小行星探测的“中国行动”

文/ 兰顺正

▲“嫦娥二号”拍摄的“图塔蒂斯”（Toutatis）小行星间隔成像照片

在今年中国航天大会主论坛上，中国科学院院士叶培建透露，中国小天体探测任务已经进入工程研制阶段，计划探测地球共轨天体2016HO3和小行星带中的主带彗星311P。当天叶培建作了题为《我国小天体探测任务的设想》的报告，从任务意义、国际发展态势、小天体探测器方案概述、任务特点与难点等四个方面介绍我国小天体探测任务。他指出，小天体探测任务是中国航天强国建设征程的标志性任务。

▲ 中国小天体任务飞行过程示意图

▲ 火星和木星之间的小行星带

身价不菲的小行星

宇宙中存在大量小行星，仅太阳系中就有上百万颗。1991年美国发射的“伽利略”木星探测器对951号加斯帕拉小行星进行了飞越探测，这是人类第一次近距离观测小行星。到目前国际上小天体探测已有近30年历史。

小行星探测具有重大意义。一方面，针对小行星组成物质、物理特征等进行科学探测，可以更好了解太阳系演化、地球生命起源等问题。有些小行星上拥有水和化合物，如在“谷神星”北半球直径约50千米的陨坑中确认存在有机化合物。而木星的卫星“欧罗巴”被证实，其表面的冰层下有大量液态水，其平均深度是地球海洋的20倍，而且含氧量较高。这些对于研究地外生命的作用不言而喻。

另一方面，小行星探测蕴含很大的经济价值。目前人类可以开发利用的小行星基本上分为两类，一类是近地小行星，主要分布在木星和火星之间的小行星带，其中中等体积的近地小行星约有1.95万颗；另一类是从地球附近飞掠而过的小行星，其数量和出现的时间都不确定，实施探测和开发的难度较大。天文学家将小行星分为3种：约15%的小行星主要由硅构成，其厚厚的硅质外层包裹着小型金属内核；约10%的小行星的成分以金属为主，主要是铁和镍，有的还蕴藏金、铂等贵金属；其余75%的小行星主要由碳构成。对于人类来说，最具开发价值的是以金属为主要成分的小行星。如位于小行星带直径约250千米的“灵神星”，科学家通过观测估计其上含有5亿亿吨铁、5000万亿吨镍，还有其它金、铂等贵金属数亿吨，美国宇航局认为“灵神星”上的铁资源总价高达1000亿亿美元。

鉴于开发小行星的巨大潜力，不论是民间还是官方都表现出了不小的兴趣。如在2012年4月25日，美国一家名叫”行星资源”的创业公司在飞行西雅图博物馆举行新闻发布会，宣布了其在小行星进行采矿的具体计划。而在2015年美国通过了《商业航天发射竞争力法案》，赋予美国公司对其所开采太空资源的权利。

2014年11月12日欧空局“罗塞塔”号探测器释放出“菲莱”号着陆器成功着陆67P彗星表面，成为首个在彗星上实现软着陆的探测器；在2016年9月30日“罗塞塔号”成功撞击67P彗星表面。

在具体行动上，日本的“隼鸟”系列探测器首先成功在小行星上进行了取样，其“隼鸟号”探测器已经第一个将小行星“糸川”的样本带回地球，帮助人类更好地了解了这颗小行星的岩石密度、表面地形、形状、颜色、主要构成成分和历史等。“隼鸟2号”返回舱去年12月6日降落在澳大利亚南部沙漠地带，获取“龙宫”小行星样品5.4克。另外美国“奥西里斯-雷克斯”探测器在2020年10月20日成功降落在近地小行星“贝努”的表面并采集样本，计划2023年9月抵达地球。

▲ 小行星2016HO3

已被中国重点关注的小行星

在小行星探测领域，中国也早已经有所行动。2012年12月15日中国“嫦娥二号”探测器近距离飞越小行星图塔蒂斯，实现首次小行星飞越观测，并获取最高分辨率3米的光学彩色图像，正式迈进了原本只有美欧日成员的小行星探测“俱乐部”。

2019年4月中国国家航天局发布了《小行星探测任务有效载荷和搭载项目机遇公告》，确定了今后中国小天体探测器方案的探测目标，是一颗地球共轨天体2016HO3以及小行星带中的主带彗星133P，并希望通过一次发射实现两类探测目标和近距、附着、采样等三种探测模式。

其中，2016HO3是一颗地球共轨天体，被美国夏威夷天文望远镜于2016年发现，它绕太阳公转的周期几乎和地球一样，为366天，看上去总是和地球不离不弃，距离地球大约38～100倍地月距离，因此发射和返回窗口灵活，适于取样返回、分析天体来源。围绕2016HO3，中国将测定轨道参数、自转参数、形状大小和热辐射等物理参数，研究其轨道起源与动力学演化。同时探测形貌、表面物质组份、内部结果，获取小行星样品背景信息，以及对返回样品开展实验室分析研究。而133P是小行星带中的主带彗星，研究热点为主带彗星形成和演化、气体活动机制。围绕133P，中国将测定主带彗星的轨道参数、自转参数、形状大小和热辐射等物理参数，研究主带彗星的轨道起源及其动力学演化。同时探测主带彗星形貌、表面物质组份、内部结构、空间环境等信息，获取太阳系早期演化信息。

在今年的中国航天大会上，叶培建院士表示，中国小天体探测任务需要攻克多项关键技术。该探测任务的工程目标是突破弱引力天体表面采样、高精度和高自主相对自主导航与控制、小推力转移轨道、轻小型超高速再入返回、多模式长寿命电推进等关键技术。

▲ 中国科学院院士叶培建在中国航天大会上作《我国小天体探测任务的设想》报告 王磊摄

事关人类存亡的小行星

实施小天体探测任务有助于推动中国深空探测整体能力提升，而且对于防御小行星威胁也会有巨大的贡献。

研究表明，虽然小行星撞击地球的概率极低，可危害却极大。一般而言，如果小行星轨道与地球轨道的最小距离小于0.05 AU，就认为是有潜在碰撞风险的小行星。目前已被确认的超过1.6万颗近地天体中1838颗被认为具有“潜在危险性”。小行星的碰撞可能带来十分严重的后果。据估计，直径为10至50米的小行星撞击地球，即可产生像广岛核弹爆炸一样的威力；直径在100米以上的小行星，就能产生几百万吨级核弹的破坏能量；直径大于10千米的小行星，能释放10亿吨级甚至千亿吨级的能量，这样的能量可导致灾难性的地球环境，使全世界陷入核冬。如广为熟知的造成恐龙灭绝等灾难的原因很可能就是由于小行星与地球碰撞。

目前国际上认为可能采用的行星防御一般是通过主动手段，其中包括核爆、动能撞击、激光烧蚀、离子束牵引、引力拖曳、质量驱动等，破坏小行星的结构或者偏转小行星的轨道。

去年5月26日，中国科学院国家空间科学中心的中科院复杂航天系统电子信息技术重点实验室李明涛、王艺睿、王有亮、周炳红、郑伟等科研团队，提出应对大尺寸潜在威胁小行星的“以石击石”防御方案。具体而言就是通过发射无人飞行器捕获小尺寸小行星或者在碎石堆小行星上采集超过100吨的岩石，与飞行器构成组合撞击体，操控组合体撞击对地球有潜在威胁的小行星，将潜在威胁小行星偏转出撞击地球的轨道。

按当时的介绍，相比经典动能撞击方法，“以石击石”方案可突破地面发射人造撞击体的运载能力和包络限制，通过在太空中捕获百吨级质量的岩石，从而显著提升撞击体质量，最终实现小行星防御效果的数量级提升，对小行星的轨道偏转效果可提升一个数量级，为防御大尺寸潜在威胁小行星提供核爆之外的一种新选项。

在今年中国航天日主场活动开幕式上，国家航天局局长张克俭也提到了小行星防御。他在致辞中说：“站在新的历史起点，中国航天将论证实施探月工程四期、行星探测工程、建设国际月球科研站和近地小行星防御系统，拉开新时代探索九天的新序章。”而叶培建院士则表示，中国进行的第一次小行星探测就会选择降落采样，一旦掌握了降落技术，就意味着将来如果有小行星撞击地球，中国可以直接接近并干预。由此不难看出，中国对于小行星防御的研究正在稳步推进，以期在将来更好地造福全人类。