王開強(qiáng) 張柏楠 王悅 劉歡 武江凱 李志海

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部, 北京 100094)

載人小行星探測(cè)的任務(wù)特點(diǎn)與實(shí)施途徑探討

王開強(qiáng) 張柏楠 王悅 劉歡 武江凱 李志海

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部, 北京 100094)

介紹了載人小行星探測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)目前美國(guó)基于“獵戶座”飛船的載人小行星探測(cè)的概要方案進(jìn)行了描述，包括探測(cè)器系統(tǒng)組成、運(yùn)載火箭和飛行方案等內(nèi)容。從速度增量、目標(biāo)星引力等方面，分析了載人小行星探測(cè)的任務(wù)特點(diǎn)，并與載人火星探測(cè)、載人月球探測(cè)以及無(wú)人小行星探測(cè)的任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行了比較。給出了載人小行星探測(cè)的實(shí)施途徑建議，包括目標(biāo)星選擇、載人飛船系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。討論了其所涉及的推進(jìn)、星際飛行安全保障、小行星表面行走等關(guān)鍵技術(shù)。研究結(jié)果可為我國(guó)開展載人深空探測(cè)提供參考。

載人小行星探測(cè)；任務(wù)特點(diǎn)；實(shí)施途徑；關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

小行星探測(cè)有助于探索宇宙的形成和演化過(guò)程，有助于保護(hù)地球免受潛在威脅小行星的撞擊，目前已成為載人深空探測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。迄今為止，共有7個(gè)無(wú)人探測(cè)器探訪過(guò)小行星，其中美國(guó)的“近地小行星交會(huì)”(NEAR)探測(cè)器[1]和日本的隼鳥號(hào)探測(cè)器[2]實(shí)現(xiàn)了對(duì)小行星的著陸探測(cè)。小行星探測(cè)發(fā)展到一定階段，就需要人的參與，以發(fā)揮人的主觀判斷力、創(chuàng)造性和靈活性，更好地開展小行星表面巡游、樣本采集與辨識(shí)等探測(cè)活動(dòng)。另外，小行星還可以作為人類前往火星等其它星體的中轉(zhuǎn)站。目前，已有美國(guó)提出了載人小行星探測(cè)的計(jì)劃。載人小行星探測(cè)已開始成為21世紀(jì)載人深空探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本文首先介紹了載人小行星探測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后分析了載人小行星探測(cè)的任務(wù)特點(diǎn)，并與其他載人深空探測(cè)，以及無(wú)人小行星探測(cè)的任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行了比較，最后對(duì)載人小行星探測(cè)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。

2 載人小行星探測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，僅有美國(guó)提出了基于“獵戶座”飛船的載人小行星探測(cè)計(jì)劃，擬對(duì)編號(hào)為2000SG344小行星等進(jìn)行載人登陸探測(cè)[3-4]。

2.1探測(cè)器系統(tǒng)組成

整個(gè)載人探測(cè)器系統(tǒng)由地球出發(fā)站(Earth Departure Station，EDS)、升降飛行艙、“獵戶座”飛船三大部分組成，如圖1所示[3]。各部分由運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入近地軌道進(jìn)行組裝。

圖1 探測(cè)器系統(tǒng)及其近地軌道組裝

1)EDS

類似于推進(jìn)艙的功能，為整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)提供變軌推力和速度增量，在探測(cè)器系統(tǒng)成功與小行星交會(huì)后或逃逸小行星后被拋離。

2)升降飛行艙

發(fā)射時(shí)位于整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)的中間。按照工作時(shí)段和功能的不同又可分為上升飛行艙、下降飛行艙兩部分。上升飛行艙為飛船離開小行星提供推力；下降飛行艙為飛船和升降飛行艙組合體在小行星表面軟著陸提供制動(dòng)推力，在飛船和上升飛行艙組合體發(fā)射、飛離小行星時(shí)，下降飛行艙扮演發(fā)射架的角色，如圖2所示[3]。

圖2 著陸及飛離小行星

3)“獵戶座”飛船

“獵戶座”飛船(Orion CEV)是美國(guó)為重返月球計(jì)劃設(shè)計(jì)的飛船，由返回艙和服務(wù)艙構(gòu)成，可供4名航天員執(zhí)行為期21天的載人登月探測(cè)使命。后來(lái)，美國(guó)取消重返月球計(jì)劃，研究將“獵戶座”飛船用于載人近地小行星(Near Earth Asteroid，NEA)探測(cè)?！矮C戶座”飛船的主要性能參數(shù)如表1所示[4]。

表1 “獵戶座”飛船的主要性能參數(shù)

2.2運(yùn)載火箭

運(yùn)載火箭方面，美國(guó)考慮選擇已有的成熟的運(yùn)載火箭型號(hào)，將探測(cè)器系統(tǒng)的各部分分批次發(fā)射至近地軌道。目前美國(guó)的探測(cè)方案主要考慮了宇宙神-5(Atlas-5)、德爾它-4(Delta-IV)和“戰(zhàn)神”(Ares)系列運(yùn)載火箭，如圖3所示[3]。

圖3 美國(guó)考慮使用的運(yùn)載火箭

2.3飛行方案

圖4 美國(guó)載人探測(cè)編號(hào)為2000SG344的小行星的飛行方案

以載人探測(cè)編號(hào)為2000SG344的小行星為例，其飛行方案如圖4所示，主要過(guò)程為：①使用運(yùn)載火箭將探測(cè)器組合體各部分發(fā)射至近地軌道(LEO)，并進(jìn)行組裝；②EDS為組合體提供逃逸地球的變軌速度增量，使其進(jìn)入地球-小行星星際轉(zhuǎn)移飛行軌道；③飛行47天后，使用EDS與小行星實(shí)施交會(huì)；④飛船與升降飛行器組合體和EDS分離，并在下降飛行艙的推力作用下在小行星表面軟著陸；⑤進(jìn)行為期10天的小行星表面駐留，開展探測(cè)任務(wù)；⑥飛船在上升飛行艙的推力作用下發(fā)射、飛離小行星，并再次與EDS對(duì)接；⑦EDS提供返回變軌的速度增量，使飛船進(jìn)入小行星-地球返回轉(zhuǎn)移軌道，EDS和上升飛行艙分離；⑧抵達(dá)地球，再入地球前拋掉飛船服務(wù)艙；⑨飛船返回艙以小于12 km/s的速度再入地球大氣，安全著陸。整項(xiàng)探測(cè)任務(wù)共歷時(shí)105天，其中地球-小行星轉(zhuǎn)移飛行47天，在小行星表面及附近駐留10天，小行星-地球轉(zhuǎn)移飛行48天。任務(wù)所需總速度增量為6.875 km/s[4]。

3 載人小行星探測(cè)的任務(wù)特點(diǎn)

載人小行星探測(cè)具有自身的一些特殊性，它與載人月球探測(cè)、載人火星探測(cè)、無(wú)人小行星探測(cè)相比均有區(qū)別。分析研究載人小行星探測(cè)的任務(wù)特點(diǎn)，明確其在任務(wù)實(shí)施、技術(shù)難度等方面的特殊性，是載人小行星探測(cè)首先要研究的內(nèi)容。

3.1與其他載人深空探測(cè)的比較

與載人火星探測(cè)、載人月球探測(cè)任務(wù)相比，載人小行星探測(cè)的任務(wù)特點(diǎn)如下。

1)速度增量、飛行時(shí)間、質(zhì)量規(guī)模

小行星數(shù)量眾多，分布廣泛，公轉(zhuǎn)軌道差異很大，因此針對(duì)不同目標(biāo)小行星的載人探測(cè)任務(wù)所需的速度增量、飛行時(shí)間、質(zhì)量規(guī)模有很大不同。國(guó)內(nèi)已有研究得到載人小行星探測(cè)使命所需的速度增量(從停泊軌道上出發(fā)及以后的速度增量)最小約4 km/s[5]，最大可以達(dá)到11 km/s以上；飛行時(shí)間大致在幾十天到200天；探測(cè)器系統(tǒng)采用化學(xué)推進(jìn)的質(zhì)量規(guī)模在百噸級(jí)至千噸級(jí)。Daniel Zimmerman等人對(duì)編號(hào)為2000SG344的小行星進(jìn)行了分析研究，得到速度增量為6.875 6 km/s、飛行時(shí)間105天的探測(cè)使命；對(duì)小行星1999AO10載人探測(cè)使命進(jìn)行分析計(jì)算，得到速度增量為7.183 9 km/s、飛行時(shí)間180天的探測(cè)使命[4]。

2)目標(biāo)星引力、大氣環(huán)境

對(duì)于近地小行星，其引力很小，可忽略，且沒(méi)有大氣，因此載人小行星探測(cè)的進(jìn)入、減速與著陸(EDL)過(guò)程與載人火星探測(cè)有很大不同，載人探測(cè)器與小行星的附著著陸過(guò)程類似于兩個(gè)日心軌道航天器的“交會(huì)對(duì)接”，推進(jìn)劑消耗可大幅降低，著陸器結(jié)構(gòu)也得以簡(jiǎn)化。另外，也可以考慮探測(cè)器不在小行星表面著陸，而是在適當(dāng)?shù)母叨缺３謱?duì)小行星的懸停、伴飛，此后航天員出艙附著著陸于小行星表面開展探測(cè)活動(dòng)，這樣可以省去升降飛行艙的環(huán)節(jié)和著陸艙的配置，簡(jiǎn)化探測(cè)器的組成和結(jié)構(gòu)，減小探測(cè)器的規(guī)模。

3)目標(biāo)星可能短時(shí)間進(jìn)入地球引力范圍

許多小行星的公轉(zhuǎn)軌道與地球非常接近，它們有可能進(jìn)入地球的引力范圍，在短時(shí)間內(nèi)以地球?yàn)橹行囊w，沿著地球雙曲線軌道飛行。有預(yù)測(cè)小行星Apophis將分別于2029和2036年進(jìn)入地球引力范圍[6]。此時(shí)，若利用這段時(shí)間對(duì)小行星進(jìn)行載人登陸探測(cè)，則探測(cè)器僅通過(guò)地球軌道飛行即可與小行星交會(huì)，飛行任務(wù)時(shí)間可大幅縮短至數(shù)天，這有助于大幅降低航天員在飛行期間所需攜帶的消耗品，減小探測(cè)器質(zhì)量規(guī)模，降低整個(gè)載人小行星探測(cè)任務(wù)的技術(shù)難度和復(fù)雜度。

載人小行星探測(cè)與載人火星探測(cè)[7]、載人月球探測(cè)的任務(wù)特點(diǎn)比較如表2所示。

表2 三種載人深空探測(cè)任務(wù)的特點(diǎn)比較

3.2與無(wú)人小行星探測(cè)任務(wù)的比較

載人小行星探測(cè)與無(wú)人小行星探測(cè)相比，主要有以下5個(gè)方面不同。

(1)載人小行星探測(cè)的飛行時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)。這主要是考慮生命保障系統(tǒng)的運(yùn)行能力和規(guī)模，以及航天員在太空中駐留時(shí)間的限制?！皣?guó)際空間站”的運(yùn)行過(guò)程中，航天員在站上的最長(zhǎng)連續(xù)駐留時(shí)間控制在180天左右；而航天員在太空中駐留的最長(zhǎng)時(shí)間記錄約為一年半。無(wú)人小行星探測(cè)由于沒(méi)有航天員的參與，其總飛行時(shí)間可以很長(zhǎng)，可達(dá)到幾年，這可以很大程度地降低無(wú)人探測(cè)任務(wù)所需要的總速度增量，減小探測(cè)器質(zhì)量。

(2)載人小行星探測(cè)的速度增量較大。飛行時(shí)間與速度增量存在緊密聯(lián)系，其滿足以下規(guī)律：對(duì)于已知兩點(diǎn)間的轉(zhuǎn)移，速度增量先隨飛行時(shí)間的增大而減小至最小值，此后隨飛行時(shí)間的增大而增大。由于載人小行星探測(cè)的飛行時(shí)間有限，其速度增量可能無(wú)法縮短至兩點(diǎn)間軌道轉(zhuǎn)移的最小值；而無(wú)人小行星探測(cè)飛行時(shí)間非常長(zhǎng)，可以通過(guò)合理增大飛行時(shí)間減小整個(gè)飛行任務(wù)所需要的速度增量。

(3)載人小行星探測(cè)在規(guī)模上與無(wú)人小行星探測(cè)有很大差別，包括乘員組在內(nèi)的探測(cè)器初始質(zhì)量將比無(wú)人探測(cè)器大很多，可達(dá)數(shù)百噸乃至數(shù)千噸，一般需要在近地軌道進(jìn)行組裝。

(4)飛行軌道設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行應(yīng)急返回軌道的設(shè)計(jì)，以保證航天員安全。其一般原則是，航天員在飛行期間的任意時(shí)刻，均可沿應(yīng)急返回軌道安全返回至地球，以應(yīng)對(duì)隨時(shí)可能出現(xiàn)的嚴(yán)重故障。

(5)載人小行星探測(cè)器需要配置環(huán)控生保分系統(tǒng)、應(yīng)急救生分系統(tǒng)、照明分系統(tǒng)和支持航天員出艙活動(dòng)的分系統(tǒng)等，這些都會(huì)增加載人探測(cè)器的技術(shù)復(fù)雜程度，增大載人探測(cè)器的質(zhì)量。

4 載人小行星探測(cè)的實(shí)施途徑與關(guān)鍵技術(shù)建議

4.1載人小行星探測(cè)的實(shí)施途徑

參考美國(guó)基于“獵戶座”飛船的載人小行星探測(cè)方案，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外載人航天技術(shù)及活動(dòng)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)載人小行星探測(cè)的實(shí)施途徑提出以下建議。

(1)優(yōu)先選擇近地小行星(NEA)作為載人探測(cè)的目標(biāo)星。在所有小行星中，近地小行星距離地球較近，對(duì)其進(jìn)行載人探測(cè)的任務(wù)時(shí)間和速度增量較低，有助于降低探測(cè)任務(wù)的成本，提高任務(wù)實(shí)施的可行性。另外，近地小行星具有潛在撞擊地球的威脅，對(duì)其進(jìn)行載人探測(cè)有助于保護(hù)地球免受其撞擊，有助于促進(jìn)地球防護(hù)領(lǐng)域的相關(guān)研究。目前，美國(guó)考慮的編號(hào)為2000SG344和1999AO10的小行星也均為近地小行星。

(2)設(shè)計(jì)通用載人飛船系統(tǒng)，進(jìn)行包括載人小行星探測(cè)在內(nèi)的載人航天活動(dòng)。美國(guó)的“獵戶座”飛船具備完成載人登月任務(wù)和載人小行星探測(cè)任務(wù)的能力，其不局限于某一特定的載人航天任務(wù)，應(yīng)用范圍較廣。我國(guó)未來(lái)的載人航天活動(dòng)，可能包含近地軌道載人航天任務(wù)、載人登月探測(cè)、載人小行星探測(cè)和載人火星探測(cè)，若單獨(dú)研制針對(duì)某項(xiàng)探測(cè)任務(wù)的飛船，會(huì)造成飛船型號(hào)多、通用性差、應(yīng)用范圍局限等問(wèn)題。因此，應(yīng)考慮研制通用化、模塊化、系列化的載人飛船系統(tǒng)，其由具備不同功能的艙段(如推進(jìn)艙、返回艙、著陸艙等)組成，各艙段根據(jù)不同載人航天任務(wù)的指標(biāo)要求形成系列。在執(zhí)行某特定的載人航天任務(wù)時(shí)，僅需選擇合適的艙段組合成探測(cè)器組合體即可。

(3)發(fā)展大型、重型運(yùn)載火箭。載人小行星探測(cè)器在LEO上的初始質(zhì)量規(guī)模至少在百噸級(jí)，意味著采用未來(lái)最大LEO運(yùn)載能力為25 t的長(zhǎng)征-5火箭需要至少4次發(fā)射，并進(jìn)行至少3次在軌交會(huì)對(duì)接組裝；而對(duì)于其它目標(biāo)小行星，則需要更多的發(fā)射次數(shù)和交會(huì)對(duì)接組裝次數(shù)。發(fā)展LEO運(yùn)載能力為50噸級(jí)、100噸級(jí)的大型、重型運(yùn)載火箭，可以大幅減少發(fā)射次數(shù)和LEO軌道的交會(huì)對(duì)接組裝次數(shù)，有效降低載人小行星探測(cè)任務(wù)實(shí)施的難度和復(fù)雜程度，提高我國(guó)實(shí)施載人小行星探測(cè)任務(wù)的能力，擴(kuò)大載人探測(cè)所能觸及到的小行星的數(shù)量和范圍。目前，美國(guó)載人小行星探測(cè)所考慮的運(yùn)載火箭中，最大LEO運(yùn)載能力為戰(zhàn)神-5(Ares -5)火箭的130 t[8]。

4.2載人小行星探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合載人小行星探測(cè)任務(wù)特點(diǎn)，其所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下6項(xiàng)。

1)推進(jìn)技術(shù)

目前，采用化學(xué)推進(jìn)的載人探測(cè)器組合體質(zhì)量規(guī)模在百噸級(jí)至千噸級(jí)。采用先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)，例如電推進(jìn)、核推進(jìn)等高比沖推進(jìn)技術(shù)，可以大幅降低探測(cè)器質(zhì)量規(guī)模。但是電推進(jìn)的推力較小，核推進(jìn)存在輻射安全性的問(wèn)題。載人小行星探測(cè)中，可以考慮將電推進(jìn)技術(shù)和連續(xù)推力軌道技術(shù)相結(jié)合，在星際轉(zhuǎn)移飛行階段使用連續(xù)電推力推進(jìn)，以降低推進(jìn)劑消耗量。針對(duì)核推進(jìn)的輻射安全性問(wèn)題，可以考慮在推進(jìn)艙加裝防輻射板以保護(hù)航天員；而推進(jìn)艙被拋離后可以在一定的變軌推力作用下飛向太陽(yáng)，將核廢料運(yùn)送至太陽(yáng)附近，以減小對(duì)太空環(huán)境的影響。鑒于高比沖和大推力的特點(diǎn)，未來(lái)核推進(jìn)是一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展的方向，目前美俄均在研制試驗(yàn)核推進(jìn)器(如圖5)[9]。另外，國(guó)內(nèi)也有研究提出將幾種推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用[9]。

2)星際飛行安全保障技術(shù)

長(zhǎng)期的星際飛行給安全保障帶來(lái)了一些新的挑戰(zhàn)，航天員將會(huì)面臨銀河射線、太陽(yáng)耀斑、在飛行初始和結(jié)束時(shí)段的地球輻射帶等3種輻射威脅，面臨亞磁環(huán)境的影響。同時(shí)，星際微生物菌落會(huì)造成多種醫(yī)學(xué)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并可能嚴(yán)重影響飛行任務(wù)的安全和硬件可靠性。此外，星際空間的隕石也具有潛在的威脅[7]。未來(lái)可以分別考慮安裝輻射屏蔽材料，在飛船內(nèi)建立恒磁場(chǎng)，對(duì)載人探測(cè)器內(nèi)外進(jìn)行菌落檢測(cè)和消毒，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器對(duì)航天員的身體健康狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控以及地面的遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)防、診療，在探測(cè)器外表面加裝空間碎片及隕石防護(hù)層等措施，為航天員與探測(cè)器在星際飛行中面臨的輻射安全、亞磁安全、生物安全、醫(yī)療安全、隕石安全等問(wèn)題提供安全保障。

圖5 國(guó)外研制中的核推進(jìn)器

3)小行星表面行走技術(shù)

在微重力的情況下，航天員如何開展出艙活動(dòng)，如何在小行星表面行走并對(duì)其開展表面探測(cè)，是載人小行星探測(cè)需要解決的問(wèn)題。目前，美國(guó)載人小行星探測(cè)方案中，采用了固定桿輔助航天員進(jìn)行定位和行走(見圖6)[3]，航天員將固定桿定位至小行星表面，通過(guò)系繩將自己約束在固定桿附近的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行行走和探測(cè)。

圖6 美國(guó)航天員小行星表面行走方案設(shè)想

國(guó)內(nèi)也有研究載人小行星探測(cè)表面行走的方案，主要包含爬行式、跳躍式等。[10]爬行式方案中，小行星表面預(yù)先固定了一張緊貼星體表面的網(wǎng)，航天員通過(guò)在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上爬行實(shí)現(xiàn)行走；跳躍式方案中，小行星表面預(yù)先設(shè)置固定一張網(wǎng)狀的帳篷，其與星體表面之間存在一個(gè)空間，航天員在該空間內(nèi)進(jìn)行跳躍式行走。

4)小行星表面附著技術(shù)

近地小行星幾乎沒(méi)有重力，因此在小行星表面軟著陸后，如何將著陸器固定在小行星表面防止其逃逸，是附著技術(shù)需要研究解決的。目前在附著機(jī)構(gòu)方面已有學(xué)者對(duì)錨機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究[11-12]。錨機(jī)構(gòu)主要分為錨體和錨定位系統(tǒng)兩部分，其基本工作方式是：錨體以一定的方式滲入星體表面并附著定位，錨體通過(guò)一定方式與錨定位系統(tǒng)連接，錨體和著陸器之間通過(guò)錨定位系統(tǒng)將著陸器固定在星體表面。錨體滲入的方式有鉆孔式和熔化成孔式2種；錨體和錨定位系統(tǒng)的連接方式有線繩連接式和伸縮套管連接式2種[12]。錨機(jī)構(gòu)類型的選用，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)星體的地質(zhì)狀況而確定。

5)GNC技術(shù)

小行星與地球的距離較遠(yuǎn)，探測(cè)器與地球通信信號(hào)延時(shí)長(zhǎng)，有時(shí)信號(hào)受到小行星或其它星體的遮擋，無(wú)法抵達(dá)地球，需要引入自主導(dǎo)航與控制技術(shù)。在星際轉(zhuǎn)移飛行段，探測(cè)器可以基于太陽(yáng)進(jìn)行自主導(dǎo)航；在接近小行星的飛行階段，如與小行星交會(huì)和著陸的時(shí)段，應(yīng)轉(zhuǎn)入基于目標(biāo)小行星的高精度自主導(dǎo)航。類似的自主導(dǎo)航方案，在美國(guó)深空-1探測(cè)器和日本隼鳥號(hào)探測(cè)器中，都進(jìn)行了試驗(yàn)和應(yīng)用[2,13]。同時(shí)，對(duì)于載人小行星探測(cè)器，還應(yīng)引入航天員手動(dòng)導(dǎo)航與控制技術(shù)，在著陸和飛離小行星的飛行過(guò)程中，航天員可以手動(dòng)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行導(dǎo)航和控制。其可作為自主導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的備份。

6)再生式環(huán)控生保技術(shù)

載人小行星探測(cè)的飛行任務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)，為幾十天至百天，須采用再生式環(huán)控生保技術(shù)，以減少航天員所需攜帶的消耗品，降低探測(cè)器的質(zhì)量規(guī)模。目前再生式環(huán)控生保技術(shù)主要有物理化學(xué)再生式生保和受控生態(tài)生保兩類。其中，前者適合中、長(zhǎng)期的飛行任務(wù)，已經(jīng)應(yīng)用于和平號(hào)空間站和“國(guó)際空間站”中；后者適合長(zhǎng)期地球飛行和地外星球探測(cè)飛行[14]，但仍需要較長(zhǎng)時(shí)間的研究、試驗(yàn)和驗(yàn)證，才可進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。未來(lái)載人小行星探測(cè)中，可充分采用物理化學(xué)再生式生保技術(shù)。對(duì)于受控生態(tài)生保技術(shù)的應(yīng)用，須根據(jù)其發(fā)展情況而定。

5 結(jié)束語(yǔ)

載人小行星探測(cè)已成為21世紀(jì)載人深空探測(cè)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。本文基于這一背景，對(duì)目前載人小行星探測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，對(duì)其任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析。針對(duì)載人小行星探測(cè)自身的特點(diǎn)，給出了任務(wù)實(shí)施途徑建議和關(guān)鍵技術(shù)討論。本文的研究成果可為我國(guó)載人航天發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃提供參考。

References)

[1]Prockter L，Murchie S，Cheng A，et al. The NEAR shoemaker mission to asteroid 433 eros[J]. Acta Astronautica，2002，51：1-9

[2]Takashi Kubota，Tatsuaki Hashimoto，Shujiro Sawai，et al. An autonomous navigation and guidance system for MUSES-C asteroid landing[J]. Acta Astronautica，2003,52(2-6)：125-131

[3]Landis R R，Korsmeyer D J，Abell P A，et al. A piloted flight to a near-earth object：A feasibility study，NASA-20070024872[R]. Washington D.C.：NASA，2010

[4]Dan Z，Sam W，Bong W. The first human asteroid mission：Target selection and conceptual mission design，AIAA 2010-8370[R]. Washington D.C.：AIAA, 2010

[5]王悅，劉歡，王開強(qiáng)，等. 載人探測(cè)小行星的目標(biāo)星選擇[J]. 航天器工程，2012,21(6)：30-36

Wang Yue，Liu Huan，Wang Kaiqiang，et al. Target selection for human exploration of asteroid[J]. Spacecraft Engineering，2012,21(6)：30-36 (in Chinese)

[6]Sam W，Dan Z，Bong W. Preliminary design of a crewed mission to asteroid apophis in 2029-2036，AIAA 2010-8374[R]. Washington D.C.：AIAA，2010

[7]A·C·卡拉杰耶夫. 載人火星探測(cè)[M]. 趙春潮,王蘋,魏勇,譯.北京：中國(guó)宇航出版社，2010

A C KopoTeeB.Mars exploration[M].Zhao Chunchao，Wang Ping，Wei Yong, translated. Beijing：China Astronautics Press，2010 (in Chinese)

[8]佟艷春. 美國(guó)重返月球計(jì)劃的新型運(yùn)載火箭[J]. 導(dǎo)彈及航天運(yùn)載技術(shù)，2007(2)：14-17

Tong Yanchun. New launch vehicles for US plan to return to Moon[J]. Missile and Space Vehicle，2007(2)：14-17 (in Chinese)

[9]李志海，張柏楠，楊宏，等. 載人小行星探測(cè)推進(jìn)技術(shù)初步方案設(shè)想[J]. 國(guó)際太空，2013(7)：32-37

Li Zhihai, Zhang Bainan, Yang Hong, et al. Preliminary scheme of propulsion technology for manned asteroid mission exploration[J]. Space International，2013(7)：32-37 (in Chinese)

[10]武江凱，白明生，石泳. 載人小行星探測(cè)表面行走方案設(shè)計(jì)研究[C]//第二屆載人航天學(xué)術(shù)大會(huì)論文集. 北京：中國(guó)載人航天工程辦公室，2012：23-27

Wu Jiangkai，Bai Mingsheng，Shi Yong. Research on design of surface walking scheme for human exploration of asteroid[C]//Proceedings of the 2rd Scientific Conference of Manned Spaceflight. Beijing：China Manned Space Agency(CMSA)，2012：23-27 (in Chinese)

[11]Yang Gao，Alex Ellery，Mustafa Jaddou，et al. Planetary micro-penetrator concept study with biomimetric drill and sampler design[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2007,43(3)：875-885

[12]趙志軍，趙京東，高曉輝. 小行星著陸器錨定位研究[J]. 機(jī)械與電子，2009(10)：6-9

Zhao Zhijun，Zhao Jingdong，Gao Xiaohui. Research of the asteroid lander anchoring[J]. Machinery & Electronics，2009(10)：6-9 (in Chinese)

[13]Rayman M D，Philip V，Lehman D H，et al. Results from the Deep Space 1 technology validation mission[J]. Acta Astronautica，2000,47(2/9)：475-487

[14]周抗寒，傅嵐，韓永強(qiáng), 等. 再生式環(huán)控生保技術(shù)研究及進(jìn)展[J]. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2003,16(z1)：566-572

Zhou Kanghan，F(xiàn)u Lan，Han Yongqiang，et al. Research and development of technique of regenerative environmental control and life support system[J]. Space Medicine & Medical Engineering，2003,16(z1)：566-572 (in Chinese)

(編輯：李多)

Characters and Technological Approach of Human Asteroid Exploration Mission

WANG Kaiqiang ZHANG Bainan WANG Yue LIU Huan WU Jiangkai LI Zhihai

(Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

The development of human asteroid exploration is reviewed, the conceptual design of the only human asteroid exploration program based on Orion Crew Exploration Vehicle from America is described, including exploration system architecture, launch vehicles and flight scenario. The character of human asteroid exploration mission is analyzed from the aspects such as velocity increment and target gravity, which are compared with those of human Mars exploration, human lunar exploration, and robotic asteroid exploration. Some suggestions are given on the implementation approach to human asteroid exploration mission, including target selection and system design of manned spacecraft.The relevant key technologies involved in the mission are discussed, such as propulsion, safety support during interplanetary flight, walking on an asteroid. This paper can be provided as a reference for strategic programming of Chinese human deep space exploration.

human asteroid exploration; mission character; implementation approach; key technology

2013-11-20；

：2014-02-24

國(guó)家重大航天工程

王開強(qiáng)，男，博士研究生，主要從事航天器總體設(shè)計(jì)方向研究。Email：wangkaiqiang1988@163.com。

V476

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.019