1.1.3 主带小行星探测的目标选择
太阳帆推进技术能够为未来的深空探测任务提供新的轨道方案，小行星的引力比较低，太阳帆可以通过调整帆面使航天器与小行星长时间甚至近距离伴飞。对于主带小行星探测的任务来说，如果结合无需燃料的太阳帆作为推进方式，则可以长时间地探测多颗主带小行星，是非常合适的匹配方案。
与近地小行星相比，主带小行星无论从数量还是从质量、体积上都占有很大的优势，尤其（它）位于火星和木星间，这就为我们向太阳系外甚至更远的地方提供了一个可供休整的“驿站”，可以减少进行深空探测的成本。所以我们需要对小行星的属性（物理参数、地址特性等）进行研究，从而得到理想的太空中转站。
由于M类小行星主要由金属组成，其丰富的矿产资源令人类垂涎欲滴，而主带小行星的相当一部分是M类小行星，通过对它进行研究，不但可以了解它的矿物组成，而且可以为将来的“太空采金”做好准备。
地球上的生命是如何形成的一直是人类探索的目标。目前的一种猜想就是小行星与地球相撞而带到地球上来的，主带小行星与近地小行星相比，其更可能保留着太阳系原始的生命元素，所以探测主带小行星是探究人类起源的主要方向。
1.主带小行星目标选择
对于利用太阳帆推进技术进行深空探测任务而言，由于太阳帆航天器是利用太阳光压力作为动力，理论上可以到达太阳系的任何地方，所以我们的探测目标选择在离地球比较远同时更具科研价值的主带小行星上，同时对小行星实施伴飞探测。由于主带小行星主要分为碳质、硅酸盐和金属类，根据优选原则，故选取3颗具有代表性的小行星作为目标。候选目标主要包括如下具有特色的对象。
C类小行星——健神星
健神星（Hygiea）：它是主带小行星内第四大的小行星，稍微有一些椭圆，直径有300～500 km，并且估计占有小行星带3%的质量。
在主带中，它是黑暗的C型小行星，也是这一区内最大的一颗小行星。C型小行星是主带外缘最主要的小行星，分布在2.82天文单位的柯克伍德空隙之外。它黑暗的表面和与太阳的距离大于平均距离，使从地球观测到的它在大的小行星中显得很黯淡。事实上，在早先发现的23颗小行星中，它是第三暗的，只有芙女星（13号小行星）和海女星（17号小行星）在冲的时候仍比它暗淡。
在大部分冲的时刻，健神星的视星等大约是＋10.2等，比灶神星暗了4星等，至少要口径4英寸[1]以上的望远镜才能看见。在近日点的冲，健神星的亮度可以达到＋9.1等，使用10×50的双筒望远镜可能正好可以看见，不像704 Interamnia和511 Davida随时都能用双筒望远镜看见。
健神星表面的原始组成是碳质，与地球上的球粒陨石相似。作为健神星族的主要成员，它几乎占有家族全部的质量（至少超过90%）。与其他的巨大小行星如灶神星比较，目前原始的表面构造表明健神星在太阳系的早期并未被融化。健神星略呈椭圆的形状，使它成为四大小行星（还有矮行星的谷神星、智神星和灶神星）中最被注意的。除了在四颗中是最小之外，另一个重要的原因是健神星相对来说有着较低的密度，这是与木星或土星的冰卫星，甚至类地行星与石质小行星比较的。
在主带的四大小行星之中，我们对健神星特性的所知依然很贫乏。它的轨道比谷神星、智神星和704 Interamnia更接近黄道，但12%的离心率比谷神星和智神星更为偏离圆形。它的近日点黄经与灶神星和谷神星相似，但是它的升交点和降交点却与它们的位置是相对的。虽然它的近日点距离极为接近谷神星和智神星的平均距离，但是健神星和这些巨大的伴侣是不可能发生碰撞的，因为在这个距离上时，它们总是在黄道上相对的另一侧。健神星的远日点在小行星带的边缘，为与木星有3∶2共振的希尔达族在近日点上提供了助力。
它的自转异常缓慢，每27小时37分钟自转一圈，而其他巨大小行星的自转周期通常只有6小时到12小时。目前仍不知道它的自转方向，这是因为它两倍于正常的自转速度使光度曲线的品质恶化，即使利用望远镜进行一整晚的观测也只能得到自转周期的部分资料。光度曲线的分析显示健神星的自转轴指向黄道坐标（β，λ）＝（30°，115°）或（30°，300°），误差大约10°，两个指向的转轴倾角大约都是60°。
S类小行星——婚神星
婚神星（Juno）是人类发现的第三颗小行星，也是小行星带中最大的小行星之一，是由较重的石质组成的S-型小行星。它在1804年9月1日被德国天文学家卡尔·路德维希·哈丁以一架普通的2英寸口径望远镜发现的，以罗马神话中位阶最高的婚姻之神朱诺来命名。
婚神星是质量最大的小行星之一，质量约占整个小行星带的1.0%，在大小排序上也在前10名之内。它与司法星争夺石质的S-型小行星中最大者的荣衔，但最新测量已使婚神星屈居第二。在S-型小行星之中，它有异常的反射率，可能表示它的表面有着不同的性质，它是婚神星族主要的一分子。
婚神星以顺行自转，北极指向黄纬27°、黄经103°（β，λ）＝（27°，103°），但有10°的晃动（不确定性），自转轴与黄道夹角达到51°。
光谱研究显示婚神星表面含球粒陨石的成分，以及普通的石陨石中都有的含铁的硅酸盐，像是橄榄石和辉石等，可能是球粒陨石的来源。在2001年10月2日于日正当中时，测得的表面最高温度约为293 K，换算可得在日心坐标的近日点位置时温度可以达到301 K（28℃）。
红外线影像揭露在表面可能有直径达100 km的坑洞或是喷发形状，应该是在地质学上年轻的冲击结果。
M类小行星——灵神星
灵神星（Psyche）为一颗巨大的小行星，也很有可能是最大的M-型小行星，质量估计占所有小行星带天体的0.6%，是由意大利天文学家安尼巴莱·德·加斯帕里斯在1852年3月17日发现的，这是他发现的第5颗小行星，后来以希腊神话中的普叙刻（灵魂的化身）来命名。天文学家给予最早发现的15颗小行星一个速写的天文符号。
雷达观测显示灵神星是纯粹由铁与镍所构成的。灵神星似乎是一个更大天体裸露的金属核心。与其他M-型小行星不同，灵神星在表面并没有水或含水矿物存在的迹象，与它是金属天体的推测相符合。目前发现有少量的辉石仍然存在于灵神星上。
如果灵神星是一个更大星体的核心残余，那么在相同的轨道上预期会有其他的小行星。不过灵神星并不属于任何小行星家族。其中一个假设是这次碰撞发生在太阳系史上非常早期的时代，所以其他的残余被后来的碰撞磨成碎片，或是轨道被改变。
因为灵神星的体积大到足够可以计算出它对其他小行星的摄动，所以也可以计算出灵神星的质量。它的密度相对于金属而言是比较低的（虽然对这类小行星而言是比较普遍的），这显示出灵神星拥有一个较高的多孔性，达到30%～40%，表示它很可能是一个巨大的砾石堆。
灵神星拥有相当规则的表面，它大约是个椭球体。光度变化曲线显示灵神星极点的黄道坐标（ecliptic coordinate）为黄纬（β）-9°、黄经（λ）35°或是黄纬-2°、黄经215°，其中大约有10°的误差。灵神星的轴倾角（axial tilt）为95°。
目前灵神星有两次明显的掩星被观测过，一次在墨西哥被观测到，发生在2002年3月22日，另一次则是在2002年5月16日。灵神星的光度变化也显示它并不是球状天体，与雷达的观测结果及光度变化曲线相符合。
体积较大的小行星——智神星
智神星是第二颗被发现的小行星，由德国天文学家奥伯斯于1802年3月28日发现。其平均直径为520 km。智神星是第三大的小行星，体积与灶神星相似（并不确定），但是质量较低是值得注意的。
若不计算外海王星天体，智神星是太阳系内仍未被直接观测（以望远镜或探测器）其表面的天体中最大的。它也有可能是太阳系内最大的不规则物体，即自身的重力不足以将天体聚成球形（另一个候选天体是外海王星天体2003 EL61）。智神星体积虽然甚大，但作为小行星带中间的天体，它的轨道却相当倾斜，而且偏心率较大。近年从测光的结果表明，智神星的自转轴倾角接近60°（地球只有23.5°），这代表智神星上不同地区的日照长度有强烈的季节性。另外，天文学家仍未能就智神星的自转方向有一致的看法。透过掩星及测光方法，天文学家能间接推测智神星的形状。
此外，有研究指出智神星的光谱特征与一些碳质球粒陨石相似。
含淡水可能比地球还多的矮行星——谷神星
谷神星（Ceres）是太阳系中最小的，也是唯一一颗位于小行星带的矮行星。由意大利天文学家皮亚齐发现，并于1801年1月1日公布。谷神星的直径约950 km，是小行星带之中已知最大最重的天体，约占小行星带总质量的1／3。
在长达半世纪之久的时间里，谷神星被称为第8颗行星。它的名称源自刻瑞斯，是掌管植物生长、收获和慈爱的罗马神。最近的观测显示它外表呈现球状，不同于其他较小且重力较低而呈现不规则形状的小行星。谷神星的表面可能是各种水冰和水合矿物（如碳酸盐岩和黏土等）的混合物。谷神星也出现了分化，有岩石化的核心和以冰为主的地函，表面可能有液态水海洋下形成的海湾。
谷神星所含淡水可能比地球还多。这颗小行星在其他方面也很像地球。天文学家利用哈勃太空望远镜为谷神星拍摄了267幅图像。由美国康奈尔大学学者彼得·托马斯领导的小组发现，谷神星几乎为球状。这表明它的形状受到重力控制。此外，这颗小行星的物质并非均匀地分布在其内部。电脑模型表明，谷神星的内部分为不同层次：稠密物质在核心，比较轻的物质靠近表层。它可能包括一个富含冰水的表层，里面是一个多岩石的核心。美国太空望远镜科学研究所发表的一份报告说，如果谷神星表层25%由水构成，那么其淡水含量就比地球还多。
从地球看谷神星，它的视星等在6.7至9.3之间变化着，这种光度太暗以至于不能用裸眼看见。在2007年9月27日，NASA发射了“黎明”号太空船前往探测灶神星（2011年7月抵达）和谷神星（预计2015年抵达）。
被撞击产生很多小天体的小行星——灶神星
灶神星（图1-5）是火星和木星之间小行星带里个头最大的成员，灶神星是第二大的小行星，仅次于谷神星。并且是在2.5天文单位的柯克伍德空隙内侧最大的小行星。它的体积与智神星相似（在误差范围内），但更为巨大些。灶神星的形状似乎已经受到重力的影响而呈扁圆球形，但是大的凹陷和突出使它在国际天文联合会第26届的大会中被断然地排除在行星之外。因此，灶神星将继续归类为小行星，仍属于太阳系内的小天体。对小行星而言，它的自转（5.342小时）是比较快的，方向为顺行，北极点指向赤经20 h 32 m、赤纬＋48°，误差（不确定值）约10°，转轴倾角为29°。对其表面温度的估计当日正当中时是-20℃；在冬天，极点的温度低至-190℃，正常的白天与夜晚的温度各为-60℃和-130℃。以上的估计是在1996年5月6日，当灶神星非常接近近日点的时候完成的，细节则会随着季节有些许的变化。
图1-5 灶神星的表面
对于灶神星，科学家有大量有力的样品可以研究，有超过200颗以上的HED陨石可以用于洞察灶神星的地质历史和结构。灶神星被认为有以铁镍为主的金属核心，外面包覆着以橄榄石为主的地幔和岩石的地壳。
依照V-型小行星的大小（经过大撞击期间被抛出的灶神星外壳碎片），与南极坑穴的深度估计，外壳厚度大约是10 km。最明显的特征是在邻近南极点有一个巨大的，直径460 km的火山口，它的宽度达到灶神星直径的80%，坑穴底部的深度达到13 km，外缘比周围的地形高出4～12 km，总高低差达到25 km，中心有一座18 km高的山峰突起。估计这次撞击大约将灶神星体积的1%抛出，灶神星家族的V-型小行星就是由这次撞击产生的。除了这个陨石坑外，还有几个比较大的陨石坑，直径约在150 km、深度7 km左右，也曾被观察到。一个宽达200 km反射率黑暗的区域已经被命名为奥伯斯，以尊崇灶神星的发现者。但在等高线图中并未显示出奥伯斯，因此它是个新生成的坑穴还是古老的玄武岩表面，目前尚无从得知。它被选定为经度0°的参考点，定义上的本初子午线就穿过它的中心。
东半球和西半球显示出明显不同的地形，对哈勃太空望远镜影像的初步光谱分析，东半球显示有几种高反射率的地区，伴随着老年风化层的沉重坑穴高地地形和深度足以探测火成岩地层的坑穴。另一方面，西半球的大片地区被认为是玄武岩的黑暗地质组织占据的表面，或许类似于月海。
太阳系内许多种的小天体被认为是灶神星被撞击后产生的碎片，灶神星族的小行星和HED陨石就是例子。属于V-型小行星的（1929）Kollaa已经被确认有和钙长辉长无粒陨石类似的成分堆积着，显示它的来源是灶神星地壳的深处。因为有些陨石相信是来自灶神星的碎片，灶神星也就成为太阳系中五个有样本可供研究的天体。其余的是火星、月球、Wild2彗星和地球本身。
2.三个具有较大科学意义的探测方案建议
方案一：主要探测健神星，顺途可飞越其他主带小行星
（1）探明健神星上现在或者过去存在水的痕迹。
“健神星”和“智神星”这两颗小行星上据信过去都曾有过水，也都出现过碳基有机化合物。现在这两颗小行星上存在着比地球上更原始的化学成分，这些成分与太阳系形成早期时的条件更为相似。通过研究这些成分，能够为人类了解生命在地球上的形成提供更多的科学依据。
（2）探明健神星的自转方向，绘制其表面高分辨图像。
由于健神星两倍于正常的自转速度使光度曲线的品质恶化，目前它的自转方向仍然未知，可以利用可见波段和红外多谱段成像仪对它的大小、形态、自转特征进行确定。以我国现有的技术手段还能够摄取健神星表面高分辨的图像。
（3）探测健神星的化学元素分布。
虽然健神星是太阳系四大小行星之一，但它是质量最小的一颗，另一个重要的原因是健神星相对来说有着比木星或土星的冰卫星，甚至类地行星与石质小行星较低的密度，那么就有必要采用X射线和γ射线分光计对小行星表面主要化学元素的全星分布图进行测绘。
（4）探测健神星内部的物质组成。
小行星内的物质是组成行星的基本要素。由于健神星位于小行星带内，而小行星带处于有岩石内核的行星和气态的巨行星之间，所以探测出健神星内部的物质组成将可以回答为什么行星之间会差异巨大。而且，目前原始的表面构造表明健神星在太阳系的早期并未被熔化，那么健神星内部就有可能保留着太阳系早期的物质，对于了解太阳系的起源将可能是决定性的科学依据。
（5）顺途可以观察婚神星、灵神星、智神星和谷神星。
婚神星是由较重的石质组成的S-型小行星，也可以用X射线和γ射线分光计对小行星表面主要化学元素的全星分布图进行测绘。地面雷达观测显示灵神星是纯粹由铁与镍所构成的，目前发现有少量的辉石仍然存在灵神星上，对灵神星的主要矿物丰度进行勘探十分必要。智神星是太阳系内仍未被直接观测其表面的天体中最大的，对智神星直接进行拍照将会首次获得智神星的影像。谷神星所含淡水可能比地球还要多，通过拍摄大范围的地理地貌来辨认水流侵蚀和沉积的地表形态或者通过较小区域的地貌直接寻找覆盖在地面上的水冰就可以证实谷神星的淡水资源。
方案二：主要探测灵神星，顺途可以飞越其他主带小行星
（1）探明灵神星表面矿物成分。
雷达观测显示灵神星是纯粹由铁与镍所构成的。灵神星似乎是一个更大天体裸露的金属核心，研究灵神星地貌和表面成分将为我国获得第一批小行星形貌，也能为研究灵神星演化提供科学数据支持。
（2）探测灵神星矿物分布。
灵神星上面极有可能含有贵重金属资源，探测出灵神星矿物分布可以为将来的深空金属矿藏开采提供材料依据。
（3）搜索灵神星内部磁场。
灵神星含铁较多，必然相对其他类型小行星含有较强的磁场，可利用磁强计探测灵神星空间磁场的分布、结构及其随太阳风变化的特性。
（4）顺途可以观察健神星、婚神星、智神星和谷神星。
探测健神星内部物质将可能了解太阳系的起源。婚神星是由较重的石质组成的S-型小行星，也可以用X射线和γ射线分光计对小行星表面主要化学元素的全星分布图进行测绘。智神星是太阳系内仍未被直接观测其表面的天体中最大的，对智神星直接进行拍照将会首次获得智神星的影像。谷神星所含淡水可能比地球还要多，通过拍摄大范围的地理地貌来辨认水流侵蚀和沉积的地表形态，或者通过较小区域的地貌直接寻找覆盖在地面上的水冰，就可以证实谷神星的淡水资源。
方案三：主要探测灶神星，顺途可以交会或者飞越其他主带小行星
（1）探测灶神星的内部结构、密度和均匀性。
近年来，“哈勃”空间望远镜在可见光、凯克观测站在近红外波段对灶神星进行了详细观测。结果表明，灶神星表面与类地行星相似，主要由岩石构成。粗略地说它是球形的，但是扁球状，赤道隆起。这个形状表明其内部是有差异的，具有岩石的内核、含水的幔和薄的外壳。几十亿年前来自木星的引力扰动阻止它吸积更多的物质变成更大的天体。探测灶神星的内部结构、密度和均匀性将能够验证天文学家对灶神星演化提出的理论。
（2）确定灶神星的大小、形状、成分和质量。
灶神星又称第4号小行星，是德国天文学家奥伯斯于1807年3月29日发现的。灶神星是与地球类似的岩状天体（太阳系中距太阳较近的天体大多为岩状天体），位于火星和木星间小行星带的第四大天体，大小约为578 km×560 km×458 km。它是所有小行星中最亮的，有时还可达到肉眼可见的亮度。灶神星是椭球形的，最大半径为289 km，平均半径为（258±12）km。
（3）探测灶神星的表面形态。
灶神星是一颗干燥的小行星，表面被玄武岩岩溶覆盖，东半球是富含锰和缺钙的辉石，西半球是富含铁和钙的辉石。表面最显著的特征是有一个直径为460 km的巨大陨石坑，宽度占灶神星直径的80%，坑深约13 km。如图1-6所示为哈勃空间望远镜拍摄的灶神星的不同表面。
图1-6 哈勃空间望远镜拍摄的灶神星的不同表面
（4）检验当前灶神星作为紫苏钙长无球粒陨石（howardite）、钙长辉长无球陨石（eucrite）和古铜无球粒陨石（diogenite） ［HED］母体范例。在所有已知的陨石中有不少于5%的属于HED型。这些玄武岩陨石必定起源自一个具有火山活动的天体，而它们的成分又和灶神星的表面完全相符。对于灶神星而言，我们希望能从那里直接探测或者带回样本用于进一步研究验证。