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航天器缺水缺燃料咋办?就近逮个小行星用用

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来源:中国科学报

科学家认为近地小行星可提供若干有用资源,用于支持未来的太空活动,如航天器推进剂制造和支持生命的消耗品。

在小行星家族中,那些运动轨道与地球轨道相交的近地小行星,因具有一定的可达性,能够提供太阳系形成和演化的关键信息,这一价值已成功引起了科学家的注意,并由此开展了一系列针对小行星的探索任务。

此外,科学家认为近地小行星可提供若干有用资源,用于支持未来的太空活动,如航天器推进剂制造和支持生命的消耗品。

因此,人们对这种低能战略产生了很大兴趣——将近地小行星捕获到地球附近,并对其资源进行开发和利用。

近日,英国格拉斯哥大学Minghu Tan团队提出,利用空气动力制动的方法,将近地小行星捕获至地球轨道,有望为空间站提供水、贵金属等资源,相关研究结果发表于《国际宇航学报》。

空气动力制动节省捕获耗能

研究人员探讨了通过施加脉冲力,改变小行星的运动轨道,并利用空气动力制动的策略,减缓小行星的运动速度,将近地小行星直接捕获到环绕地球的轨道上。

考虑到空气动力制动捕获小行星,存在发生操纵失控而撞击地球的危险,因此,研究人员首先对候选小行星进行了空气动力制动危险分析,纳入分析的是直径小于30米的近地小行星,原则上这些小行星不具有危险性。

经过计算发现,小行星2005 VL1是最理想的目标之一,使用10米/秒以下推力即可捕获。

捕获近地小行星至地球轨道,首先需要考虑小行星的大小和速度。

国家天文台一位不愿具名的专家表示,如果小行星的质量很大,运行速度与地球轨道速度相差过多,那么通过改变小行星的运动轨道捕获小行星就需要非常大的能量。

研究人员在文章中表示,降低近地小行星捕获的总能量成本是未来小行星捕获任务的关键。

空气动力制动是一种靠在飞行器上安装空气动力片(减速板)等装置实现制动的减速方法,可以在一定程度上节省能耗。

中国科学院紫金山天文台研究员季江徽告诉《中国科学报》记者,这种利用大气产生的阻力减缓物体进入轨道的方法,在航空航天相关领域中的应用已经比较成熟了。

美国的火星探测项目利用大气制动原理可以节省大量燃料并降低航天器的轨道。

控制小行星运动非常难

“我认为这是一个伟大的想法。”没有参与这项研究的天文学家Sherry Fieber-Beyer说。而美国北达科他大学大福克斯空间研究观察站主任补充说:“纸上谈兵很容易,实践起来怕是很难。”

美国宇航局(NASA)曾提出一项近地小行星重定向任务(ARM),发射朝向近地小行星的太空飞船,以一定方式改变小行星运行轨迹,将小行星(或小行星的一部分)捕获到围绕月球的远距离逆行轨道上。“但是,这项任务的难度非常大。”季江徽说。

对此,国家天文台的专家表示,就目前技术而言,我们可以精确计算小行星的运动轨道,实现定位,“但‘拽’住小行星很难实现”。

能否改变小行星的运动轨迹,将它推到地球附近的轨道,需要考虑的其中一个重要因素就是小行星的大小。

在此研究中,Tan将直径小于30米的近地小行星纳入候选行列。

他利用公式推算近地小行星的直径大小,公式中包括两个参数——小行星的绝对星等H和反照率pv。由于小行星的结构和物质不同,它们的反照率差异较大。研究者通过设定一定数值的反照率推算小行星的直径大小。

对此,季江徽表示,小行星大小的估算存在不确定度。

此外,由于小行星不是完美的球体,小行星的形状也对控制其运动轨迹产生了影响。

伦敦帝国理工学院物理学家Mueller-Wodarg提出,由于小行星的形状不规则,在改变小行星运动轨道时,小行星可能会受到扭矩,发生自旋,失去控制。

开采资源还是冲撞地球

许多年来,科学家一直试图通过登陆小行星获取小行星上的资源。

目前,正处于开发小行星采矿方法的最早阶段,美国的OSIRIS-REx和日本的隼鸟2号都是以采集小行星样本并返回地球为目的的探测器。

Tan在文章中提出,将小行星“引”至地球身边,可以对小行星上的铂或水进行开采,甚至可以将水分解成氢气和氧气作为燃料,为太空任务提供保障。如果能将地球大气变成一个可以捕捉小行星丰富资源的手段,无疑是向深入探索太空迈出了重要一步。

与此同时,有科学家怀疑这其中的危险性。

Mueller-Wodarg和Fieber-Beyer表示,如果将小行星靠近地球,可能会导致小行星撞击地球,甚至造成广泛的死亡和破坏。

虽然许多近地小行星的轨道相对为人所知,但它们的组成却并非如此。

小行星成分复杂,它们的表面变化多样,可以是灰尘覆盖的金属块,或是松散堆在一起穿过太空的漂浮岩石,金属和其他致密物质与轻质岩石的反应则不同。

地球的大气层相对厚实,大气阻力很大,理论上可以实现对小行星的减速效果。但是,将小行星靠近大气层,需要非常精准的操作。

季江徽说,“如果出现偏差,小行星在大气层发生爆炸,可能会产生流星雨状的‘小炸弹’落至地球,后果不堪设想。”

Tan对此提出异议,他表示,研究只关注直径小于30米的小行星,如果它们撞上地球低层大气,就会蒸发。

但他承认,如果小行星是由铁等高密度物质构成,那么小行星可能不会完全燃烧,需要格外小心。

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