取一块小行星送回地球

刘声远

2016年9月8日，美国宇航局第一艘小行星取样飞船——“奥西里斯-雷克斯号”（以下简称奥西里斯）从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空，从而开启了一趟意义重大的太空之旅。这趟旅程可能会大大深化我们对早期太阳系的理解。

奥西里斯的全称是“起源、光谱解读、资源调查、表层土探索者”。这艘飞船将抵达并探索“贝努”小行星（以下简称贝努），并且提取贝努的样本送回地球。像贝努这样的小行星，是在46亿年前的太阳系形成时期的剩余物。科学家推测，小行星和彗星可能是早期地球和其他行星体的水和有机分子的来源之一。来自一个已知源头且未被污染的小行星样本能确保精确的检测，这样的检测结果是非登陆飞船探测结果或对陨石的探索结果所无法企及的。

美国时间9月8日傍晚8时4分，奥西里斯由“大力神5型”运载火箭送入天空。目前，奥西里斯的动力由它的太阳能电池板提供。奥西里斯将在2018年到达贝努，这颗小行星的大小如一座小山。奥西里斯将与贝努进行复杂的同步（因为贝努的运行很不规则），并在此过程中为贝努绘制全球地图和进行详细探测，为小行星样本采集做好准备。2020年7月，奥西里斯将执行一次大胆的机动，其3.3米长的机械臂将伸出并“轻拍”贝努表面，收集至少60克的碎石和尘埃。2023年9月，奥西里斯将把小行星样本送回地球。

奥西里斯任务将成为美国首次从小行星取样并送回地球的任务，也是自“阿波罗号”系列飞船载人登月时代以来最大的取样返回任务。

“地狱判官”斗“魔王”

奥西里斯任务的命名是依据古埃及神话。在古埃及神话中，掌管地狱的判官奥西里斯是一位长着绿皮肤和法老胡须的男子。他的腿部有一部分像木乃伊那样被包裹，他的王冠两边都有两根大大的鸵鸟羽毛。雷克斯在拉丁文中意为魔王。之所以在奥西里斯任务命名中用雷克斯指代贝努，是因为这颗小行星有撞击地球并重创地球的潜在可能性（尽管这种可行性很低）。1999年，美国宇航局资助的小行星搜寻计划发现了贝努。贝努的直径约为500米（差不多为美国纽约帝国大厦的高度），重量超过6000万吨。

为什么是贝努？

太阳系中至少有50万颗已知的小行星，那么，科学家为什么偏偏要选贝努作为取样对象呢？

距离地球近 最靠近地球的小行星被称为近地小行星，它们距离太阳都在1.3天文单位以内（天文单位指地球与太阳之间的平均距离，约为1.5亿千米）。对于像奥西里斯这样的取样返回任务，飞船最容易前往的小行星距离太阳在0.8～1.6天文单位之间。理想的小行星拥有类似地球的轨道，偏心率和倾斜度都不高。2008年，当科学家着手选择奥西里斯的探索目标时，有超过7000颗近地小行星，但其中只有192颗的轨道满足上述要求。

直径越小，小行星自转越快。如果小行星直径不到200米，那么由于自转过快，它的表层土就可能抛射到太空；所以，理想的小行星直径要超过200米，这样飞船才能与之安全接触并采集足够的表层土。这一要求让候选小行星从192颗减少到26颗。

组成 基于化学组成的不同，小行星被划分为不同类型。最原始的小行星都富含碳，它们从40多亿年前形成至今都没怎么改变过。这些小行星所含有的有机分子、挥发物和氨基酸，可能是地球生命的前驱物。在上述26颗小行星中，只有12颗的构成已知，并且只有5颗是原始和富含碳的。从这5颗中，贝努最终被选定。

雅科夫斯基效应 科学家之所以急于了解贝努，还有另一个理由。贝努在金星和火星之间环绕太阳运行，因此它经常穿越地球轨道，每6年靠近地球一次。2135年，贝努将相当靠近地球，届时它与地球的距离将比月球距离地球还近。地球的引力将改变贝努的轨道，要想预测它会不会因此更靠近地球很困难。事实上，要想预测像贝努这样的小行星轨道并不容易，这是由于雅科夫斯基效应。黑暗的小行星会吸收阳光，然后又作为热量释放，由此造成一种虽然不强、但却能逐渐改变小行星轨道的推力。通过精确追踪环绕贝努的奥西里斯，科学家就能准确测量贝努所发生的雅科夫斯基效应。未来，科学家可能会尝试炸毁对地球构成威胁的小行星，或者让它们改道。

奥西里斯怎么飞？

奥西里斯离开地球的速度高达5.4千米/秒。为前往贝努，奥西里斯将执行一系列深空机动。首先，它将环绕太阳1年。接着，它将借助地球引力，让自己向着贝努飞去。奥西里斯将花1年时间近距离探索贝努。在此过程中，它的5部仪器将拍摄贝努全球，调查它的物理化学特性。

奥西里斯由两块太阳能电池板提供动力，还有两个锂离子电池存储电力以备不时之需，例如不直接面对阳光（发射和取样）时。奥西里斯的导航系统包括很多组件，例如恒星追踪仪、太阳传感器、激光测距仪和船上图像处理系统。

到达贝努之后

2018年8月，奥西里斯将在距离贝努接近200万千米处开始向后者靠近。在靠近过程中，奥西里斯将多次使用小火箭推进器，以匹配贝努在轨道中环绕太阳的速度。奥西里斯与贝努的会合，要求奥西里斯到达会合位置的时间与贝努完全相同，还要求奥西里斯的运动速度和方向也与贝努相同。

对贝努的全球调查将于2018年10月开始，持续近1年，分为4个主要阶段。

1.初始调查 旨在寻找小行星羽流、天然卫星，测量雅科夫斯基效应对贝努的加速作用。

2.轨道A上调查 让地面控制人员从空基导航转移到利用贝努表面图像进行陆基导航。

3.详尽调查 奥西里斯的多部仪器合力绘制贝努地图，确定贝努的全球光谱、热和地质特征。

4.轨道B上调查 以高分辨率继续绘制贝努地图，重点是寻找采样地点。当轨道B阶段结束时，采样地点也将被选定。

采样贝努会遇到什么困难？

科学家最大的担忧是，当机械臂在贝努表面采样时，贝努会怎样回应？机械臂将在慢速（10厘米/秒）状态下提取贝努表层土样本。为此，机械臂会打开一瓶高压氮气，喷射氮气以搅起表层土，然后用空气过滤器搜集它。科学家曾担心过多表层土飞起来，遮蔽船载相机镜头，损伤重要部件。在采取了一些举措后，这种风险大大降低。例如，为激光测距仪添加了一层保护膜，以备可能进行的第二次取样。

样本怎样回地球？

奥西里斯离开贝努的时间窗口（在这个窗口或时段内，从贝努飞回地球所需时间最短）将在2021年3月开启。届时，奥西里斯的主引擎点火，奥西里斯将以0.32千米/秒的速度离开贝努。这次点火将把奥西里斯送入一个惯性飞行轨道，这个轨道在2023年9月与地球轨道交叉。届时，奥西里斯将在交叉点转入地球轨道。

2023年9月24日，在经过70.6亿千米的漫长飞行后，奥西里斯将来到地球附近。它将弹射（后面是抛射，二者应该统一。）样本返回舱，把后者送上前往美国犹他州沙漠着陆点的路径。奥西里斯将执行最后一次机动，让自己离开地球，前往深空。具体来说，在进入地球大气层之前4小时，奥西里斯将抛射（上面是弹射）样本返回舱。接着，奥西里斯执行17.5千米/秒的转向机动，从而进入一条围绕太阳的稳定轨道。

样本返回舱将以12.4千米/秒的速度进入地球大气层顶部，防热罩将消除99%的初始动能。进入大气层后，样本返回舱将自由坠落，直到离地面大约3千米。此时，降落伞打开，让样本返回舱在2023年9月24日软着陆。至此，样本返回舱和奥西里斯的贝努往返之旅历时长达7年之久。

在地球上，科学家将在原子水平检测贝努样本，确定这颗小行星的化学成分。科学家将重点找寻诸如氨基酸和糖之类的有机分子，它们是构建生命的基本单元。