被终止的美国小行星重定向任务

文/ 庞之浩

▲ NASA“猎户座”载人登小行星示意图

2017年12月11日，美国总统特朗普正式签署“太空政策一号令”，要求美国宇航局（NASA）重启登月计划，为载人登火星奠定基础，从而彻底改变了前任美国总统奥巴马以小行星为跳板进行载人登火星的载人深空发展战略。其实，早在2017年3月，特朗普政府就终止了奥巴马当政时NASA实施的“小行星重定向任务”（ARM）。那么，什么是“小行星重定向任务”呢？

奥巴马当选总统后，于2010年4月15日取消了前任总统小布什的重返月球的“星座计划”，声称美国人已登过月球了，现在应该载人登小行星了，提出了“小行星重定向任务”，然后以此为过渡进行载人登火星。

“小行星重定向任务”拟分三个阶段实施：选择小行星目标、对小行星重新定向和载人登陆小行星。2013—2019年完成选择小行星目标任务，确定1颗小行星作为“小行星重新定向飞行器”（ARV）飞往的目标；2020—2024完成重新定向小行星任务，通过“小行星重新定向飞行器”捕获、抓拖目标小行星至绕月轨道；2025年发射猎户座载人飞船登陆小行星，进行考察、采样并返回。

NASA当时表示，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。同时认为，“小行星重定向任务”将极大推进其载人登火星的步伐，试验载人登火星所需的各种能力。

由于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，所以实施“小行星重定向任务”可以在地月空间进一步提升未来载人登火星的能力。另外，围绕月球的深空环境与来往于火星的所经历的环境相似，因此需要对太阳与宇宙辐射进行更严密的防护。它还能作为通往火星的技术试验场，研发大量载人登火星的创新技术。

破天荒任务

2013年4月10日，NASA向白宫提交了一份“捕捉小行星”的方案，对外正式公布了“小行星重定向任务”计划：先用“小行星重新定向飞行器”把1颗近地小行星拖至月球轨道；然后发射载人航天器，使航天员对该巨石进行采样返回，验证探索火星的相关技术，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。此举当时在全球产生很大轰动。

那么，为什么要捕获一颗小行星并将其它拖至月球轨道呢？美国解释说是为了减低载人登陆小行星的风险和成本，并有利于今后开发小行星、防止小行星撞击地球等。因为把小行星拖至月球轨道后，可大大缩短载人飞船飞往小行星的距离和时间，从而减少宇宙辐射、长期失重等对航天员产生的生理和心理影响以及飞船的成本。另外，小行星在月球轨道运行后，其飞行方向和速度比较稳定。如果真能捕获一颗小行星并将其拖至月球轨道，这将是人类第一次移动天体的技术壮举。

不过，完成这项任务需满足三个基本条件：一是要物色一颗中等大小的小行星，直径7米-10米左右、质量约500吨，并且这颗小行星上需要有100吨水、100吨富碳化合物、90吨金属和200吨硅酸盐。因为这样大小的小行星便于俘获，牵引技术难度较低，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，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。美国曾初步选择了4颗近地小行星，并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。

其次还要准备一套足够强大的太阳能离子电推进系统，以便能够将捕获的小行星牵引到月球轨道。先进的太阳能离子电推进系统，推进效率是化学能推进系统的10倍，可以大大节省燃料消耗。若用化学能推进系统完成此任务，推进剂至少要用200吨；用太阳能离子电推进系统，推进剂只需用10吨。在“小行星重新定向飞行器”俘获与改变从小行星上所收集巨石的运行方向时，将试验这种最大的也是最先进的太阳能离子电推进系统，其中的大型、高功率太阳电池阵是未来载人深空必须攻克的一项关键技术。

最后是要派人对这颗有水、有矿的小行星进行勘探和开采，从而提前完成美国载人登陆小行星的目标。

▲ 猎户座载人飞船接近“小行星捕获舱”捕捉的小行星上的巨石示意图

不过，用“小行星重新定向飞行器”抓拖小行星先后有两种方案。一种是上面介绍的选择一颗直径10米的近地小行星，发射飞行器到该小行星附近用大袋子罩住它并拖回月球附近。另一种方案是选择一颗直径几百米的近地小行星，然后发射飞行器在该小行星着陆，采集其上的一块直径小于或等于4米的大石头，最终把它拖回到月球轨道。经过反复研究，NASA决定采用第二种方案。这是因为寻找直径10米的近地小行星很困难，而采用第二种方案容易选择目标小行星，且其所采用的在小行星上软着陆和抓拖大石头的机构机械技术等许多技术能用于未来的载人登火星任务，

直径500米的丝川、直径500米的贝努、400米直径的2008 EV5都是第二种方案的备选目标小行星。日本隼鸟探测器曾对丝川小行星采样返回，美国2016年发射的“奥西里斯”将在2020年对贝努小行星采样返回，欧洲计划对2008 EV5小行星采样返回。所以，事先对这3颗近地小行星都会进行较细致的调查。

在太空撒网

“小行星重定向任务”第一阶段任务计划在2020年12月发射无人的“小行星重新定向飞行器”， 2年后到达目标小行星。它使用机械臂从一个小行星上俘获一块巨石，然后将该巨石块收拢，并由“小行星重新定向飞行器”将其运行方向改变到围绕月球的稳定轨道上。

“小行星重新定向飞行器”装有两个太阳能电池板。当它靠近目标小行星时原定释放出一个直径约15.2米、带绳子的巨网或袋子，让它像手风琴一样膨胀，并通过激光定位设备使它套住旋转着的目标小行星，后来改为使用机械臂俘获小行星上的巨石；然后，启动装有约300千克燃料的太阳能离子电推进系统，使该小行星停止自转并拽入近月轨道，此举耗时约2.2年。

具体过程是：用宇宙神-5火箭发射一个慢速飞行的特制“小行星重新定向飞行器”，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“小行星重新定向飞行器”接近目标时俘获小行星上的巨石，随后飞行器开启推进器推离原有轨道向着月球飞行。

捕获小行星必将面临严峻挑战。首先，要尽快启动对目标小行星的搜索，挑选出符合要求的目标小行星，但这并非易事；另外，目标小行星会自转，航天器将其捕获后要通过推进器提供的反作用力“除转”，使其停止转动，然后才能成功拖拽；再有，捕获小行星后，“小行星重新定向飞行器”的质量会大大增加，使推进、导航等方面的难度随之增加。

未来执行火星载人任务需要从地球上远距离运送更多货物，而移动小行星上的巨石则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。它需要在时间延迟情况下远距离完成一系列精准机动。

第二阶段任务是在2025年左右，航天发射系统（SLS）重型运载火箭发射猎户座多用途载人飞船，运送航天员对重新定向的小行星巨石进行探测并取样返回。在进行载人登小行星时，也需要一套与“小行星重新定向飞行器”机动、交会和对接的装置。在深空进行交会与对接需要改进现有的交会对接技术，美国原定通过“小行星重定向任务”研发新的交会对接系统。

▲ 美国航天员在海底进行相关训练

▲ 美国拟捕获小行星示意图

无论是离开还是进入月球远距离逆向轨道，在月球表面100公里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。

美国正在研制的SLS新一代重型运载火箭， 其近地轨道运载能力为70-130吨；正在研制的新一代载人飞船——“猎户座”具有用途多、载人多和可重复使用的特点。美国已于2011—2012年，在海底模拟如何载人登陆小行星、如何将宇宙飞船固定或者驾驶飞船围绕小行星运行以及如何采集小行星样本等训练。

此外，NASA正在研制一种为火星航天员提供保护的先进的“基本生命保障系统”。它能使航天员在火星上进行维修，长时间储存液体，提高湿度控制、二氧化碳清除和氧气管理效率。美国原定在“小行星重定向任务”的载人飞行任务期间，对先进的“基本生命保障系统”进行试验。

为了从火星采样返回，研发新一代安全的样品收集和储存技术也很重要，它能使所采样品不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，并可用于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。

为何被抛弃

其实，“小行星重定向任务”一问世就遭到很多专家的质疑，认为难度和风险都很大，不靠谱。

▲ “深空之门”——月球空间站示意图

另外，“小行星重定向任务”主要依靠国家推动与完成，商业参与的机会并不多。而美国小布什和特朗普当政提出的“重返月球”虽是政府主导，但商业部门可以广泛参与，且商业部门对开发月球资源很感兴趣，从而大大促进美国商业航天技术与能力的跃升。

还有，“小行星重定向任务”也与当前国际载人航天发展趋势不相吻合，因为俄罗斯、中国、欧洲、日本和印度等主要航天国家与组织都以月球作为主要探索目的地，美国如果“一意孤行”，未来可能会被“孤立”。而改为“重返月球”后，美国在其中能充分发挥领导和主体作用，打造以美国为首的国际登月联盟，带领和帮助其他国家实现登月，充分确保其载人航天领域的领导地位。

特朗普的“重返月球”计划大体上是与俄罗斯合作研制 “深空之门”月球空间站，它既可用于载人登月，也能作为载人登火星的中转站，包括在月球空间站上进行载人地月空间探测活动，组装、试验、加注载人火星飞船等。

在载人登月方面，美国拟广泛开展国际合作，提供SLS火箭和猎户座多用途飞船，登月舱下降段由日本研制，重复使用的上升段由欧空局研制，月球车由加拿大研制。作为中转的“深空之门”也是如此，美国只提供服务舱，通信舱由欧空局负责，居住舱由欧空局和日本负责，加拿大提供机械臂，俄罗斯提供气闸舱。

美国有望通过牵头实施“重返月球”计划，以经济可持续的方式继续保持载人深空探测领导地位。

不过，虽然“小行星重定向任务”已被终止，但美国仍将保留部分关键技术研发。其很多技术也可用于未来的航天项目。另外，美国的小行星探测仍在继续。2016年9月8日，美国发射了奥西里斯小行星探测器，它将于2020年接近近地小行星贝努，进入小行星轨道并开始进行详细地表成像。随后，根据获取的详细地表图像精心选择一个地点，伸出机械臂采样，并送回地球进行研究。