王悅 劉歡 王開強 張柏楠

（中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

小行星（Asteroid）是太陽系內(nèi)類似行星環(huán)繞太陽運動，但體積和質量比行星小得多的天體。太陽系中絕大多數(shù)的小行星都集中在火星和木星軌道之間，稱為小行星帶。另外在海王星以外也分布有小行星，這片地帶稱為柯伊伯帶（Kuiper Belt）。其中一些小行星的運行軌道與地球軌道相交，曾有某些小行星與地球發(fā)生過碰撞。2009年8月10日發(fā)布的有軌道根數(shù)的小行星為459 433顆［1］，按軌道半長軸、近日距和遠日距進行統(tǒng)計，遠日距小于3．3AU的為340 184顆，占總數(shù)的74%，這些小行星完全運行于日心距小于3．3AU 的空間內(nèi)；半長軸為2AU 至3．23AU 的有437 287顆，占總數(shù)的95．2%。

其中有一類小行星運行在地球附近，遠日點距離小于1．3AU，被稱為近地小行星（NEAs）。根據(jù)小行星的近日點距離和軌道半長軸的數(shù)值，把它們劃分為4種類型，軌道半長軸a小于1AU 和近日距q小于0．983AU 的近地小行星被稱為Atira型小行星；軌道半長軸a小于1AU 和近日距q大于0．983AU 的近地小行星稱為Aten型小行星；軌道半長軸a大于1AU，而遠日距Q小于1．017AU 的小行星稱為Apollo型小行星；軌道半長軸a大于1AU，遠日距Q小于1．3AU，大于1．017AU 的小行星稱為Amor型小行星（見圖1）。美國國家航空航天局（NASA）的近地小行星探測器已經(jīng)訪問過其中最著名的小行星433 號（愛神星）。由于近地小行星的威脅，NASA 從1998年開始對近地小行星進行探測，目前，已發(fā)現(xiàn)直徑大于140 m 近地小行星約6000顆。其中有一類小行星對地球存在著潛在的威脅，離地球的最近距離小于0．05 AU，它們被稱為潛在威脅小行星（PHAs），共發(fā)現(xiàn)約1200顆［2-3］。

圖1 近地小行星軌道示意圖Fig．1 Sketch map of NEA orbit

在眾多的小行星中，挑選適宜的星體開展載人探測，除了滿足人類強烈的探索欲望，更重要的是可以驗證先進的深空探測技術，同時利用人類的主觀能動性，對小行星進行考察勘測，甚至可將小行星改造成為人類通往更遠行星的臨時補給站。適時地介入載人小行星探測研究領域，也必將增強我國綜合國力，產(chǎn)生深遠的政治影響，使我國在深空探測領域占有一席之地。

2 載人小行星探測特點及選星原則

2．1 載人小行星探測特點

載人小行星探測有著其他深空探測不可比擬的特殊性，如表1所示，其中重要的一點就是探測目標的多樣化。通過合理的選擇探測目標，可以在保證航天員安全的情況下，降低任務風險和技術難度，提升探測任務的性價比。

表1 三種載人深空探測任務的特點比較Table 1 Comparsion of three different missions of human deep space exploration

許多近地小行星的軌道與地球軌道相似，對于絕大多數(shù)近地小行星，可設計地球-小行星日心轉移軌道，實現(xiàn)與小行星的交會，如圖2所示。同時，由于小行星引力微弱，幾十米的速度增量就可擺脫小行星引力束縛［3］。還有些進入地球引力影響球的特殊小行星，可根據(jù)具體情況進行軌道設計，使探測器不必經(jīng)過日心轉移軌道飛行，就可與小行星在地球引力影響球內(nèi)交會，從而大幅縮短探測任務時間。所以，目標星選擇策略研究是載人小行星探測任務需要研究的重點之一。

圖2 地球-小行星日心轉移軌道示意圖Fig．2 Sketch map of transfer trajectory

2．2 載人小行星探測選星原則

從載人小行星探測特點出發(fā)，結合我國實際，考慮載人探測的安全性、可行性以及探測價值，提煉得到以下3類選星原則。

1）安全性

（1）環(huán)境確定性原則：已編號的小行星軌道較明確，有較完備的觀測數(shù)據(jù)，這樣可以保證了解星上環(huán)境，采取相應措施，確保航天員安全。

（2）結構穩(wěn)定性原則：小行星的自轉周期不應太小，自轉周期＜10h的星體，在離心力作用下，可能導致小行星的結構松散，存在不穩(wěn)定因素，不利于航天員進行艙外活動［2］。

2）可行性

（1）Δv原則：考慮動力學因素，運載能力是影響載人小行星探測任務實施的重要指標。按照我國未來運載器技術的發(fā)展規(guī)劃，預計在2025 年前發(fā)展LEO運載能力50t級的超大型火箭，在2030年之后發(fā)展LEO能力為130t級的重型運載火箭［5］。因此，對目標小行星進行選擇時，其探測任務所需的Δv值，應盡量在我國未來運載能力發(fā)展的允許范圍之內(nèi)。

（2）任務時間原則：從空間環(huán)境對人生理影響的角度考慮，選擇任務時間較短的小行星進行探測，能更好的降低環(huán)控生保系統(tǒng)設計的復雜度，減小探測器規(guī)模。

（3）窗口寬松原則：目標星應有寬松的發(fā)射窗口，以增加任務的靈活性。本文僅考慮2020 年至2050年內(nèi)合適的發(fā)射窗口。

3）探測價值

（1）潛在威脅小行星（PHA）原則：PHA 是指與地球最近距離小于0．05AU，直徑大于140m，如果與地球發(fā)生碰撞會造成破壞性后果的小行星。這類小行星可能更完整地保存有宇宙形成初期的原始信息，擁有更豐富的礦產(chǎn)資源，探測意義較大［3］。

（2）光譜原則：具有特定光譜類型的小行星具有更大的探測意義。比如，C 型小行星是含碳的小行星，其化學組成同太陽與原始的太陽星云極為相似，可能含有水合（含水的）礦物，具有較大探測價值。S型小行星是以硅質為主組成，還包括鐵、鎂等元素。X 型小行星含有大量金屬，礦產(chǎn)資源豐富，具有很好的探測價值［6-7］。

3 目標星約束條件及選星結果

為滿足我國未來各階段深空探測發(fā)展需求，將小行星根據(jù)探測難度由易到難分為3類，分別稱之為第一類、第二類和第三類候選星。下面針對3類候選星分別進行分析，并根據(jù)上述選星原則，提出具體約束條件和優(yōu)選條件，對應稱為第一類、第二類和第三類約束條件和優(yōu)選條件。

安全性原則是3 類候選星都要首要考慮的因素，可行性原則根據(jù)3類候選星的探測難度分別評估，再根據(jù)探測價值從中優(yōu)選。其中，在衡量可行性時，先定性分析軌道參數(shù)（半長軸a、偏心率e、軌道傾角i）對速度增量與任務時間的影響，根據(jù)軌道參數(shù)對小行星進行篩選，再對候選星進行定量軌道計算，評估探測技術難度。由于速度增量與任務時間之間存在耦合關系，將任務時間小于200d作為軌道設計的約束條件，軌道計算時暫不考慮軌道傾角。

3．1 第一類約束條件及選星結果

根據(jù)安全性原則，候選星應為已編號并且自轉周期不小于10h的小行星，周期未知的小行星保留了載人探測的可能性，故也考慮在內(nèi)。根據(jù)動力學分析可知，與地球軌道相似的小行星，任務所需的速度增量Δv和時間T較小，所以e應盡量小，a應盡量接近1AU。軌道傾角增加需消耗額外速度增量（傾角增加1°，速度增量約增加0．5km／s［8］），i較小的小行星更有利于載人探測任務。根據(jù)上述分析，得到第一類約束條件為：

（1）自轉周期不小于10h（含未知）；

（2）選擇已編號或有探測記錄的小行星；

（3）e＜0．125；

（4）0．9AU＜a＜1．1AU；

（5）i＜2°；

（6）發(fā)射窗口擬定于2020—2050年間；

（7）優(yōu)先選擇潛在威脅小行星（PHA）；

（8）優(yōu)先選擇光譜類型為S、C、X 型的小行星（含未知）。

得到第一類候選星共22顆，選星結果及小行星分布如圖3所示，上述小行星有極小的偏心率、接近1AU的半長軸和較小的軌道傾角，小行星軌道與地球極為相似。圖3中小行星位置越接近地球，表明小行星軌道與地球軌道相似程度越高。通過選取不同位置的小行星進行軌道計算，根據(jù)計算結果，雖然由于小行星的軌道特性不同，導致計算結果有所差異，但呈現(xiàn)與地球軌道相似程度越高的小行星，任務所需Δv越小的規(guī)律。Ⅲ區(qū)中小行星任務所需Δv約在6～8km／s；Ⅱ區(qū)中小行星約在5～6km／s；而Ⅰ區(qū)中小行星任務所需Δv則很有可能小于5km／s，這對載人小行星探測極具誘惑力，可優(yōu)先考慮。部分小行星軌道計算結果如表2所示。

圖3 第一類候選星分布Fig．3 Distribution of 1st category candidate asteroids

其中值得說明的是，本文計算的任務所需Δv是指從地球停泊軌道逃逸及以后所需的總速度增量；飛行時間T是指從地球逃逸（飛出地球引力范圍）至抵達地球所需的總飛行時間；發(fā)射窗口是指探測器從地球逃逸進入日心過渡軌道的時刻。

綜合考慮此類小行星，雖然任務所需Δv極具誘惑力，經(jīng)初步計算，采用50噸級的超大型火箭發(fā)射4次以內(nèi)即可完成任務，而采用重型火箭則可能僅需1～2次發(fā)射任務。但從安全性和探測價值考慮，上述小行星的直徑較小，探測價值有限，且自轉周期未知，探測器著陸和航天員艙外活動可能會受到的影響不明，不宜直接進行載人探測，需進一步探測其物理特性，以分析判斷其是否滿足載人探測的安全性要求。

表2 第一類候選星部分軌道計算結果Table 2 Trajectory calculation results of part of 1st category candidate asteroids

3．2 第二類約束條件及選星結果

第二類候選星篩選時，首先保證滿足載人探測的安全性，再根據(jù)軌道參數(shù)評估探測的技術難度和可行性，并綜合衡量探測價值，作為優(yōu)選，可得到第二類約束條件和優(yōu)選條件：

（1）自轉周期不小于10h（含未知）；

（2）選擇已編號且有探測記錄的小行星；

（3）e＜0．5；

（4）0．5AU＜a＜1．5AU；

（5）i＜3°；

（6）發(fā)射窗口擬定于2020—2050年間；

（7）優(yōu)先選擇潛在威脅小行星（PHA）；

（8）優(yōu)先選擇光譜類型為S、C、X 型的小行星（含未知）。

根據(jù)約束條件對已知近地小行星進行篩選，得到初選星287顆，并根據(jù)優(yōu)選條件，對初選星進一步優(yōu)選，得到第二類候選星共30顆，選星結果及小行星分布如圖4所示。

圖4 第二類候選星分布Fig．4 Distribution of 2nd category candidate asteroids

第二類候選星探測難度略大于第一類候選星，均為PHA，具有一定的探測價值；其中一些自轉周期未知的小行星的安全性仍存在一些隱患，需要進一步的探測和分析；而對于自轉周期已知且大于10h的小行星，物理特性明確，已初步具備開展載人探測的基本條件。

對第二類候選星中自轉周期明確且大于10h的小行星進行分析，結果如表3所示。

根據(jù)軌道設計結果可再次驗證具有與地球相似軌道特性的小行星，任務所需Δv可能越小。所以，根據(jù)圖4將第二類候選星粗略劃分為3個區(qū)域，Ⅲ區(qū)中小行星任務所需Δv很可能將大于11km／s；Ⅱ區(qū)中小行星約在9～10km／s；而Ⅰ區(qū)中小行星則很可能只需不到9km／s的速度增量。

綜合考慮，小行星89136（2001US16）和65717（1993BX3）物理特性信息較全，較大的星體尺寸和具備的潛在危脅均表明其具有一定探測價值，任務所需Δv約為9km／s。經(jīng)初步計算，采用50噸級的超大型火箭需近8～10次以上的發(fā)射任務，而采用重型火箭最少需要4次發(fā)射任務。

表3 第二類候選星部分軌道設計結果Table 3 Trajectory calculation results of part of 2nd category candidate asteroids

3．3 第三類約束條件

第三類候選星可作為未來中長期深空探測規(guī)劃參考。同理，可根據(jù)選星原則得到第三類約束條件和優(yōu)選條件：

（1）自轉周期不小于10h（含未知）；

（2）選擇已編號且有探測記錄的小行星；

（3）e＜0．5；

（4）0．5AU＜a＜1．5AU；

（5）3°＜i＜5°；

（6）發(fā)射窗口擬定于2020—2050年間；

（7）優(yōu)先選擇潛在威脅小行星（PHA）；

（8）優(yōu)先選擇光譜類型為S、C、X 型的小行星（含未知）。

根據(jù)第三類約束條件可得到滿足條件的小行星229顆，根據(jù)優(yōu)選條件進一步優(yōu)選，得到第三類候選星共35顆。選星結果及小行星分布如圖5所示。

圖5 第三類候選星分布Fig．5 Distribution of 3rd category candidate asteroids

第三類候選星的軌道傾角3°～5°，相對較大，所以需要耗費更多的燃料用于消除軌道傾角帶來的偏差，任務所需Δv同比第二類候選星約增加1～2km／s，若采用重型火箭其發(fā)射任務約增加1～2次，在未來中長期具備載人探測的可能性。值得一提的是，小行星99942Apophis在2029年和2036年將與地球兩次親密接觸，其中2029年4月進入地球引力影響球范圍，雖然國外已有針對這顆小行星的軌道和飛行方案設計［9］，但未考慮小行星進入地球影響球后，僅通過地球軌道飛行與其交會并返回的方案，此時飛行時間T可以大幅縮短至數(shù)天，未來可利用這一特性對其進行載人探測。

4 啟示與建議

本文基于上述選星結果和軌道設計結果，提出以下幾方面建議。

（1）第一類候選星探測技術難度最小，僅采用超大型火箭發(fā)射，通過LEO 交會對接，即可具備對其進行載人探測的能力；但是，第一類候選星的科學探測價值較低，且其直徑較小，自轉周期不明，需要進一步探測，了解其自轉周期等物理特性，并進行載人安全性分析和可行性論證；也可擇機發(fā)射無人探測器，以驗證載人探測所需的關鍵技術。

（2）第二類候選星探測技術難度略大于第一類候選星，采用超大型火箭難以實施探測任務，而采用重型火箭則可具備對大部分第二類目標星進行載人探測的能力；但是，第二類目標星具備一定的科學探測價值。考慮到部分小行星自轉周期不明，因此需要進一步探測，了解其自轉周期等物理特性，進行安全性分析和可行性論證；

（3）表3中小行星軌道參數(shù)及物理特性明確，滿足載人探測安全性要求，且具備一定的科學探測價值，根據(jù)軌道計算結果，小行星89136和65717任務所需Δv較小，探測技術難度相對較低，可根據(jù)航天技術發(fā)展情況和需要，考慮擇機進行載人探測。

（4）第三類候選星探測技術難度大于前兩類，采用重型火箭僅具備對其中部分目標星進行載人探測的能力，需根據(jù)中長期的航天技術發(fā)展情況和需要，考慮是否進行載人探測。由于第一類、第二類候選星中自轉周期明確且滿足安全性的小行星較少，當無合適發(fā)射窗口，可考慮第三類作為備選星。

（5）小行星99942 Apophis，其運行軌道特殊，預計將于2029年4月飛入地球引力影響球。此時，探測器僅通過地球軌道飛行即可實現(xiàn)該小行星的載人探測任務，其飛行時間可以大幅縮短至數(shù)天?？煽紤]利用該窗口對其開展載人探測。

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Xu Weibiao，Zhao Haibin．Deep space exploration of asteroids：The science perspectives［J］．Advances in Earth Science，2005，20（11）：31-38（in Chinese）

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