NASA确定“小行星重定向任务”无人捕获方案

NASA确定“小行星重定向任务”无人捕获方案
2015-04-08
[本站2015年3月30日综合报道] NASA“小行星重定向任务”（Asteroid Redirect Mission，ARM）的工程目标是利用2020年发射的无人航天器捕获目标天体并将其转移至绕月轨道上，并在2025年左右实现载人小行星探测与采样返回。2015年3月24日，NASA在任务概念评审时宣布，从“整颗捕获”（方案A）和“巨石捕获”（方案B）两个小行星捕获方案中选择后者（图1），即航天器在任务中从一颗近地小行星上采集一块巨石并将其移至月球大幅值逆行轨道。选择方案B的任务成本要比选择方案A高约1亿美元，无人探测部分的成本暂定为12.5亿美元（不含运载火箭）。但NASA认为物有所值，这是因为在方案B实施过程中，航天器可在大型小行星上的诸多巨石中进行选择，而方案A可能会面临选择的小行星因太大或其他原因而难以处理，最终因无法捕获到有效天体而导致任务失败，任务风险较大。
2012年12月，NASA向白宫提交了“小行星重定向任务”报告，总任务经费超过26.5亿美元，预计10余年完成。该任务按时间先后顺序分为鉴别、重定向和探索三个阶段：鉴别小行星阶段（2013～2019），NASA从众多近地小行星中寻找并确定1颗作为捕获对象；重定向小行星阶段（2020～2024），NASA研制并发射一个“小行星重定向飞行器”（ARV）来承担捕获和重定向至绕月轨道的任务；载人探索小行星阶段（2025年以后），当目标小行星成功进入绕月轨道后，NASA利用目前正在研制的“太空发射系统”运载火箭和“猎户座”飞船将航天员送至目标小行星，并由航天员完成小行星采样返回任务。
目前，“小行星重定向任务”正处于鉴别阶段，而NASA尚未确定探测目标，只是提出3个候选小行星，分别为500米直径的丝川（Itokawa）与贝努（Bennu）以及400米直径的2008 EV5。其中，EV5是天文学家于2008年发现的太阳系中最普通的C型（碳质球粒陨石）小行星，因只反射3%到9%的太阳光而显得非常暗。科学家利用地基红外望远镜和雷达对EV5进行探测，从7.5米高分辨率雷达图像中发现EV5表面有许多巨石块未被清晰显示出来，表明EV5的表面有许多直径10米以下的巨石，比较符合方案B的实施。因此，NASA暂将EV5列为头号候选目标。未来，NASA打算以每年增加1或2颗的频率增加候选数量，并在2019年宣布最终筛选的小行星。此外，NASA甚至打破了传统的工作模式，鼓励寻求多方的合作伙伴，通过公布基于某种算法的“小行星数据猎人”应用软件，号召全球天文爱好者前来参与，帮助发现更多小行星。
未来，“小行星重定向任务”预计于2020年12月发射无人航天器。航天器将利用两年的时间飞抵目标小行星，在评估完小行星表面巨石后，抓取一块直径约4米的巨石，并在绕该小行星飞行的"晕轨道"停留215天至400天。绕飞期间，航天器将采用一种被称为“引力牵引器”的技术，利用微小的万有引力，在非接触状态下缓慢地改变小行星的飞行轨迹。由于“巨石捕获”方案使小行星的部分质量移至航天器上，重定向效率将得到提升。当航天器捕获的巨石进入绕月轨道后，NASA会在2025年前后利用搭乘航天发射系统运载火箭的猎户座，将两名宇航员送至巨石上，进行为期25天的探测任务。
小行星是近来国外深空探测的热点，不仅因为相关任务可用于验证关键技术，还因为它们对地球产生的威胁和独特的科学价值，影响与意义十分重大。NASA的“小行星重定向任务”根据多方面意见和建议，从最初的简单任务变为目前复杂的三步走型号任务，不但能验证NASA载人火星任务所需的关键技术，还能促进地球防御新手段的发展，更从科学上为研究人员通过样品对小行星进行更深入的科学研究提供机会。
1.关键技术方面，NASA将借助该任务为未来的载人火星探测和其他深空探测任务提供一批关键技术与能力并积累经验，包括高效太阳能阵列技术、太阳能电推进系统、舱外活动技术与能力、深空交会传感器与对接系统、新型轨道及其导航技术、采样返回技术、新型深空任务专用宇航服等，对美国实现本世纪３０年代载人登火星的目标至关重要；
2.地球防御方面，NASA曾利用2005发射的“深度撞击”号彗星探测器试验了利用航天器直接撞击从而改变近地目标飞行轨迹的技术，还计划在2020年左右开展的国际合作项目“小行星撞击与偏离评估”（AIDA）中，利用航天器撞击可能威胁地球的近地小行星，并测量由撞击引起的小行星偏离情况。而在“小行星重定向任务”中，NASA会在航天器进行重定向的过程中试验“引力牵引器”行星防御技术，从中取得的经验和知识将促进NASA了解小行星运行轨道偏离机制，提高通过非接触手段将小行星移除撞击地球轨道的能力，增加未来规划地球防御任务的技术可选余地，从而降低未来小行星撞击威胁；
3.科学研究方面，宇航员采集并返回的样品可帮助科研人员进一步了解小行星，获得的实验数据也能够帮助将小行星矿物视为未来资源的商业公司。（中国航天系统科学与工程研究院 李金钊）