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中国科学家提揽星九天计划 要将百吨小行星带回
来源:     日期:2018-11-09 05:39    字体:【】【】【

  近期,中国科学院国家空间科学中心李明涛研究员团队联合多家优势单位提出了一项名为“揽星九天”的大胆空间任务设想,计划在未来15-20年内捕获一颗外太空的小天体,操控其安全穿过稠密大气层,着陆地球表面无人区,期望将人类揽月摘星的梦想变为现实。

  这一设想的消息被新华社等媒体广泛报道。本版特邀请李明涛研究员撰文向读者详细介绍这一设想的具体内容。

  俱怀逸兴壮思飞,欲上青天揽明月——古往今来,人类一直有着探索宇宙的壮志豪情。科技进步不断挑战极限,人类实现了一个又一个创举,创造了载人航天、登陆月球、地外天体取样返回等前所未有的宏伟工程。揽月摘星已经不再是单纯的幻想,在不久的将来有可能成为一个全新的科学现实。

  我们提出的“揽星九天”计划,任务目标是对小天体进行科学探索、开发小天体矿产资源,因此“揽星九天”计划提出将小天体整体捕获到地球表面无人区,进而利用地球上完善的设施对小天体开展研究和资源开发。

  与之前专家学者提出将小天体捕获到地球轨道或者拉格朗日点轨道不同,“揽星九天”计划是首个提出并科学论证将小天体捕获到地球表面的空间任务构想。由于需要匹配轨道速度,将小天体捕获到轨道上需要更多燃料。“揽星九天”计划,利用自然的大气阻力减速,操控小天体以安全的速度着陆在地球表面指定无人区,能够有效降低对燃料的需求。

  “揽星九天”计划核心是操控与地球“擦肩而过”的近地小天体,使危害小天体变为人类可以开发利用的资源。给小天体装上发动机,插上飞翔的“翅膀”,操控其安全进入地球轨道上空;给小天体穿上“拉风”防热减速“外套”,操控其安全着陆无人区,从而实现摘星计划。一次性可以拖回百吨级小天体,将颠覆目前公斤级的取样返回方式,大幅度降低单位重量样本的带回地球成本,促进规模级太空资源开发利用。

  基于目前的地基观测设施,目前已经发现了超过90%的直径140米以上的小天体。“揽星九天”计划的操控对象是直径为1-10米的小天体或者大尺寸小天体上的矿石。小尺寸小天体的搜索发现将为“揽星九天”计划提供更多的候选目标,可以从中选择具有高科学价值、经济价值的小天体作为操控对象。

  国际上提出了NEOCam等多项小天体普查空间任务概念,我国钱学森空间技术实验室提出了异构卫星星座用于小尺寸小天体的巡天普查。

  “揽星九天”团队也在探索实现低成本的小天体巡天普查新概念技术方案,期望能够以尽可能低的成本实现小尺寸小天体的搜索发现和精细光谱测量。

  小天体操控任务设计主要解决捕获目标遴选、全程轨迹优化与制导、任务总体指标分配等问题。

  2015-2017年间“揽星九天”团队三次获得全国空间轨道设计竞赛冠军。基于在轨道优化领域多年的积累,“揽星九天”团队已经初步攻克了小天体操控任务设计难题,从已经编目的小天体数据库中找到了一颗适合操控的小天体。

  2014 HB177是一颗直径约6.4米的小天体,于2014年4月29日被美国夏威夷巡天望远镜发现。2014 HB177是Apollo类型近地小天体,近日点在地球轨道以内约1500万公里,远日点在地球轨道以外约5000万公里,轨道倾角相对黄道面约3.5°。该小天体会周期性穿越地球轨道,下次靠近地球发生在2034年,届时距离地球仅约20万公里。目前该天体的光谱类型不详,俄罗斯小天体监测机构估计该小天体重量约为385吨。

  经过计算分析,采用长征五号运载火箭,2029年发射,2034年可以将数百吨重的2014 HB177小天体带回地球。

  小天体操控平台设计由中国科学院微小卫星创新研究院承担。操控平台借鉴了美国小行星重定向任务(ARM)的口袋式抓捕机构。抵达小天体附近后,操控平台将旋转到与小天体同样的自旋速度,利用口袋式抓捕机构将小天体整体捕获,然后利用姿控发动机消除小天体的自转。为了实施轨道转移,操控平台配置了高比冲大功率霍尔电推进系统。

  与美国ARM项目不同,“揽星九天”任务需要将新型充气防热减速机构安装在捕获的小天体上,并且确保机构能够在轨展开,是操控平台设计需要重点考虑的关键技术。

  可控大气进入是“揽星九天”计划与美国ARM项目最本质的区别。核心难题是如何操控小天体安全穿过大气层,并减速到安全着陆的速度。

  “揽星九天”团队与中国空间技术研究院北京空间机电研究所合作,设计了刚柔结合的新型充气防热减速机构。该机构可以适应长征五号的包络,折叠发射,返回前充气展开,提供直径达20米的减速面;其次,该机构可以实现防热、减速功能一体化,不再需要专门的降落伞和制动火箭;第三,该机构可以高空减速,热流比传统防热机构低一个数量级;最后,头部采用传统防热机构,能够适应行星际返回的高温烧蚀。

  “揽星九天”团队制定了搜星计划、控星计划和摘星计划的三步走的技术路线图,期望联合优势单位推动项目从任务构想到工程立项。我们的分析表明,小天体操控原理是可行的,其经济社会效益显著。

  2010年,美国宣布将于2025年载人登陆近地小行星。2011年,美国Keck空间研究中心提出将一颗近地小行星捕获到月球轨道的任务构想,后来演化为美国的小行星重定向任务(ARM)。

  据2016年的消息,美国航天局公开了用来捕获小行星的机器人太空飞船计划,按照计划美国航天局将利用这一飞船于2021年在小行星上收集一块庞大岩石,并把它拉到月球轨道上,以便宇航员研究以及测试偏转理论,或针对模拟火星任务展开太空训练。

  小行星重定向任务由两部分组成——机器人飞船和载人飞船,这两部分的任务有助于测试NASA实现火星之旅所需的关键技术。其中载人飞船的任务预计在2026年发射。

  当机器人飞船在小行星表面着陆后,航天器将攫取一块直径几米的岩石。航天器随后将环绕这颗小行星运转约400天,此举旨在测试一个保卫地球免遭灾难性小行星撞击的方法:利用航天器自身的引力场巧妙地改变小行星的轨道。

  从小行星收集岩石之后,机器人飞船将逐渐改变巨石的方向并把它牵引到月球轨道上,牵引过程预计将耗费6年时间,其间将借助月球的引力。NASA计划利用这颗巨石在21世纪20年代展开一系列测试任务。

  在巨石那里,宇航员将能够从中选择、提取、收集以及返回样品,并执行测试操作,以验证火星之旅所需的概念技术。

  然而,2017年ARM项目被终止。尽管没有付诸工程实施,ARM项目在人类历史上首次科学地开展了小天体操控任务论证。

  我们提出的“揽星九天”计划,其将小天体捕获到地球表面的独特任务目标,决定了在关键技术、任务设计、操控平台设计等方面与ARM项目有着显著的区别。

  开展小天体探索,对研究太阳系起源、地球上水的来源及生命起源,同时减少近地天体对地球的威胁都具有重要意义。美国、欧空局和日本是小天体探测领域的第一梯队,我国于2012年开展了小行星飞越探测试验。

  小天体探测分为绕飞、着陆、取样返回、撞击等方式,其中难度最大、最有展示度、科学价值最高的探测方式是从小天体上获取样品并带回地球。日本是世界上唯一成功实施从小天体上取样返回任务的国家。

  “隼鸟”号是日本宇宙航空研究开发机构于2003年发射的小天体取样返回探测器。历经发动机故障、投放机器人失败、与地面失联、燃料泄漏等九死一生之后,于2010年将“糸川”小行星样品带回地球,是人类首次从小行星上采集到物质。

  “隼鸟”号总投资2.5亿美元,带回地球约1500个物质微粒,单个微粒尺寸约为千分之一毫米,平均单个微粒耗费约17万美元。正在实施的“隼鸟二号”、“OSIRIS-REx”等任务预算为数亿美元,目标取样重量不超过2公斤。深空取样返回的高成本由此可见一斑。

  现有高成本的取样返回方案,难以适应未来太空采矿任务的发展需求。面向太空采矿的星际大航海时代,必须创新深空取样返回的技术方案,降低单位重量样品的带回地球成本。

  小天体包括彗星、小行星、流星体和其他星际物质。彗星主要由冰、氨等挥发性物质构成,在接近太阳时,会拖着长长的彗尾,也被称为扫帚星。英国皇家天文学会将直径在100微米到10米之间的小天体界定为流星体,直径更大的小天体称为小行星,直径更小的则称为星际尘埃。

  在太阳及行星引力摄动下,小天体会“出轨”,从一个轨道“串门”到另外一个轨道。比如火星的引力会让部分主带小天体“串门”到地球附近,成为近地小天体。有科学家认为地球上的水甚至生命,是小天体“串门”时带过来的,甚至认为正是小天体“串门”才造就了地球的生命之河。

  某些“串门”的小天体,每隔几年就会光顾地球一次,与地球“擦肩而过”,最近距离甚至比月球还近。2013年,一个直径约20米的小天体在俄罗斯车里雅宾斯克高空爆炸,当量等效约30颗广岛,导致接近1500人受伤,3000栋房屋受损,波及3个城镇。最致命的是,这颗小天体爆炸之前没有任何一个机构发现它。

  小天体及陨石也具有重要的经济价值,甚至催生了陨石猎人的职业。小天体上蕴藏丰富的矿产资源,包括铂族贵金属、钻石等。美国宇航局已经看到先机,计划2026年绕飞探测灵神星,贵金属价值据说超过了全球GDP的总量。

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