不就是一塊石頭么，看我把它推回去！ ——回顧NASA胎死腹中的小行星重定向任務

在推送間隔的這幾天，航天界發生了很多事情。不只是國內的，也有國外的。這裡只想說一點，航天事業一直都是一項高技術、高投入、高風險的特殊行業，愛好者的寬容、耐心和理解是對這項崇高事業最真誠的支持。

今天我們來關注一下曾經光環加身，並被SLS和獵戶座飛船「欽定」的小行星重定向任務（ARM），雖然該任務已經慘遭特朗普政府的「扼殺」。但我一定要說——這才是真正的「吸星大法」，而且是NASA出品，本文由SaturnV原創。

2017年6月14日，NASA正式宣布取消原計劃用SLS在2026年發射的小行星重定向（ARM）任務，至此這個從誕生之初便充滿爭議的項目正式畫上了句號。小行星重定向任務有何特別之處，為何NASA最初會公布這項特殊計劃，其項目本身又有哪些深遠意義？今日我們就來「惋惜」一下這不怎麼受人關注卻有著最大實際意義的小行星重定向任務，

「不就是一塊石頭么，看我把它推回去！」，這估計是《機動戰士高達》系列動畫的粉絲最熟知的梗了。這個梗源自《機動戰士高達——0093》（主頁菌註：0093代表的是作品中虛構的UC紀年的第93年）中，大反派夏亞為了徹底摧毀地球聯邦政府，將小行星殖民地「阿克西斯」作為質量武器撞向地球，身為主角的阿姆羅最終犧牲自己將「阿克西斯」用高達推出墜落軌道。不過這款1988年上映的動漫顯然對環繞軌道不了解，高達往小行星運行的反方向施力，現實中此種降低小行星相對地表移動速度的行為無異於自殺，為小行星減速只會讓其更容易墜入地球。這個軌道的「Bug」終於在2007年上映的高達00里得到了「修復」。這次是因為新武器測試事故，一部分空間站被炸離開並向地球墜落，高達最終利用逆天的推力給空間站加速使其進入短暫的環繞地球軌道，提供了充足時間救出裡面居住的人。

錯誤的改變軌道方式

正確的改變軌道方式

雖說沒有高達系列中華麗的變軌，小行星重定向任務以現在也光看也頗具科幻感。首先NASA將和天文學家一起選擇合適的近地球小行星，隨後小行星重定向機器人（Asteroid Redirect Vehicle）發射前往目標，在距離星體1公里的高度上ARV攜帶的相機將分析小行星表面，並尋找可能帶回的樣本。在選好大概家用SUV大小的行星表面石塊樣本後，ARV從50米處降落捕捉並由內置機械臂花費大約10分鐘固定樣本，隨後外置機械臂通過推離的方式離開小行星表面，並由外置機械臂進一步固定樣本。ARV會在小行星上空停留3天左右以分析樣品符合要求，隨後進行一項名為「引力拖拉機」的試驗，測試ARV可否利用自身質量和小行星質量之間的引力改變小行星的自轉和軌道。測試完成後ARV攜帶樣本返回月球軌道，同時SLS發射獵戶座飛船與ARV在月球附近對接，兩名宇航員進行出艙作業進一步分析小行星，並攜帶部分樣本返回地球。

內外兩組機械臂特寫

整個任務的動畫流程演示

整套小行星重定向任務預計從2021年起持續5-6年，NASA的格蘭研究中心預計項目總花費在26億美金左右。為能激起民眾的興趣和獲得美國國會的支持，NASA將耗資巨大的ARM項目包裝宣傳成火星任務測試平台，ARV上不僅要安裝用電磁場電離燃料後推進的離子推進器，還要安裝兩組全新的太空機械臂和寬頻激光通訊設備，同時在2026年發射的EM-5/6載人取樣任務也可為宇航員長時間深空活動提供寶貴的數據和經驗。而上述所有的科技成果都會為至少21個月的火星「往返票」鋪平道路，毫不誇張地說，小行星重定向任務正是NASA載人航天從近地軌道向深空進發最關鍵的墊腳石。

NASA提供的ARM項目時間表

然而「墊腳石」的定位卻使小行星重定向任務在美國國會異常尷尬，畢竟在科學方面都是半吊子的國會議員很難理解這塊「石頭」的重要性，帶回小行星樣本也遠沒有登陸月球或者火星吸引眼球，或許在他們看來這不過又是一項天文學家們花費巨資來完成一篇新論文的任務。也因此小行星重定向任務的必要性自2013年隨SLS誕生伊始便備受爭議，只有奧巴馬政府在苦苦支撐。不得不說在這方面奧巴馬很有遠見，2014年ARM項目的起始資金達到7千8百萬美金，可謂一筆巨大的長期投資。可惜的是人算不如天算，當白宮易主到自負且好大喜功的川普手裡，無法帶來短期回報和名譽的ARM項目自然會毫無懸念的慘遭腰斬。

比沖高達3000s的氙氣離子推進器原理圖，現階段氫氧引擎極限比沖為450s，離子推進器優勢可見一斑。

太空激光通訊的指向型遠優於無線電，因而耗能更少。

至少在筆者看來，NASA對小行星重定向任務的宣傳有問題是最根本原因。實際上ARM取消後最大的遺憾並不是失去了測試一系列全新科技和載人深空探索的機會，也不是失去再一次取回地外物質樣本的機會，而是失去了被NASA歸類為第二目標的「引力拖拉機」測試機會。不管ARV所攜帶的科技再先進，捕捉的樣本再珍貴，其帶來的利益終究只是停留在科學界，而以NASA計劃在2035年登陸火星的時間點來看，很少有人會理解間隔10餘年的長期投資。與之相反，改變小行星自傳和軌道的測試卻有著更迫切更廣泛的影響力，更易說服半吊子議員和民眾，而這一切還要從小行星撞擊說起。

悉尼又死了！（為啥要說又）

（主頁菌註：圖中情節的是幾十公里長的巨大太空殖民空間站被推入大氣層撞擊澳大利亞，這是《機動戰士高達》系列動畫中的經典設定之一）

高達0079里地球慘遭吉翁公國大質量殖民衛星墜落攻擊後的版圖，攻擊地點。。。。。。

（主頁君註：大家來找茬，看看哪裡遭殃了）

事實上「太空墜物」的災難並不只停留在高達這類科幻作品當中，現實中距離人類也不遙遠。根據康納爾大學天文系的統計，每年有18000至84000顆質量大於10克的小行星墜入地球，如果計算入宇宙塵埃，每年有37000至78000噸地外物質造訪地球，而我們之所以沒有感覺，是因為他們當中的絕大多數在和地球大氣層的劇烈空氣摩擦中燒毀，沒有燒毀的也大都墜落在無人居住的大洋，冰川和沙漠中。地球能躲過許多大質量小行星的撞擊，很大程度上要歸功於太陽系質量最大的木星一直在充當著「清道夫」的角色，向太陽系內部飛去的小行星們會被木星的引力場改變軌道或被困在太陽和木星的L4，L5點。

太陽系行星大哥不是白當的，在太陽木星L4，L5困住的大量巨型小行星

1994至2013被地球大氣層燒毀的小行星分布（密集恐懼症福利）

不過好運也總有用完的一天，1908年6月30日的俄羅斯通古斯大爆炸，威力相當於2千萬噸TNT炸藥，超過2150平方公里內的8千萬棵樹焚毀倒下，而其最被科學界接受的解釋便是一顆隕石在空中爆炸。2013年2月15日俄羅斯烏拉爾聯邦管區車裡雅賓斯克市（俄羅斯：怎麼中槍的又是我），一顆質量在7000到10000噸之間的隕石凌空爆炸，巨大的衝擊波造成1491人受傷，天空中留下了10公里長的軌跡。而在可能和地球相撞的近地天體中，大有質量和體積都遠超上述兩顆隕石的物體存在。按照噴氣動力實驗室（JPL）在2017年6月2日的更新，在距離太陽0.983AU和1.3AU的軌道之間（1.0AU為太陽到地球平均距離）共發現875顆直徑超過1千米的小行星，而其中有158顆的最小近地距離小於0.05AU被劃歸為潛在威脅天體，他們當中的任何一顆若被地球引力捕獲墜入地球，輕則對撞擊地區產生嚴重破壞，重則造成全球範圍的影響，就像6550萬年前可能滅絕恐龍的隕石那樣。

俄羅斯車裡雅賓斯克市上空的驚鴻一瞥

這些近地天體最大的威脅其實是其不確定性，由於小行星自身並不發光，發現並判斷小行星軌道和自傳需要依賴紅外輻射，雷達成像以及小行星反射的太陽光觀測，也就造就了許多誤差。而由於太陽系內多天體的引力作用，小行星可能處在混沌狀態下，及像雙桿擺動模型那樣，初始條件的細微變化會導致完全不同的軌跡，換句話說任何測量上的細微誤差哪怕只有0.01度，預測的小行星軌跡和自轉軸都會有天壤之別。唯一準確的方式只有派遣探測器抵達小行星附近測量，嫦娥二號探測器便在完成月球任務後前往探測了潛在威脅天體之一的小行星4179，並首次獲得該小行星精確的自轉數據。

嫦娥二號實拍

根據嫦娥二號數據做出的小行星4179三自轉軸模型。

儘管對近地小行星有充分觀測，但現在我們對改變小行星軌跡束手無策。現實中若想改變小行星軌道，比好萊塢大片「世界末日」和「天地大衝撞」一言不合就行星表面引爆核彈要麻煩許多。首先小行星複雜的自轉讓精確選擇表面引爆點或者動能撞擊點非常困難，其次便是具體能量的計算。能量過小無法改變小行星軌跡，能量過大除非能直接氣化小行星，不然大量碎片比單一小行星更加難以追蹤和處理。這也是為何小行星重定向任務中，ARV計劃利用質量間的引力作用來嘗試改變小行星自轉和軌道，就像磁鐵可以隔空「吸」物一樣，ARV將在垂直於小行星自轉軸的平面做順時針環繞軌道，用自身引力「吸」走小行星的自轉後把小行星「吸」離原本的軌道。（主頁菌註：吸星大法！）

「引力拖拉機」示意圖

和核彈引爆或者動能撞擊相比，「引力拖拉機」更可控且具備多次調整的能力，更不用擔心爆炸產生的碎片，這也是為何在諸多改變小行星軌道的方案中，小行星重定向任務選擇先行測試「引力拖拉機」的可行性，當然很大程度上也是因為引力改變小行星軌道耗時較長。然而隨著整個小行星重定向任務的取消，「引力拖拉機」也成了鏡花水月，或許自NASA把引力改變軌道的任務劃歸為小行星重定向任務中的次要任務時，這款「拖拉機」的命運便已註定。至少在筆者看來，這才是小行星重定向任務慘遭取消最大的遺憾。

東邊不亮西邊亮的「小行星撞擊及偏轉評估」項目(Asteroid Impact and Deflection Assessment)

嘛，不過看到這裡也不要灰心，小行星重定向任務取消並不代表NASA放棄了防禦小行星撞擊地球的任務。就在6月30日，NASA宣布和ESA合作的AIDA項目中的「雙小行星變軌測試」（Double Asteroid Redirection Test）飛行器已經從概念探討階段進入初步設計階段，計劃中NASA將在2020年12月發射小行星撞擊飛行器DART，ESA則在同年10月發射觀測器AIM（Asteroid Impact Mission），兩個探測器在2022年10月於小行星65803「蒂帝莫斯」的軌道匯合，提前5個月到達的AIM將會先行勘探小行星。隨後DART將在氙氣離子推進器（離子推進器：哈哈我又回來了！）的加速下以6千米每秒的速度撞向環繞小行星65803飛行的小行星衛星，同時地球上的望遠鏡將和AIM一起觀測此次撞擊前後對衛星環繞軌道的細微影響（預計不到1%的軌道速度變化），以此分析動能撞擊改變小行星自轉和軌道的可能性。

AIM和其攜帶的兩個立方星將和地球望遠鏡從四個不同角度觀測撞擊。

顯然和「兼職」的小行星重定向任務比，DART項目「存活」並實際執行的可能性更高。屆時作為地球防禦小行星的先驅，這枚「飛鏢」（Dart是英文里飛鏢的意思，一語雙關）可以大喊一聲「不就是一塊小行星嘛，看我把它撞回去！」