漫谈小行星及其探测与开发

漫谈小行星及其探测与开发

Introduction of Asteroid Exploration and Development

2017年5月8日上午，“叶培建星”命名仪式暨小行星探测学术报告会在中国空间技术研究院举行。“叶培建星”国际编号为456677，由中国科学院紫金山天文台于2007年9月11日发现。为了表彰我国著名航天专家叶培建院士为推动我国月球与深空探测及空间科学快速发展所做出的突出贡献，2016年6月紫金山天文台推荐命名“叶培建星”，2017年1月12日获国际小行星命名委员会批准。自此，“叶培建星”正式镶嵌进太空星辰，把中国人的探索精神高悬在广袤星空。

目前，加快小行星探测已经成为国内学者和专家的共识，深空探测被列入了“十三五”国家科技重大专项，小天体探测发展路线日渐清晰。今后，随着火星探测器等深空探测任务的实施，我国小行星探测的步伐将进一步加快。

1 小行星一瞥

小行星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。这些小行星位置、大小、形状和物理构成都各不相同，通常根据位置、物理构成两种属性进行分类。

按照位置分类，小行星主要可以分为主带小行星、特洛伊小行星、近地小行星以及柯伊伯带小行星。主带小行星位于火星和木星之间，大多数已知的小行星都为主带小行星，其轨道大多为近圆。特洛伊小行星是与行星共用轨道的小行星，大多数位于木星轨道上，只有数百颗。近地小行星指的是轨道近日点在1.3天文单位以内（火星轨道内, 1个天文单位是地球到太阳的距离，约为1.5×108km）的小行星，其轨道多数与地球轨道相交，这类小行星存在与地球碰撞的风险，因此近年来受到了格外关注，也由于其易接近性而成为了主要的探测目标。柯伊伯带小行星是位于柯伊伯带的小行星，即在海王星轨道以外附近，主要是冰封的小天体。

按照物理构成，小行星可分为C类、S类、M类小行星等。C类小行星类似于碳质球粒陨石，通常矿物中富含氢、碳、氮等挥发性元素，占内太阳系小行星数量的75%左右。S类小行星为岩石类小行星，主要由普通岩石或硅酸盐构成，占内太阳系小行星数量的17%左右。M类小行星富含金属，特别是铁镍合金。

至今，在太阳系内共计已发现约70万颗小行星，但这可能仅是所有小行星中的一小部分。根据估计，小行星的数量有数百万，而最大型的小行星—谷神星，现在被重新分类并被定义为矮行星。

第一颗小行星的发现要追溯到1801年，但到1850年天文学家才开始给小行星起名字。小行星的命名权属于发现者，所有的小行星命名都须报经国际小行星中心和小天体提名委员会审议通过，然后才公布于世，成为该天体的永久名字并为各国公认。早期小行星一般以女神的名字命名，后来改用人名、地名、花名乃至机构名的首字母缩写词等来命名。现在，为小行星命名已演变成小行星发现者表达意愿的一种方式，但发现者不能用自己的名字命名。一般来说，命名仅授予在某领域有突出贡献的个人或者团体。小行星的名字由两部分组成：前面一部分是一个永久编号，后面一部分是一个名字。

部分与中国有关的著名小行星有：第一颗在中国土地上发现的小行星—九华星（Juewa）（发现者为J.C. Watson）、第一颗由中国人发现的小行星—中华（China)（发现者为张钰哲）、第一颗以中国人名命名的小行星—张衡(Zhang Heng）（发现者为紫金山天文台）、第一颗以中国地名命名的小行星—北京(Peking）（发现者为紫金山天文台）、第一颗以中国县名命名的小行星—大埔（Dabu）（发现者为紫金山天文台）、第一颗以中国太空飞船的名字命名的小行星—神舟（Shenzhou）（发现者为紫金山天文台）。

在空间探测器问世之前，小行星是通过地面望远镜进行观测的，但即使用最大的望远镜也只能观测到针尖大小的光点，无法了解小行星的形状和地形等。1991年10月，“伽利略”木星探测器在飞掠951号盖斯普拉小行星时拍摄到第一张真正的小行星特写镜头，使科学家大为振奋。1996年，美国发射了世界第一个小行星专用探测器“尼尔”，获得了不少有关爱神星小行星的重要科学数据，拉开了研制和发射小行星探测器的序幕。此后，小行星探测渐进高潮。2003年，日本发射了“隼鸟”小行星采样返回探测器，首次把小行星样品带回地球。2007年，美国发射了“黎明”小行星探测器，先后探测了2颗小行星。2015年, 日本又发射了更先进的隼鸟－2小行星采样返回探测器。2016年，美国发射了其首个小行星采样返回探测器“奥西里斯”。

2 近地小行星

一般把运行到距离太阳1.3个天文单位范围内的小行星叫近地小行星。由于近地小行星有撞击地球的危险，所以成为21世纪深空探测活动的重要目标。

按照近地小行星的轨道可将其分为三类：一是阿登型小行星，平均轨道半径均小于1天文单位，在地球轨道以内；二是阿莫尔型小行星，近日点均在地球轨道以外，介于1.017～1.3天文单位之间，不会威胁到地球；三是阿波罗型小行星，其近日点位于地球轨道内，可深入到金星甚至水星轨道以内，其体积都很小，直径约400～8000m，部分小行星的轨道与地球轨道相交，存在碰撞风险。

目前，已发现了大约800颗具有潜在威胁的小行星，但仍不足估计总数的1/3。据研究，直径在40m以上的小行星总数约为30万颗, 现在只发现了约3%。据研究，直径大于1km的小行星撞击地球的概率为每10万年1次，撞击时释放出的能量将毁灭地球文明，现今已发现了60多颗，直径接近10m的天体撞击地球的概率为每3000年一次。一些科学家质疑，小行星撞地球的风险被严重低估。不过，南京紫金山天文台专家根据观测得出结论，近20年内应该不会有小行星和地球相撞。

3 专用探测器

由于天文观测和掠过式顺路探测存在距离远、时间短、分辨率低等缺陷，所以，从20世纪90年代至今，美国和日本已先后研制和发射了5个小行星专用探测器，采用绕、落、回的方式对目标小行星进行较为细致的探测，获得了大量有价值的科学数据。

美国“尼尔”

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”（又称“近地小行星交会”）探测器。它的质量为805kg，于2000年2月14日进入爱神星轨道，这是航天器首次成功地进入围绕小行星运行的轨道。“尼尔”探测器上带有相机、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、密度和磁场及岩石成分。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上，结束了富有成果的太空之旅。5年内，“尼尔”飞行了32×108km，其中绕爱神星飞行了1年，共拍摄了16万幅图片，搜集了比原先计划多10倍的数据，大大超过了原来的预期。

日本“隼鸟”

2003年5月9日，日本发射“隼鸟”小行星探测器，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”飞抵距离糸川小行星20km高的预定轨道，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。2005年10月，“隼鸟”降低轨道高度，从10km之内对其进行观测。2005年11月12日，“隼鸟”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”子探测器，以采集糸川小行星表面数据，但因故障该探测器失灵。2005年11月20日和26日，“隼鸟”先后2次成功在糸川小行星表面短时间着陆，采集其表面的岩石样本。2010年6月13日，“隼鸟”携带从小行星糸川表面所采集的约10mg样品返回地面，使日本成为世界上首个在月球之外的原始小天体上着陆、取样并携带其样品返回地面技术的国家。

美国“黎明”

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”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—谷神星和灶神星。2011年7月15日，“黎明”进入灶神星小行星轨道，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”离开灶神星，开始飞往谷神星，并于2015年3月6日抵达曾为太阳系最大的小行星、后被升格为矮行星的谷神星，成为世界第一个先后环绕两个地外天体飞行的深空探测器，标志着人类探测器首次成功造访一颗矮行星。2015年5月3日和4日“黎明”拍下了谷神星的最新照片。按计划，2016年6月“黎明”在主任务结束后进入拓展任务。目前，“黎明”在谷神星上轨道高度为30300km×27900km的椭圆轨道运行。

日本隼鸟－2

2014年12月3日,日本发射了隼鸟－2小行星取样返回探测器，探测目标是1999JU3号小行星，拟采集100mg以上的样品。隼鸟－2将于2018年6月进入1999JU3号小行星轨道，先对该小行星进行近距离详细观测，接着向小行星表面投放跳跃式机器人和小型着陆器，然后进行俯冲飞行接近小行星表面，在探测器上的采样器接触小行星表面的瞬间弹射出弹子，从弹子撞击小行星表面所溅射出的物质碎片中采集样品，装入样品采集装置内。最后，离开小行星表面。隼鸟－2在1999JU3号小行星附近运行1年半左右时间，完成任务后将于2019年12月飞离1999JU3号小行星，再用约1年时间，即2020年末返回地球。

美国“奥西里斯”

2016年9月9日，美国首个小行星采样返回探测器—“奥西里斯”由宇宙神－5火箭发射升空，目标是对101955号贝努小行星进行采样返回探测，研究太阳系的形成和演化、行星形成的初始阶段以及形成生命的有机复合物的起源。“奥西里斯”探测器将于2018年8月抵达贝努小行星，并在环绕贝努的轨道上对其进行全球表面成像观测，展开为期两年的科学研究。2020年7月，探测器将使用机械臂末端的采样器采集至少60g的贝努表面风化层样品，2023年将把样品带回地球供科学家研究。

美国的其他任务

2017年1月，美国又批准了“露西”和“赛姬”两项小行星探测任务。这两个任务不包含发射和任务运行的部分，耗资均在5亿美元。“露西”探测器计划于2021年发射，于2025年抵达小行星带，2027－2033年探测6颗特洛伊小行星，将尝试解开太阳系之谜。赛姬是一颗巨大的铁-镍金属小行星，“赛姬”探测器计划于2023年10月发射，于2030年抵达1号赛姬小行星，围绕这颗小行星展开为期20个月的探测研究。

另外，执行拓展任务的“新视野”将在2019年探测2014号MU69柯伊伯带小行星。美国还有两项待定的小行星探测计划。

中国的探测任务

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月球探测器成功变轨，进入飞往小行星的轨道。同年12月13日，嫦娥-2在距地球约7×106km的深空与4179号图塔蒂斯小行星交会，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的近距离探测，我国成为继美国、欧洲航天局和日本之后，第4个探测小行星的国家。我国科学家已制定了“小行星探测”计划，即以伴飞、附着、取样返回等探测方式，对近地目标小行星进行整体性探测和局部区域的就位分析。今后，随着嫦娥-5月球采样返回探测器、火星探测器等深空探测任务的实施，我国小行星探测的步伐将进一步加快。

4 到太空淘金

研究表明，太空中有大约7500颗或许蕴藏珍贵矿产的小行星。开发小行星的资源能促进太空工业发展，降低微电子、能源储备等领域的成本，并帮助科学家实现更多应用领域的创新。

小行星宝藏

就开发地外矿藏资源而言，从现有的技术、星球的远近、矿藏的价值、经济的收益等综合因素考虑，小行星上的矿藏具有开采的必要性和可行性。因为天文学家已发现了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。开发小行星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。例如，241号Germania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GDP相当。

直接利用从外太空小行星收集到的矿物资源，可以简化外太空航空基站的修补和建造工程。由于不必从地球运送物资，所以将成为能永久支持太空事业发展的唯一途径。同时，小行星可作为载人登火星或其它行星的中转站，成为深入探索太空的基石。

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年美国率先成立了2家准备到小行星采矿和开发用于星际飞船燃料的民间公司—行星资源公司和深空工业公司。2016年2月, 卢森堡政府宣布开创一个新兴产业“小行星采矿业”。

采矿存在争议

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，美国行星资源公司创办人安德森表示，以小行星为开采对象是成熟理论，因为小行星质量小、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。

5 防止小行星撞击地球

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4.4×105t的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。

多次威胁地球

小行星撞击地球是世界上4个突发巨大灾难之一，历史上曾发生过多次小行星撞地球的事件。例如，2008年，一个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号BX34）在距离地球6×104km飞过。美国航空航天局一份高精度“潜在危险小行星”图显示，对地球构成潜在威胁的小行星超过1800颗。

小行星撞击地球可使人类遭受灭顶之灾。因为如果1颗质量为11t的小行星与地球相撞，其能量相当于10000颗百万吨核武器爆炸的能量。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，也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，并取得了不同程度的进展。

美国研究进展

目前，位于夏威夷的“全景观测望远镜和快速反应系统”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的照片，每张照片都可以打印成一张足以覆盖半个篮球场的300像素图片。

近年来,美国加利福尼亚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。此后,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”，该系统由8个望远镜组成，每一个都装配有非常强大的相机，具有超高敏感性，相当于从美国旧金山观测到纽约发出的一道火柴光芒。

俄罗斯研究进展

俄罗斯行星保护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，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。

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。

欧洲研究进展

目前，欧洲拟为地球建造预防小行星撞击的“近地轨道防护盾”，通过导弹炸毁、引力牵引和主动碰撞等多种手段，防止近地小行星撞击地球。该计划有望在2020年前正式实施。

另外，美国和欧洲正计划共同实施的一个名为“小行星撞击与偏转评估”的项目，其核心理念是在2021年发射2个小型太空飞行器，拦截65803号迪蒂莫斯小行星。这颗近地小行星还拥有一颗小卫星，预计将在2022年掠过地球附近。美国研制的“双小行星再定向测试”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

目前，已有多种防止小行星撞击地球的方案，例如用核武器炸毁可能撞击地球的近地小行星；发射导弹或航天器猛烈地撞击近地小行星，用机械力使其改变轨道；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等。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，并使小行星偏移轨道。

6 捕获与载人

美国航空航天局原计划于近年用无人航天器从近地小行星表面采集一块巨石，并将其拖至月球轨道，然后发射载人航天器，使航天员对该巨石进行采样返回，以便探索火星演示验证相关技术，为2035年载人登陆火星做技术准备，推进载人航天飞行技术与能力创新发展。不过，特朗普上台后已取消该计划，但有关技术会继续开发和利用。

“捕获小行星”行动

2013年4月，美国航空航天局向白宫提交了一份“捕捉小行星”的方案，即“小行星重定向任务”，计划捕捉一颗小行星上的巨石，并把其带入近月轨道，其目的是减少航天员登陆小行星的费用并降低风险，并有利于今后开发小行星、防止小行星撞击地球等。

“捕获小行星”行动原计划在2018年进行，航天员在2021年4月造访这颗被拖拽到月球轨道的小行星，并将携带小行星碎片返回地球。捕捉一颗小行星至月球轨道可以一举多得，例如，为更多的研究提供便利，方便开采小行星上矿藏，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等。

不过，这项行动也面临着严峻挑战，例如，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。所以，该计划后来改为采集某颗小行星上的巨石。

洛马公司的“移民石”计划

美国洛马公司已提出“移民石”载人登小行星计划，用载有2名航天员的双“猎户座”载人飞船登陆近地小行星，然后出舱并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。

2艘“猎户座”飞船同时发射，其中1艘是载人的主“猎户座”飞船，另1艘是携带绝大部分消费品（包括推进剂和生命保障供应）的无人的副“猎户座”飞船，它们在近地轨道进行头对头对接。在到达小行星上空时，1名航天员将穿着舱外航天服出舱，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“猎户座”，然后主、副“猎户座”飞船分离，主“猎户座”飞船发动机点火返回地球，副“猎户座”飞船继续进行小行星的科学观测。这种方案可以节省下大量的时间和成本。

把航天员送上小行星将面临重重挑战和风险，其关键是寻找目标，全面了解小行星。往返小行星需要很长时间，这也是一大挑战，需要解决心理、辐射和没有实时通信等问题。

东方星/文