作者:红枫 来源:中国科学报 发布时间:2014/11/4 7:48:38
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《自然》撰文提出小行星或为星际旅行更好途径

 

捕获小行星是一件让人费神的事,但却是人类进行星际旅行最好的跳板。

每周至少有一颗直径10米左右的小行星会与月球擦肩而过。图片来源:Detlev van Ravenswaay

人类进入宇宙后下一步要进行的巨幅跨越将是星际旅行。然而,科学界对此的共识却是即便要迈出一小步也艰难万分。今年6月,美国国家研究理事会的一份报告提出了多种星际旅行的可选择路径,但并未就此给出任何实质性的建议。是返回月球?直接登陆火星?还是采到其他行星上的巨石然后送入月球轨道,让有些无聊的宇航员可以有所去处、有所事事?美国宇航局(NASA)需要在2015年1月美国总统奥巴马的新财政预算出台之前,决定走哪一条路。

《自然》杂志撰文指出,与一些选择相比,其中一些选择更好一些。人类宇宙探险活动的成本与复杂性要求对涉及其中的每个元素认真估量,实现人类的终极目标:登陆火星。

但是NASA的下一个优先计划针对的却并非这个目标。小行星返回任务(ARM)是一项耗资数十亿美元的项目,其目标是捕获小行星上的物质,并将其带回宇航员可以接触到的地面。它还需要辅助性的航天设备如一个巨大的捕获兜,或是一个类似由Rube Goldberg设计的巨型街道游戏机爪的装置,但这些装置对人类登陆火星而言却并无用处。

还有一种更好的方式。由于每年都有上万颗像船运集装箱大小或是更大一些的小行星近距离经过月球。比如今年9月险些错过观测的小行星2014RC。科学家需要在距离较远时事先找到它们的踪迹,这样大量载人航天任务的机遇之窗将随之开启。

人类宇宙探索门户的开启需要三个条件:对小行星进行一次全面调查,从成千上万颗临近的小行星中找出其中适宜宇航员登陆的;提高航天器使用期限以及远距离航行能力,以此不断缩小地球与火星之间的距离;研发更好的自动化交通工具与器械,不论行星的大小、形状或是旋转速度如何,宇航员都可以对其进行探查。而且行星调查还可以对未来小行星撞击地球的危险进行审慎的预先评估。

“擦肩”过客

围绕太阳运转的小行星大多数都处于火星和木星之间的小行星带上,木星的引力和其他合力推动一些小行星进入距离地球4亿公里的轨道。近地小行星(NEAs)中直径最大的约30公里,尽管它们中大多数的大小都要以米计。最小的小行星数量也最多,它们经常骚扰地球,每天宇宙中都会有数吨来自这些最小行星上的颗粒物和卵石雨,每年还会有一些米级的小行星撞击地球。

在2013年2月,一颗直径约20米的小行星照亮天空,随后落在俄罗斯车里雅宾斯克市,震碎了该市的许多窗玻璃,此次撞击事件已经越过天降陨石的门槛,给地球上的人类造成极大危害。而平均每50年就有一次类似车里雅宾斯克的小行星撞击地球事件,这些小行星经常会落进海里。比如距今1.37亿年前至6500万年前的白垩纪时期,就有一颗直径约10公里的小行星撞击地球并落进了海里。幸亏这是数亿年才一遇的事件。

小行星不只是敌人,它们也可以成为朋友。近40年来,NEAs一直被认为是比月球表面更容易让人造航天器接近的地方。由于它们的引力场极小,与小行星近距离接触仅须靠近它并伴其飞行,而不需要其他专门的登陆设备。

轨道在地球与火星之间的小行星为检验人造航天器的航行距离和航行能力提供了里程上的目的地参考范围。人类的首个航天任务可能只会持续数周,难以到达更远的地方;但未来的探索能力将会达到数月,并成功进入更远的星际空间,最终证明火星对于人类来说不过是唾手可得。

2009年,一项由美国总统授权的航天任务已认识到,NEAs是一种低成本、可实现人类登陆火星目标的“灵活路径”。奥巴马在2010年4月的一次演讲中在航空工作者面前把“小行星”和“2025年”作为美国太空探索的航向。尽管这与美国前总统肯尼迪在1961年5月的演讲中亮出登陆月球的计划相比,声势有些微弱,但NASA布局者已把奥巴马的话作为航标。

现实问题来了:在21世纪20年代中叶,让人类抵达任何已知的近地行星依然超出了当前航空系统的科技能力与财政预算能力。因此登陆ARM日程已经重新孵化:无须再派人登陆小行星,而是在2025年通过人造航天器设备带回小行星上的一些物质。非载人太阳能推进设备将用来捕获战利品,并将其带回月球轨道,在那里宇航员可以对其进行研究。

任务这就完成了?绝非如此。研发捕获、装载以及重新寄送获得的小行星样本的硬件和操作设备都是当前研究中的“死胡同”,尽管如此,它们对长期载人太空旅行没有任何价值。向月球空间中传递一定数量的小行星样本是检验太阳能推进器能力的一种更加合理的方式,对于保证宇航员安全极为重要。这些因素向公众传递的信息是,登陆火星需要耐心和付出,需要脚踏实地地夯实航天能力,而不是一次性的昂贵伎俩。

探索门户

科学家认为,NASA需要一个更加实用的计划。登陆火星的长期目标很清楚,而近地行星则是最易于通向星际空间然后登陆火星的踏脚石。然而,如果可以坐等小行星靠近地球,为何还要选择进入太空捕获小行星呢?

科学家有大量的小行星可供选择。粗略估计,当前距离地球仅数倍于月地距离、直径达到数十米或体积更大一些的已知小行星达到一千多个,而这些只是冰山一角。地球与火星之间的轨道上依然有超过近千万颗小行星等待着科学家去发现,其中每过一周就会有一颗或更多小行星飞入月球轨道。由于现有的行星观测网络覆盖的范围有限,到目前为止人类探索到的小行星仅有其中的0.1%。

那些在光学距离上可以观测到的近地行星也是对地球存在潜在威胁的行星,“在它们找上我们之前找到它们”,是数十年来行星科学家经常叨念的口头禅。然而,美国国会和NASA均未就此资助大规模望远镜调查。NASA仅花了其财政预算的极小部分——每年2000万美元,利用调整后的天文设施随意进行了一些搜索。

当前的调查尚未达到美国相关法案的要求。美国国会于2005年底通过的《乔治·E·布朗近地天体监测法案》要求NASA到2020年找出90%的直径达到140米或更大的危险性近地行星,如果经费投资较之当前没有大幅增加,这一目标将会落空。这是一项巨大的挑战,需要美国国家航天部门、总统以及国会的大力支持:将研究经费增至每年2亿美元。与NASA“新边界”空间项目——向太阳系行星发射非载人航天探测器相比,这样的预算额度才能够让这项研究在10年内完成,而这些预算只是斥资数亿美元的ARM项目的一小部分。

一旦人类可以抵达一颗小行星的天然轨道,通往数以千计乃至更多小行星的门户将被打开,进一步使整个太空探索在本世纪20年代后期和30年代稳步前进,并在本世纪中叶对拓展一些备选商业太空资源进行评估。

自动化操作航天器(ROVs)将成为小行星探索所必需的技术,比如在火星轨道或表面工作的宇航员都需要用自动化设备来工作。大多数小行星的形状都极不规则,巨石遍布,在其轨道上翻滚前进。没有理由指望会碰到一个运行速度缓慢、姿态稳定以及有着安全、平整的表面,而且对航空设备十分热情好客的小行星。

挑战艰巨

过完今年最后两个月,奥巴马的2015年财政预算将会成形。NASA需要就优先执行的项目作出选择,它应该放弃ARM任务概念,优先进行行星观测,给未来载人空间任务打好基础。

NASA指挥部的人类探索、空间技术、科学以及其他项目必须集中各种资源解决它所说的巨大挑战。美国国会和白宫应该为了全人类的利益,资助一系列拥护协同探索、科技研发以及科学研究的任务。

这样的“巨大挑战性任务”应该关乎人造航天设备以及人类的未来。它应该与“新边界”项目的财政预算类似,该行星侦查项目通过竞争进行遴选,对每个项目的支持力度达到8亿美元左右。而对小行星的深层次认识可以推动工业界和学术界朝着最好的方向努力,同时优化长期布局,对所有参与申请课题进行竞争性遴选也可以确保纳税人的投资效益最大化。

《自然》指出,应重视探索3个与行星相关的领域:进行行星调查,找出人类通往目的地火星的一系列近地行星,同时完成2005年的调查任务;开展一场竞争,找出自动测量小行星偏离轨道的方法,未来某一天人类文明能否继续存在或将依赖于此;找出从小行星获取水或矿物等有价值资源的自动化方法,它或将在未来数十年有助于支撑人类到外太空旅行。

NASA需要回归正轨,实现人类下一步太空探索领域的巨大飞跃。(红枫)

《中国科学报》 (2014-11-04 第3版 国际)
 
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