文/ 蘭順正

▲“嫦娥二號(hào)”拍攝的“圖塔蒂斯”（Toutatis）小行星間隔成像照片

在今年中國(guó)航天大會(huì)主論壇上，中國(guó)科學(xué)院院士葉培建透露，中國(guó)小天體探測(cè)任務(wù)已經(jīng)進(jìn)入工程研制階段，計(jì)劃探測(cè)地球共軌天體2016HO3和小行星帶中的主帶彗星311P。當(dāng)天葉培建作了題為《我國(guó)小天體探測(cè)任務(wù)的設(shè)想》的報(bào)告，從任務(wù)意義、國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)、小天體探測(cè)器方案概述、任務(wù)特點(diǎn)與難點(diǎn)等四個(gè)方面介紹我國(guó)小天體探測(cè)任務(wù)。他指出，小天體探測(cè)任務(wù)是中國(guó)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)征程的標(biāo)志性任務(wù)。

▲ 中國(guó)小天體任務(wù)飛行過(guò)程示意圖

▲ 火星和木星之間的小行星帶

身價(jià)不菲的小行星

宇宙中存在大量小行星，僅太陽(yáng)系中就有上百萬(wàn)顆。1991年美國(guó)發(fā)射的“伽利略”木星探測(cè)器對(duì)951號(hào)加斯帕拉小行星進(jìn)行了飛越探測(cè)，這是人類第一次近距離觀測(cè)小行星。到目前國(guó)際上小天體探測(cè)已有近30年歷史。

小行星探測(cè)具有重大意義。一方面，針對(duì)小行星組成物質(zhì)、物理特征等進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，可以更好了解太陽(yáng)系演化、地球生命起源等問(wèn)題。有些小行星上擁有水和化合物，如在“谷神星”北半球直徑約50千米的隕坑中確認(rèn)存在有機(jī)化合物。而木星的衛(wèi)星“歐羅巴”被證實(shí)，其表面的冰層下有大量液態(tài)水，其平均深度是地球海洋的20倍，而且含氧量較高。這些對(duì)于研究地外生命的作用不言而喻。

另一方面，小行星探測(cè)蘊(yùn)含很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前人類可以開(kāi)發(fā)利用的小行星基本上分為兩類，一類是近地小行星，主要分布在木星和火星之間的小行星帶，其中中等體積的近地小行星約有1.95萬(wàn)顆；另一類是從地球附近飛掠而過(guò)的小行星，其數(shù)量和出現(xiàn)的時(shí)間都不確定，實(shí)施探測(cè)和開(kāi)發(fā)的難度較大。天文學(xué)家將小行星分為3種：約15%的小行星主要由硅構(gòu)成，其厚厚的硅質(zhì)外層包裹著小型金屬內(nèi)核；約10%的小行星的成分以金屬為主，主要是鐵和鎳，有的還蘊(yùn)藏金、鉑等貴金屬；其余75%的小行星主要由碳構(gòu)成。對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，最具開(kāi)發(fā)價(jià)值的是以金屬為主要成分的小行星。如位于小行星帶直徑約250千米的“靈神星”，科學(xué)家通過(guò)觀測(cè)估計(jì)其上含有5億億噸鐵、5000萬(wàn)億噸鎳，還有其它金、鉑等貴金屬數(shù)億噸，美國(guó)宇航局認(rèn)為“靈神星”上的鐵資源總價(jià)高達(dá)1000億億美元。

鑒于開(kāi)發(fā)小行星的巨大潛力，不論是民間還是官方都表現(xiàn)出了不小的興趣。如在2012年4月25日，美國(guó)一家名叫”行星資源”的創(chuàng)業(yè)公司在飛行西雅圖博物館舉行新聞發(fā)布會(huì)，宣布了其在小行星進(jìn)行采礦的具體計(jì)劃。而在2015年美國(guó)通過(guò)了《商業(yè)航天發(fā)射競(jìng)爭(zhēng)力法案》，賦予美國(guó)公司對(duì)其所開(kāi)采太空資源的權(quán)利。

2014年11月12日歐空局“羅塞塔”號(hào)探測(cè)器釋放出“菲萊”號(hào)著陸器成功著陸67P彗星表面，成為首個(gè)在彗星上實(shí)現(xiàn)軟著陸的探測(cè)器；在2016年9月30日“羅塞塔號(hào)”成功撞擊67P彗星表面。

在具體行動(dòng)上，日本的“隼鳥(niǎo)”系列探測(cè)器首先成功在小行星上進(jìn)行了取樣，其“隼鳥(niǎo)號(hào)”探測(cè)器已經(jīng)第一個(gè)將小行星“糸川”的樣本帶回地球，幫助人類更好地了解了這顆小行星的巖石密度、表面地形、形狀、顏色、主要構(gòu)成成分和歷史等。“隼鳥(niǎo)2號(hào)”返回艙去年12月6日降落在澳大利亞南部沙漠地帶，獲取“龍宮”小行星樣品5.4克。另外美國(guó)“奧西里斯-雷克斯”探測(cè)器在2020年10月20日成功降落在近地小行星“貝努”的表面并采集樣本，計(jì)劃2023年9月抵達(dá)地球。

▲ 小行星2016HO3

已被中國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的小行星

在小行星探測(cè)領(lǐng)域，中國(guó)也早已經(jīng)有所行動(dòng)。2012年12月15日中國(guó)“嫦娥二號(hào)”探測(cè)器近距離飛越小行星圖塔蒂斯，實(shí)現(xiàn)首次小行星飛越觀測(cè)，并獲取最高分辨率3米的光學(xué)彩色圖像，正式邁進(jìn)了原本只有美歐日成員的小行星探測(cè)“俱樂(lè)部”。

2019年4月中國(guó)國(guó)家航天局發(fā)布了《小行星探測(cè)任務(wù)有效載荷和搭載項(xiàng)目機(jī)遇公告》，確定了今后中國(guó)小天體探測(cè)器方案的探測(cè)目標(biāo)，是一顆地球共軌天體2016HO3以及小行星帶中的主帶彗星133P，并希望通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)兩類探測(cè)目標(biāo)和近距、附著、采樣等三種探測(cè)模式。

其中，2016HO3是一顆地球共軌天體，被美國(guó)夏威夷天文望遠(yuǎn)鏡于2016年發(fā)現(xiàn)，它繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的周期幾乎和地球一樣，為366天，看上去總是和地球不離不棄，距離地球大約38～100倍地月距離，因此發(fā)射和返回窗口靈活，適于取樣返回、分析天體來(lái)源。圍繞2016HO3，中國(guó)將測(cè)定軌道參數(shù)、自轉(zhuǎn)參數(shù)、形狀大小和熱輻射等物理參數(shù)，研究其軌道起源與動(dòng)力學(xué)演化。同時(shí)探測(cè)形貌、表面物質(zhì)組份、內(nèi)部結(jié)果，獲取小行星樣品背景信息，以及對(duì)返回樣品開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室分析研究。而133P是小行星帶中的主帶彗星，研究熱點(diǎn)為主帶彗星形成和演化、氣體活動(dòng)機(jī)制。圍繞133P，中國(guó)將測(cè)定主帶彗星的軌道參數(shù)、自轉(zhuǎn)參數(shù)、形狀大小和熱輻射等物理參數(shù)，研究主帶彗星的軌道起源及其動(dòng)力學(xué)演化。同時(shí)探測(cè)主帶彗星形貌、表面物質(zhì)組份、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、空間環(huán)境等信息，獲取太陽(yáng)系早期演化信息。

在今年的中國(guó)航天大會(huì)上，葉培建院士表示，中國(guó)小天體探測(cè)任務(wù)需要攻克多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。該探測(cè)任務(wù)的工程目標(biāo)是突破弱引力天體表面采樣、高精度和高自主相對(duì)自主導(dǎo)航與控制、小推力轉(zhuǎn)移軌道、輕小型超高速再入返回、多模式長(zhǎng)壽命電推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)。

▲ 中國(guó)科學(xué)院院士葉培建在中國(guó)航天大會(huì)上作《我國(guó)小天體探測(cè)任務(wù)的設(shè)想》報(bào)告 王磊攝

事關(guān)人類存亡的小行星

實(shí)施小天體探測(cè)任務(wù)有助于推動(dòng)中國(guó)深空探測(cè)整體能力提升，而且對(duì)于防御小行星威脅也會(huì)有巨大的貢獻(xiàn)。

研究表明，雖然小行星撞擊地球的概率極低，可危害卻極大。一般而言，如果小行星軌道與地球軌道的最小距離小于0.05 AU，就認(rèn)為是有潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)的小行星。目前已被確認(rèn)的超過(guò)1.6萬(wàn)顆近地天體中1838顆被認(rèn)為具有“潛在危險(xiǎn)性”。小行星的碰撞可能帶來(lái)十分嚴(yán)重的后果。據(jù)估計(jì)，直徑為10至50米的小行星撞擊地球，即可產(chǎn)生像廣島核彈爆炸一樣的威力；直徑在100米以上的小行星，就能產(chǎn)生幾百萬(wàn)噸級(jí)核彈的破壞能量；直徑大于10千米的小行星，能釋放10億噸級(jí)甚至千億噸級(jí)的能量，這樣的能量可導(dǎo)致災(zāi)難性的地球環(huán)境，使全世界陷入核冬。如廣為熟知的造成恐龍滅絕等災(zāi)難的原因很可能就是由于小行星與地球碰撞。

目前國(guó)際上認(rèn)為可能采用的行星防御一般是通過(guò)主動(dòng)手段，其中包括核爆、動(dòng)能撞擊、激光燒蝕、離子束牽引、引力拖曳、質(zhì)量驅(qū)動(dòng)等，破壞小行星的結(jié)構(gòu)或者偏轉(zhuǎn)小行星的軌道。

去年5月26日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心的中科院復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李明濤、王藝睿、王有亮、周炳紅、鄭偉等科研團(tuán)隊(duì)，提出應(yīng)對(duì)大尺寸潛在威脅小行星的“以石擊石”防御方案。具體而言就是通過(guò)發(fā)射無(wú)人飛行器捕獲小尺寸小行星或者在碎石堆小行星上采集超過(guò)100噸的巖石，與飛行器構(gòu)成組合撞擊體，操控組合體撞擊對(duì)地球有潛在威脅的小行星，將潛在威脅小行星偏轉(zhuǎn)出撞擊地球的軌道。

按當(dāng)時(shí)的介紹，相比經(jīng)典動(dòng)能撞擊方法，“以石擊石”方案可突破地面發(fā)射人造撞擊體的運(yùn)載能力和包絡(luò)限制，通過(guò)在太空中捕獲百噸級(jí)質(zhì)量的巖石，從而顯著提升撞擊體質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)小行星防御效果的數(shù)量級(jí)提升，對(duì)小行星的軌道偏轉(zhuǎn)效果可提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，為防御大尺寸潛在威脅小行星提供核爆之外的一種新選項(xiàng)。

在今年中國(guó)航天日主場(chǎng)活動(dòng)開(kāi)幕式上，國(guó)家航天局局長(zhǎng)張克儉也提到了小行星防御。他在致辭中說(shuō)：“站在新的歷史起點(diǎn)，中國(guó)航天將論證實(shí)施探月工程四期、行星探測(cè)工程、建設(shè)國(guó)際月球科研站和近地小行星防御系統(tǒng)，拉開(kāi)新時(shí)代探索九天的新序章?！倍~培建院士則表示，中國(guó)進(jìn)行的第一次小行星探測(cè)就會(huì)選擇降落采樣，一旦掌握了降落技術(shù)，就意味著將來(lái)如果有小行星撞擊地球，中國(guó)可以直接接近并干預(yù)。由此不難看出，中國(guó)對(duì)于小行星防御的研究正在穩(wěn)步推進(jìn)，以期在將來(lái)更好地造福全人類。