA的“航天发射系统”（SLS）运载火箭发射“猎户座”（Orion）载人飞船，运送航天员对重定向的小行星巨石进行探测并取样返回。

NASA将选择在体积与质量上便于俘获的小行星，且这种体积与质量的小行星能够在穿越地球大气层时燃尽，而不会对人类造成危害。另外，为确保进入一个稳定轨道，重定向的小行星巨石块将选择月球的远距离逆向轨道，从而能够保证它不会撞击地球。

从2013年提出小行星倡议以来，NASA的“近地目标观测项目”对由各类搜寻小组发现的1000多颗近地小行星进行了分类编目。目前，有4个近地小行星可作为“小行星重定向任务”的候选目标。科学家期望在未来几年能够搜寻到更多的此类小行星，NASA也将对这些候选小行星的速度、轨道、体积与旋转情况进行研究，以为“小行星重定向任务”确定最终的目标小行星。

“小行星重定向任务”是NASA小行星倡议工作的一部分。该倡议还包括一个“小行星挑战大赛”，目标是通过非传统的协作与合作方式，以加速NASA找出对地球具有潜在危险小行星的工作。该挑战大赛也能够帮助NASA为其“小行星重定向任务”确认候选的小行星。

2016年初，NASA将机器人任务发射日期更新为2021年12月。此次评审后，该任务的总建设费用也由12.5亿美元增加到14亿美元，这不包括发射费用和发射后运行阶段的费用。另外，“小行星重定向任务”第二阶段的载人飞行任务发射时间预定在2026年，目前仍处于早期任务方案规划阶段。

经过关键决策点B里程碑评审，NASA批准“小行星重定向任务”进入下一设计阶段，并启动机器人部分的研发工作。此次评审确定“小行星重定向任务”机器人阶段任务主要是演示相关技术，包括：①先进、高能、高效太阳能电推进技术；②低重力星体周围自主高速运行技术；③受控降落并从低重力星体携带大量物质飞离技术，演示航天员舱外活动选样、采集、储存与返回；④无人航天器与载人航天器对接任务操作技术。NASA还提出，机器人阶段任务还将演示行星防护技术，以在未来必要时能使危险的小行星偏离其运行轨道，从而为地球提供保护。

2 “小行星重定向任务”的技术贡献

NASA宣称，小行星是来自太阳系形成物的残留物质，航天员将携带更多可用于研究的样品返回地球，这将开启有关太阳系组成与地球上生命起源新的科学发现之门。同时，NASA还强调，“小行星重定向任务”将极大推进其载人探索火星的步伐，为在21世纪30年代载人探测这一“红色星球”试验提供所需能力。

通往火星的试验场

在过往的40年里，在太空飞行的航天员始终依赖来自地球的再补给与运行支持，像“阿波罗”（Apollo）飞船与航天飞机这样的载人航天器，其任务持续时间仅为数天或数周。即使是在近地轨道的“国际空间站”上，一般航天员在轨停留也只有6个月。在出现紧急情况时，空间站上的航天员几个小时就能返回地球，这些任务都被称作“地球依赖型”。

在空间站上开展的试验，将帮助人类开发出打破这种“地球依赖”束缚的方式，从而使航天员能够更自主地进入遥远的太阳系完成其探索任务。“小行星重定向任务”中的机器人任务和载人任务对小行星的探索，将在地-月空间“试验场”进一步提升这些能力。

围绕月球的深空环境与近地轨道环境大不相同，但与来往于火星的“猎户座”飞船所经历的环境则极为相似，都需要对太阳与宇宙辐射进行更严密的防护。就现有技术能力而言，来往于地-月空间的运行时间比进入近地轨道耗费时间要长，对航天员来说将需要9～11天，运送货物则需要10～100天。而来往于火星系统的载人任务可能会持续500天或更长时间，其中每次运送人员都需要6～9个月，且在火星及其卫星的火星系统中飞行与地球的关联将更少。因此，前往火星的任务将必须是“地球非依赖型”。NASA将“小行星重定向任务”定位为通往火星的试验场，通过研发和试验大量新的技术与能力，直接促进未来火星任务的实现。

太阳能电推进

使用先进的太阳能电推进技术，是未来任务中将更大载荷运送到深空和火星系统中不可或缺的技术能力。与化学推进由燃烧与喷嘴产生推力方式不同，太阳能电推进由太阳帆板阵列产生的电能形成电磁场来加速带电原子，以产生非常低的但推进效率高的推力。传统的化学推进能源推力是“小行星重定向任务”采用的太阳能电推进推力的5～10倍。

在第一阶段，机器人将俘获并改变从小行星上所收集巨石的运行方向，试验这种最大的也是最先进的太阳能电推进系统。该任务还将试验由“航天发射系统”运载火箭发射的“猎户座”飞船。这些新技术将帮助NASA把大量货物、居住舱和推进剂先于载人任务运送到火星上。

轨道控制与导航

在地球重力场与月球重力场作用下，积累使用低推力推进系统移动像小行星这样的大质量物体的经验，有助于为未来火星任务研发更有价值的轨道控制与导航技术。火星载人任务需要从地球上远距离运送更多货物，其数量要远大于目前运送到空间站上的货物，而现在向空间站运送货物也就耗费1～3天的时间。

在地-月空间俘获小行星，并将从小行星上收集的数吨重巨石运送到月球远距离逆向轨道，需要完成一系列精准机动，实现轨道控制。同时，这些任务是在长时间延迟情况下远距离完成，需要精准的自主技术作支撑，且具备精准的动力平衡与姿态控制能力，这与提前将货物运送到火星的工作类似。

此外，在地-月空间利用“猎户座”飞船前往小行星的载人任务，也需要1套与机器人航天器机动、交会和对接的装置。无论是离开还是进入月球远距离逆向轨道，在月球表面100km上空完成这样的任务都需要克服月球重力的作用。因此，在进入和离开月球远距离逆向轨道时，需要非常精准的导航能力，就好像是进入和离开火星轨道一样需要这种精准导航能力。

先进航天服

NASA目前在“国际空间站”上使用的航天服仍是40年前设计的，需要定期来自地球上的物资再补给。航天服作为舱外活动单元（EMUS），不能由航天员在太空进行维修，而是要返回地球维护。为在深空和火星表面运行而设计的航天服，必须对“基本生命保障系统”（PLSS）进行改进，因为在火星表面有二氧化碳大气层存在的情况下，将使现有“基本生命保障系统”的冷却技术失效。

NASA正在研究一种先进的“基本生命保障系统”，通过提高二氧化碳清除、湿度控制和氧气管理效率，用于火星任务或在深空为航天员提供保护。冷却系统也将重新设计，以确保液体在空间的长时间储存，并小幅增加大气压力，以形成与火星表面相似的环境。为提高航天服热容量和敏捷性，NASA也在通过评估手套的适用性来改进航天服的机动性。目标是使新设计的“基本生命保障系统”寿命更长，并可由航天员在太空或火星上进行维修。在“小行星重定向任务”的载人飞行任务期间，航天员进行早期探索并为收集小行星样品进行太空行走，同时也将对先进的“基本生命保障系统”进行试验。

样品收集与储存技术

搭乘“猎户座”飞船的航天员将从改变了运行方向的小行星巨石上收集样品，并将这些样品带回地球进行科学评估与研究。另外，通过对小行星的研究获得有关小行星内部结构的信息，可回答许多长期争论的太阳系构成等问题。一些小行星还可能携带有可供未来航天员使用的资源，如可提取水、可供呼吸的空气，以及可用于生产火箭燃料或3D打印的材料等。

这些经验将有助于研发新一代安全的样品收集和储存技术，可使NASA为火星取样返回做准备。新样品储存技术能够确保这些样品不会被地球上的微生物污染，同时也能保护地球不会受到返回样品的任何潜在危害。此外，这些技术还将用于火星尘埃的处理，以减缓火星尘暴对航天服、“基本生命保障系统”和“猎户座”飞船内部的污染。交会与对接装置

未来的载人探索火星任务需要航天器在深空进行交会与对接的新能力，NASA将改进现在用于“国际空间站”上的“国际对接系统”。火星探测任务需要首先将居住舱或货物舱等一些舱段运送到地-月空间，然后由航天员舱段与这些舱段完成对接后再正式飞往火星。航天员从火星表面返回地球时仍需要与“猎户座”飞船进行再对接。

通过“小行星重定向任务”，NASA将研发新的交会与逼近探测器系统，并通过机械与电子装置将两个航天器联结在一起。这些组件对未来地-月空间和火星任务都十分关键。

此外，“小行星重定向任务”使用的是为未来火星探索任务研发的“猎户座”飞船和“航天发射系统”运载火箭。这将有效降低自身任务所需费用，也将节省对这些硬件系统进行技术改进所需的时间。因此，“小行星重定向任务”不会增加火星探索任务的研发工作，又在地-月空间积累了飞行经验，并对新系统与能力进行试验，将更有助于推动载人探索火星目标的实现。