精彩纷呈的小行星探测技术(上)

赋明通

最近，美国太空探索技术公司老板马斯克被爆有个神秘计划：开采太空小行星的黄金。另外，携带小行星样品的日本隼鸟2号已于2019年11月从龙宫小行星出发飞向地球，预计今年12月前后抵达地球。而美国的“奥利西斯•雷克斯”小行星探测器今年将在贝努小行星进行采样。俄罗斯计划至2030年将探测器降落在小行星上。据中国空间技术研究院研究员黄江川在第一届中国空间科学大会上介绍，中国的小行星探测任务正在进行论证工作，拟完成近地小行星伴飞、附着、取样返回和主带彗星近距离绕飞。

日本隼鸟2号小行星探测器，在小行星上采样示意图。
#1

为何受青睐

小行星探测之所以在最近几年受到世界上一些国家的重视，是因为随着科学技术的飞速发展，使科学家们越来越认识到探测小行星具有十分重要的意义。

探测小行星能揭示生命起源，促进基础科学发展。因为小行星是46亿年前太阳系形成时残留下来的初始行星体，保存了太阳系形成时的大量珍贵信息。探测小行星可认识太阳系的最初物质组成，更好地研究太阳系的形成和演化。由于小行星可能为地球带来了水、形成生命的有机物质，因此，探测小行星还有助于研究生命的起源与发展。



探测小行星能促进太空工业发展。据悉，每年有900多颗小行星与地球擦身而过，其中不少蕴藏铂、钴、铑、铱、锇等珍稀金属和铁、镍等矿产资源，开发它们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，为全球新增数万亿美元的GDP。

探测小行星能为保护地球安全，建设行星防御体系奠定基础。探测近地小行星，深入了解近地小行星的运动及属性，有利于研究、开发出防止近地小行星撞击地球的新方法和新技术，包括验证实施轨道偏转等小天体防御技术的可行性，为地球自身的安全做好预测和防范，避免人类重蹈当年小行星撞击地球造成恐龙灭绝的灾难性后果。要想拦截对地球造成威胁的小行星，必须基于小行星的物理化学特征，为此，探测小行星的内部结构(疏松还是致密)和物质组成、大小、形状、自转、质量、密度，而小行星的物理化学特征无法在地面精准测量，必须通过深空探测完成。

探测小行星还能成为深入探索太空的基石。小行星可作为载人登火星的中转站，因为小行星引力小，从那里出发去深空其他星球比较容易。另外，其上有丰富的水资源，它可直接用于航天员生活或分解成氧和氢，供航天员呼吸或作为星际飞船的燃料使用，帮助人类探索更遥远的太空世界。



探测小行星也能推动技术进步，带动新兴技术转化。由于探测小行星具有任务时间长、燃料消耗大、通信延迟高和测控难度大等特点，所以小行星探测属于当前最复杂的航天任务之一，探测小行星需要综合解决多个领域的尖端问题，是世界航天领域最具挑战和最前沿的科技创新活动之一。

通过探测小行星，实施小行星资源开发与利用，可带动空间机器人技术、天文导航、新兴材料制造、新兴电源制造、极限高低温热控保障、地外天体结构成分识别等众多新兴技术的发展。

基于上述原因，近年来在全球掀起了小行星探测的新热潮，并由此促进了一些小行星探测的新技术竞相争奇斗艳。

#2

温故而知新

由于天文观测和掠过式顺路探测存在距离远、时间短和分辨率低等缺陷，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多个专用小行星探测器。它们采用绕、落、回的方式对目标小行星进行了较为细致的探测，获得了大量有价值的科学数据。


图1  美国的小行星探测器“尼尔”探测爱神星示意图。
早在1996年，美国就率先发射了世界首个小行星探测器“尼尔”（意译为“近地小行星交会”）探测器。它于2000年进入小行星爱神星轨道，这是人类航天器首次成功地进入围绕小行星运行的轨道。“尼尔”用相机、激光测距仪和无线电科学实验设备等仪器，确定了爱神星的尺寸、质量、密度和磁场及岩石成分。在探测任务结束之际，“尼尔”于2001年首次以硬着陆的方式降落到爱神星的表面，结束了长达5年的太空之旅。在这5年中，“尼尔”绕爱神星飞行了1年，共拍摄了16万幅图片，搜集了比科学家原先计划还多10倍的数据，大大超过了原来的预期。

日本也不甘示弱，于2003年发射了“隼鸟”小行星探测器。它于2005年进入糸川小行星轨道，观测了糸川小行星表面情况，收集了其成分和地形数据。此后又先后2次成功在糸川小行星表面短时间着陆，采集了其表面的岩石样本。它是通过着陆产生的撞击，来吸入飞溅起来的碎石。最终，“隼鸟”携带小行星样品于2010年返回地球，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的国家。



图2   对“隼鸟”返回舱进行安全化处理


喜欢争相跳跃的美国则在2007年发射了首个用离子推进器完成实用型科学探测任务的“黎明”小行星探测器，玩了一个“一石二鸟”，即分别于2011年和2015年先后探测了2颗小行星——灶神星和谷神星。用同一套科学仪器探测两个不同目标，便于科学家将2套探测数据进行准确的对比分析。“黎明”是第1个在太阳系中环绕2个分离目标运动的空间探测器。它先于2011年进入灶神星小行星轨道进行探测。然后于2012年利用物美价廉的离子推进器变轨，飞往谷神星，并于2015年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，从而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。目前，“黎明”仍在谷神星轨道运行。



图3  美国的小行星探测器“黎明”探测谷神星（左）和灶神星示意图。
小行星探测是空间探索的前沿、热点，同时也是高门槛的深空探测任务。小行星形状不规则，平均直径只有千米量级，地貌复杂，引力约比地球小4～5个数量级，表面温差大。探测难点是“微弱引力、未知环境不确定”等。所以，需要突破连续轨道设计、自主交会、弱引力天体表面附着/固定与采样、超高速再入返回等关键技术。为此，日本和美国在近年又发展了一些新型小行星探测器。

#3

撞击式探测

“隼鸟”采样返回的成功，大大激发了日本探测小行星的热情。于是，日本在2014年12月4日又发射了隼鸟2号小行星探测器。它是更先进的小行星取样返回探测器，探测目标是龙宫小行星，因为该小行星上可能有含有机物质和水的岩石。

隼鸟2号采用了别开生面的撞击小行星表面的技术，来探测小行星的内部，进一步确认龙宫上含矿物质、水和有机物的情况。



它于2018年6月进入龙宫小行星轨道后，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巡视器和小型着陆器。然后，对小行星表面进行采样。“隼鸟”只采集了10毫克样品，隼鸟2号拟采集100毫克以上样品。后者在龙宫附近运行了1年半左右时间，完成任务后，于2019年11月飞离龙宫；再用约1年时间，即2020年末返回地球。隼鸟2号返回密封舱的着陆地点与“隼鸟”相同，仍为澳大利亚区域。

从2018年9月起，隼鸟2号先后向选定的龙宫表面各个点投放了多个目标标识器，它们用于引导探测器把跳跃式巡视器和着陆器投放到那些地点，并使探测器在指定地点着陆。目标标识器是表面贴满发光反射膜的球形体，投放到小行星表面选定点后，探测器打开闪光灯照射它就会成为一个小灯塔，从而能引导探测器把跳跃式巡视器和着陆器投放到选定的地点。



图4   在最后一次采样前，隼鸟2号依然会提前释放一颗目标标识器。目标标识器（红色圆圈内，左下方是放大图）降落在小行星表面，其稳定下来就可以反射光线，帮助下降中的探测器确定位置。

隼鸟2号携带了3个跳跃式巡视器。它们在小行星表面着陆后，用各自携带的电机驱动巡视器一边跳跃，一边用携带的仪器进行观测和测量，总跳跃距离为200米，所获信息传回到隼鸟2号。其中2个跳跃式巡视器在龙宫小行星表面工作超过了10个小行星日。



由德国和法国联合研制的着陆器质量为10千克，它也能靠自身携带的电机驱动着陆器以跳跃方式前进。它用相机拍摄了龙宫小行星表面的清晰照片；用光谱仪观测分析了龙宫表面矿物质成分；通过磁强计测量了龙宫表面的磁场等。

2019年2月，隼鸟2号首次在龙宫小行星表面采用“接触即离”方式着陆，在安全地飞离龙宫小行星时，进行弹子弹射取样。其弹子质量3.5克，通过弹子弹射装置以300米/秒的速度撞击小行星表面，采样装置采集到了不少于3克从龙宫表面弹射起的飞溅碎片和粒子，发现了水合矿物质。

2019年4月，隼鸟2号对另一个着陆点发射撞击装置（也可称金属弹）。撞击装置是内部装满约9.5千克炸药的半球型圆锥结构体，引爆后生成坚硬、带尖头的铜金属块，以2千米/秒的速度撞击龙宫小行星表面，并形成直径约为10米的小行星坑。然后，隼鸟2号于5月对该小行星坑以“接触即离”方式完成着陆，采集了多于10克的小行星内部样品。

2019年7月，隼鸟2号又以上述撞击方式完成另一次采样任务。这次撞击形成了直径约为15米的一个小行星坑。在目标标识器的引导下，隼鸟2号从人造小行星坑周边采集了不少于10克的样品。

2019年11月，隼鸟2号返回密封舱与探测器分离，于2020年底前携带采集到的样品返回地面。日本很可能成为世界上首个既具备从小行星表面采样技术，又拥有从小行星内部采样技术的国家。

未完待续

责任编辑     张长喜

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