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《科学24小时》

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捕捉小行星建设空间站

2014-01-21 21:56:46

在太阳系内,天文学家已经发现了约70 万颗小行星,它们在宇宙中就这么飘来飘去,时而“攻击”地球,时而制造恐慌,时而穿越星体间。但如今,它们对于人类来说似乎还多了一个其他用处……

捕捉小行星建设空间站

尹怀勤

 

让我们把时间调回到2012123日,英国《每日邮报》报道,美国宇航局提出了一个惊人的想法,他们计划捕捉一个500吨重的小行星,调整它的位置,把它“变”成一个供人类使用的宇宙空间站。

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利用太空资源

早在2004 1 14 日,时任美国总统布什就提出最早于2015 年重返月球、2030 年后登陆火星的计划。美国宇航局随即开始了相关研究工作,并准备把未来的载人登月飞船——“猎户座”加以改进,使其成为载人登陆火星的航天器。

奥巴马总统上台后,在2010 2 1 日修改了这一计划,放弃了重返月球的想法,改为直接登陆小行星后登陆火星,而登陆火星的时间仍然定在2030 年。这一计划,最终促成了捕捉小行星,建设空间站,并把它作为载人登陆火星的中转站的想法。

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美国宇航局在经过仔细研究后认为,捕捉一颗500 吨重的小行星是较为实际的想法。500 吨虽然很重,但这样的小行星的体积其实非常小。假设该小行星是个球体,半径为R,其体积V 就是4πR³/3。若按灶神星的密度(每立方米3.4 吨)计算,一颗500 吨重的小行星的半径只有3.28 米,体积是147.8立方米,和10 辆大型SUV 车的体积之和差不多。

其实,像这种体积的小行星已经飞掠过地球好几次了。2010 9 8 日和9 日,两颗类似体积的小行星2010RX30 2010RF12 先后与地球擦肩而过,它们的半径分别是511 米和2.96.5 米,与地球的最近距离分别只有24.8 万千米和7.9 万千米,比地月平均距离38.44 万千米要小得多。在不到12 个小时内,相继有两颗小行星与地球相望而过,这是前所未见的天文奇观,美国媒体甚至称其为“一件史无前例的大事”。

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2011 6 28 日,一颗半径约为2.510 米的近地小行星2011MD,在距地球1.83 万千米处飞掠而过。虽然它没有撞上地球,但已经让科学家惊出了一身冷汗——它与地球的距离已处于人造卫星绕地运行的中轨道高度范围之内。由于这颗小行星的飞行速度为6.7 千米/秒,恰好大于该高度位置的地球逃逸速度5.7 千米/秒,因此没有和地球发生“交通事故”。

这几颗小行星和地球擦身而过,对普通人来说或许是一件非常恐怖的事情,但在科学家的眼里,却是一次机遇。科学家认为,2010RF12 2011MD 的体积都非常适合建设人类空间站。而且,它们与地球的距离十分微妙:远一点,那么捕捉它们的可能性就非常渺茫;近一点,那么它们就有可能撞击地球。

当然,可以让人类捕捉的小行星成千上万,从中选择一个并不是问题,难度在于如何捕捉它们。

 

一份可行性报告

美国宇航局和加州理工学院的研究团队撰写了一份关于捕捉小行星的可行性报告,报告中阐述了捕捉小行星的具体方案。

科学家们打算进行“废物利用”,在一枚几近报废的“宇宙神V 型”火箭上“做些手脚”——加装一个小行星捕捉舱,这个装置可以将小行星引向地球和月球之间。一旦小行星靠近火箭,小行星捕捉舱就会释放出一个半径为7.6 米的袋子,利用束带包裹住这块旋转着的“大石头”。随后,火箭将依靠约300 千克的燃料开启助推器,就像拔河一般,先使小行星在其轨道上停止运动,再把它拖到一个引力平衡点上,让它保持“安静”。而这个引力平衡点,就是地月系统的第一拉格朗日点L1,也是建设人类空间站的位置。航天工作者们就计划在那里对小行星进行改造,将它建设成为一个宇宙发射基地。按照科学家的设想,宇航员们将从那里乘坐载人飞船抵达并登陆其他天体。

拉格朗日点是圆型限制性三体问题中存在的五个秤动点的总称。它包括三个共线点和两个等边三角形顶点,被简称为L1L2L3L4L5 点。在两大天体的引力作用下,拉格朗日点是能使小物体稳定的点,小物体在该点上相对于两大天体基本保持静止。计划中捕捉到的小行星就是那个小物体,而地球和月球就是那两大天体。

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由于太空中两大天体在该处的万有引力相等,能使小物体处于引力平衡状态,而两大天体的万有引力的合拉力在该处与离心力平衡,因此人类的航天器也能安稳地停泊在那里,保持与两大天体的相对位置不变。

在天文学中,人们通常将拉格朗日点称为平动点。在地球和月球这个天体系统中,L1 点、L2 点和L3 点都在地月连接线上,L1 点位于地月之间,L2 点位于月球外侧,而L3 点则位于地球外侧。L4 点在以地月连接线为底线的等边三角形的第三个顶点上,在月球围绕地月系统质心运行轨道的前方。L5 点也在以地月连接线为底线的等边三角形的第三个顶点上,但它在月球围绕地球运行轨道的后方。

对于捕捉小行星建设空间站而言,这5 个位置各有优势,不过目前科学家们普遍倾向于L1 点和L2 点。处在地月连接线上的L1 点和L2 点,距离月球同为6.5 万千米,但分别位于月球的两侧。由于地月距离的平均值为38.44 万千米,因此人类向L1 点发射航天器的距离约为31.94 万千米,而向L2 点发射航天器的距离则为44.94 万千米。

因此,美国宇航局更愿意将捕捉到的小行星拖运到L1 点。一旦科学家真的能利用小行星建设空间站,那么L1 点的位置优势将非常有利于人们开展登陆火星等航天活动,从而更有效地进行深空探测和科学研究工作。

 

“高楼”平地起

倘若捕捉小行星的计划可行,那么接下来的问题就是如何在那里建设空间站了。在宇宙中建设空间站的难度可比在地球上筑起摩天高楼大多了。

小行星作为地基,对人类提供不了任何帮助,我们必须向它多次发射载人飞船和货运飞船,宇航员必须多次进行太空行走与工程操作,以充分了解小行星的体积和结构特征,并安装和构建居住、存储以及科学实验等设施,包括生命支持系统、科学仪器、操作工具、通讯设备和火箭控制平台等。当然,航天器空间交会对接机构也必不可少。显然,这一系列的工程将会耗费不少人力、物力和精力,一些意想不到的技术难题也亟待解决。因此人类在距地球更近的L1 点开展航天活动恐怕会比在L2 点少许多麻烦。

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虽然美国国会对这项耗资31 亿美元的计划并不完全认同,但科学家们从未放缓他们的脚步。作为人类历史上首次挪动宇宙自然天体计划中,最重要的三个技术难题,美国已经解决。

首先,美国已经有足够能力发现数量充足且体积合适的近地小行星。其次,美国有能力提供功率强劲的太阳能电力推进系统,以运输被捕获的小行星。利用太阳能推进至少有两种方式:在被捕获的小行星上,安装高效太阳能电池板阵列,不间断提供能够支持火箭连续运作的强大电力;在被捕获的小行星上,安装携有抛物面反射镜聚焦的、利用太阳能直接加热工作介质产生动力的太阳加热式火箭发动机。再次,还能在被捕获的小行星上安装太阳帆推进系统,用它产生的推力改变小行星运行轨道。这三种利用太阳能推进的技术,美国宇航局都已经掌握。因此美国有能力按照预定方案在21 世纪20 年代对重新定位的小行星进行探索与利用。

 

曾经的念想

其实,早在1992 年和2002 年的两次世界航天大会上,美国宇航局的太空探险计划小组就提出了21 世纪要在L1 点上建造新的人类居住地,作为飞向火星或其他太阳系天体中间站的设想。2012 年初,美国行星资源公司提议10 年内在近地小行星上采矿,期望为人类开辟一条新的资源供应渠道。此外,一些航天专家也曾提出在地球静止轨道上建造太空天梯和太阳能发电站,以及利用L1 点的位置优势开展航天活动的建议。

可以说,人类利用小行星这一自然资源的想法早就有了,只不过直到相关技术成熟的今天才有望将这个愿望变成现实罢了。

一旦人类在L1 点上建设小行星空间站成功,那么它不仅将以与月球同样的角速度围绕地球运行,而且距离地球的轨道高度也会基本保持不变。那里的环境将有助于宇航员们提前感受深空环境,提高适应能力,做好飞往其他天体的准备工作。当然,人们还能获得更多的地月环境数据资料,并开展天文观测活动。更重要的是,该处地球与月球的引力相互平衡,小行星的重力接近于零,在那里发射人类航天器根本不需要大推力的巨型火箭,可以大大降低发射成本。同时,位于美国加利福尼亚州的帕萨迪纳喷气推进实验室飞控中心可以通过测控网对该空间站及其发射的航天器进行测控,并及时发送遥控指令、接收返回信号,牢牢掌握它们的动态。

如果人类真的能够捕获小行星,并在L1 点上建设小行星空间站,那么我们必将更好地利用太空资源,进行更深度的太空探测,了解更无穷的太空奥秘。

 

名词解释

逃逸速度:在星球表面垂直向上射出一物体,若初速度小于某一值,则该物体将仅上升一段距离后,因星球引力产生的加速度而下落。若初速度达到某一值,则该物体将完全逃脱星球的引力束缚而飞出该星球。需要使物体恰好逃脱星球引力的速度就叫做逃逸速度。例如,地球表面的逃逸速度为11.2 千米/秒(即第二宇宙速度)。

 






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