奥西里斯-雷克斯：太阳系的“考古学家”

2019-04-09刘宇邹小端

太空探索 2019年2期

文/刘宇邹小端

▲ “奥西里斯-雷克斯”在进行热真空试验

2018年12月31日，经过两年多的长途飞行，美国宇航局（NASA）首个小行星取样返回探测器“奥西里斯-雷克斯”首次进入小行星贝努(Bennu)的轨道，使贝努成为人造探测器环绕飞行的最小天体。

“奥西里斯-雷克斯”2016年9月8日由宇宙神5火箭发射升空，一年后回到地球附近做了一次借力飞行。探测器由洛·马航天系统公司建造，发射重量2110千克。抵达后，它先利用所携相机、光谱仪和激光高度计等仪器从轨道上对贝努进行近一年的勘测研究，并找出最有希望的候选采样地点。2020年7月前后，它将会缓缓地接近贝努，在约5秒的短暂接触过程中利用机械臂上的采样装置采集样品。探测器将在2021年3月离开贝努，2023年9月把样品送回地球。它是NASA新疆界计划的第三个探测器，第一个是“新视野号”，第二个是朱诺号木星探测器。

“奥西里斯-雷克斯”的命名

“奥西里斯-雷克斯”英文名为“OSIRIS-Rex”。它高度继承了此前NASA火星探测器的成熟设计，携带了五大探测仪器以及独特设计的取样机械臂，确保任务的完成。它的任务命名也正是科学目标的集合：

Origins起源：采集来自太阳系早期的原始的碳质小行星样品，带回地球在实验室里研究生命的起源和行星形成的过程。

Spectral Interpretation光谱分析：探测器直接光谱调查，将建立起和地面观测光谱数据之间的联系，并为众多其他小行星的望远镜观测数据提供重要的参考。

Resource Identification资源调查：绘制碳质小行星的化学和矿物地图，为经济开发和未来的空间探测打基础。

Security安全：关注小行星对地球潜在的威胁，通过测量太阳光对小行星贝努轨道造成的影响，提高未来小行星轨道预报的精度。为了提高未来轨道预报的准确性，探测器将精确测量太阳光照造成的小行星轨道变化，这种影响被称为雅可夫斯基效应。它是指当小行星吸收阳光和释放热量时，由于小行星自身的转动，接收和释放辐射的方向变化会对小行星自身产生微小的推动力，致使其运动发生改变。

Regolith Explorer土壤探测：精确记录采样点的信息。

为什么选择贝努？

太阳系小行星的个数超过55万颗，为什么独独选贝努为取样探测的目标呢？

轨道接近地球且与火箭运载能力匹配

近地小行星有撞击地球的风险也更容易抵达。选择轨道接近地球且与火箭运载能力匹配可以在现有能力下实现最大的科学价值。满足此条件的小行星大概有8000多颗。

具有最优返回轨道

“奥西里斯-雷克斯”的目标是带回样品，所探测的目标必须有最优返回轨道才能顺利带回样品。满足此条件的小行星还剩300颗。

直径在200米以上

直径小于200米的小行星通常自转太快（小于2小时）或者没有稳定的自转轴。科学家担心如此快的自转会把天体表面的松散风化层甩出去。这样，还剩27颗小行星。

是C型小行星

只有C型小行星被认为是46亿年前形成太阳系的冷尘云的化石。余下的27颗小行星中只有5颗是C型小行星，贝努是其中一颗。

“奥西里斯-雷克斯”的科学家团队采用行星雷达系统生成了7米分辨率的贝努形状模型，测量了它的体积密度以及精确的轨道特征；同时在哈勃空间望远镜的帮助下确定了贝努是一颗C型小行星，并精确测定了它的旋转速率；此外斯皮策空间望远镜提供了热红外观测，这为飞行系统环境条件的评估以及风化层特性提供了线索。正是由于这些丰富的观测资料以及对贝努化石特性的确认，使得贝努成为“奥西里斯-雷克斯”的首选探测目标。

贝努的直径大约为480米，大小如一座山，它诞生于太阳系形成早期，寿命约有45亿年。NASA科学家塞勒说，小行星就像“时空胶囊”，可以从上面获得太阳系数十亿年前的原始样本，这就是为什么对科学家而言，这些样本比黄金还要珍贵。

“奥西里斯-雷克斯”怎么飞？

对于长达7年的旅程，“奥西里斯-雷克斯”详细规划了其间的主要行程：2016年9月4日启程，在深空机动后，2017年9月重新飞越地球，完成地球借力。随后经过11个月的漫长星际巡航，于2018年8月开始光学搜索目标贝努，进入接近段飞行。之后的一个月，在2018年10月与贝努交会之前，“奥西里斯-雷克斯”慢慢接近贝努，搜寻它的卫星，进一步精确测定它的形状与旋转模型。2018年11月，进入初察与环绕段，通过估计贝努的质量并从星基导航转移到基于表面陆标光学导航以精确估计“奥西里斯-雷克斯”相对于贝努的轨道状态，为余下的相遇旅程建立导航基础。接下来进入详查段，“奥西里斯-雷克斯”绘制贝努的包括结构、矿物以及化学的组合全球地图，展示地理特征，揭示其地质及动力学历史，并为取样返回提供背景。“奥西里斯-雷克斯”上那套由0.8度、4度及21度视场的三个相机组成的相机组，可以在可见光波段识别贝努的表面组份；激光高度计可以绘制1微米的表面地形图；可见光与红外光谱议在0.4－50微米波段识别表面组份；风化层X光成像光谱仪提供一个贝努的全球元素丰度X光地图。触走段（TAG）是整个旅程最精彩的地方，后面将有专门章节详细讲解。

在到达贝努931天后的2021年3月，“奥西里斯-雷克斯”将执行319米/秒的返回机动。2023年9月24日，样品返回舱将着陆于犹他州测试与训练场。继承自星尘号的流程会将返回舱运送到约翰逊航天中心，在这里样品将被取出并送到管理场。对样品的分析，将为人类提供前所未有的关于太阳系从行星形成的原始期到生命起源期间的丰富资料。

▲ 热辐射光谱仪

“吸尘器”采集大法

样品采集过程分为两个阶段开展：排练阶段与触走段（TAG）。确定采样点后，团队开始执行排练阶段的工作。第一次排练将执行检查点（Check point CP）机动并回到1公里轨道。第二次排练将在返回轨道前进一步执行由CP到MP（Matchpoint）的机动。在成功完成机动排练后，团队将开始着手样品采集工作。

“奥西里斯-雷克斯”将接触贝努的表面，并收集一份样品，然后返回地球。由于从贝努到地球有单程15～20分钟的延时，因此探测器团队将需要探测器上的导航与制导来执行触走段操作。“奥西里斯-雷克斯”将利用距离变化测量装备确定探测器相对于贝努的位置，自主的调整机动以确保能触及预定椭圆取样区域表面。一旦探测器感知到接触到贝努的表面，将自动触发采样机构，喷出氮气并收集风化层样品。

与日本“隼鸟2号”发射弹丸撞击小天体收集溅起的碎末不同，“奥西里斯-雷克斯”设计了新颖的吸尘器采集方案。由于风化层多为松散结构，利用吸尘器的原理不失为一个好方案。但小天体贝努上没有大气，没法形成气流。没关系，我们自已制造气流。“奥西里斯-雷克斯”自带压缩氮气，通过设计特殊的气路，用高压氮气冲刷风化层，再对携带有风化层微粒的氮气流进行过滤，采集到贝努的风化层样品。按照设计，至少能收集到60克样品，工程师预期最多可采集2千克样品，比“隼鸟2号”要多得多。

然后“奥西里斯-雷克斯”将以比贝努表面逃逸速度（约20厘米/秒）更快的速度（约70厘米/秒）离开贝努。大约24小时以后，当探测器到达安全距离，团队将样品转入样品返回舱。当然样品在转入返回舱之前，团队还会通过采样相机对其进行检查，合格后方可转入。

回家之路

自2021年3月，“奥西里斯-雷克斯”在执行了319米/秒的返回机动后，将进入弹道返回轨道于2023年9月返回地球。这个返回轨道并没有设计大的机动，以保证即便在返回过程中失去与地面的联系，“奥西里斯-雷克斯”也能安全飞越地球。

▲ 在厂房中被吊起的“奥西里斯-雷克斯”

在进入大气前4小时，“奥西里斯-雷克斯”将返回舱弹出，并执行一个17.5米/秒的轨道机动，将“奥西里斯-雷克斯”置于一个稳定的日心轨道上。返回舱依靠自转保持在真空飞行与早期进入稀薄大气期间的稳定性。返回舱采用与星尘号返回舱一样的热防护系统。它可以保证在将高速进入的返回器99%动能消耗成热能的同时，确保返回舱内的样品温度仍低于75摄氏度。在经历热峰一分半钟后，返回舱进入自由落体阶段，在离地面3公里高度时开主伞，最终在进入15分钟后着陆于80×20公里的椭圆内（99%），随后样品被送到分析部门。

“奥西里斯-雷克斯”选择了能力范围内最具科学价值的贝努小行星为目标；以其独特的吸尘器式收集方案力图尽可能多地收集松散的C型小行星风化层样品；继承成熟的“星尘号”返回方案，保障返回过程中样品中富集的易挥发物质不流失，确保样品的高科学价值；整个行程长达7年。这一切只是为了扩展人类对太阳系从行星形成的原始期到生命起源这期间历程的认识。让我们拭目以待“奥西里斯-雷克斯”的精彩太阳系考古之旅吧。