“奧西里斯”升空去貝努小行星采樣

焦維新 （北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院）

“奧西里斯”升空去貝努小行星采樣

焦維新 （北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院）

美國(guó)東部時(shí)間2016年9月8日，美國(guó)航空航天局（NASA）的“起源、光譜釋義、資源識(shí)別、安全、風(fēng)化層”探測(cè)器（OSlRl S-REx，以下簡(jiǎn)稱“奧西里斯”探測(cè)器）成功發(fā)射，其有兩方面最為突出：一是將小行星貝努作為探測(cè)目標(biāo)是經(jīng)過了許多科學(xué)家的研究和精密論證，科學(xué)目標(biāo)選得非常好；二是“接觸即離”（TAG）的取樣方式取得了很大的突破，但也具有巨大的風(fēng)險(xiǎn)性，該方式可能成為未來(lái)探測(cè)小行星的重要方式，方式新穎，無(wú)可挑剔。

1　引言

近年來(lái)，隨著探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)近地小行星（NEA）的探測(cè)格外重視，國(guó)外已經(jīng)發(fā)射了多顆小行星探測(cè)器，我國(guó)的一些單位也正醞釀探測(cè)小行星。面對(duì)這種態(tài)勢(shì)，有的學(xué)者認(rèn)為，未來(lái)行星科學(xué)的研究將進(jìn)入小行星學(xué)時(shí)代。

此次發(fā)射的“奧西里斯”探測(cè)器的中文意思概括了這次發(fā)射的科學(xué)目標(biāo)。所謂“起源”就是通過分析小行星上的原始物質(zhì)，研究行星的形成和生命的起源；“光譜釋義”的含義是通過對(duì)目標(biāo)小行星進(jìn)行多光譜測(cè)量，獲得小行星的整體特征；“資源識(shí)別”的意思比較明確，因?yàn)榭蓮墓庾V測(cè)量中直接獲得礦物特征；“安全”是指這顆近地小行星具有撞擊地球的潛在危險(xiǎn)性，通過對(duì)雅克夫斯基效應(yīng)的測(cè)量，今后可以更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)其軌道，避免撞擊地球；“風(fēng)化層”的含義就更清楚了，這也是本次探測(cè)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，就是從小行星表面取回不少于60g的風(fēng)化層（或者說(shuō)是碎片）帶回地球。

美國(guó)已經(jīng)制定了近地小行星取樣返回探測(cè)計(jì)劃，按照這個(gè)計(jì)劃，“奧西里斯”探測(cè)器將于2019年與目標(biāo)小行星貝努（101955 Bennu）相遇，環(huán)繞貝努運(yùn)行505天，對(duì)其進(jìn)行全球表面成像觀測(cè)，探測(cè)器到表面的距離范圍為0.7～5km。然后采取“接觸即離”的方式，在小行星表面獲取至少60g的樣品，在2023年將樣品返回地球。

“奧西里斯”探測(cè)器只是美國(guó)探測(cè)小行星的先驅(qū)，今后還將陸續(xù)發(fā)射一些探測(cè)器，甚至改變整個(gè)小行星的軌道。這個(gè)計(jì)劃為什么將貝努作為探測(cè)目標(biāo)？這次取樣將采取什么方式？奧西里斯將攜帶哪些有效載荷？本文將向讀者概括地介紹這些問題。

2　選擇貝努作為探測(cè)目標(biāo)的原因

近地小行星貝努介紹

小行星貝努是1999年9月被發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)的名稱是1999 RQ36。通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，貝努每6年靠近地球一次，這樣就提供了詳細(xì)對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)的機(jī)會(huì)。在1999-2000年、2005-2006年以及2011-2012年間，貝努的亮度都很高，“奧西里斯”探測(cè)器研究隊(duì)伍成員對(duì)貝努的化學(xué)、物理和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了廣泛的測(cè)量，獲得了豐富的數(shù)據(jù)。

貝努的平均直徑為4 9 2m，赤道尺寸為565m×535m，自旋周期為4.297天。貝努軌道的近日距離是0.8969AU，遠(yuǎn)日距離為1.3559AU，軌道傾角為6.0349°，軌道周期436.6487天。在2175-2196年間撞擊地球的概率為1/2700。

可見光與紅外光譜測(cè)量的結(jié)果表明，貝努屬于B類小行星。B類小行星包含許多重要的、特殊的天體，如司理星（24 Them is）和主帶彗星133P/埃斯特-皮薩羅（133P/Elst-Pizar ro）。在光譜的特征方面，貝努可與司理星比較，包括反照率、可見光譜和從1.1～1.45μm之間的紅外譜。對(duì)司理星光譜分析顯示了在其表面有水冰和有機(jī)物的證據(jù)，這也說(shuō)明，貝努可能有類似的成分。貝努的光譜也與133P/埃斯特-皮薩羅和其他主帶B類小行星的類似。這類天體顯示了周期性的彗星活動(dòng)，這表明它們含有近表面的揮發(fā)物，當(dāng)在近日點(diǎn)附近時(shí)出現(xiàn)升華。貝努類似于這些天體，支持了貝努可能富含揮發(fā)性物質(zhì)的猜想。

另外，根據(jù)雷達(dá)圓偏振比的測(cè)量以及斯皮特空間紅外望遠(yuǎn)鏡熱紅外的測(cè)量結(jié)果，再加上對(duì)小行星形狀、密度和自旋狀態(tài)的地球物理學(xué)分析，證實(shí)貝努表面存在風(fēng)化層。這對(duì)于采取何種取樣方式是非常重要的信息。

目標(biāo)小行星選擇程序

小行星貝努已經(jīng)被美國(guó)航空航天局（NASA）選定為未來(lái)取樣返回的探測(cè)目標(biāo)。在2008年選擇探測(cè)目標(biāo)時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)9000多顆近地小行星，NASA提出的選擇條件是低偏心率和低軌道傾角，軌道近日點(diǎn)大于0.8AU，遠(yuǎn)日點(diǎn)小于1.6AU，符合這些條件的近地小行星只有350顆。

對(duì)于小行星的大小，NA SA提出直徑應(yīng)大于200m，這樣，符合要求的近地小行星數(shù)量由350顆減少到29顆。

從科學(xué)價(jià)值的角度看，富含碳類的小行星含有有機(jī)分子、揮發(fā)物和氨基酸，在上述29顆候選小行星中，有12顆知道成分，而只有5顆是富含碳的。

小行星貝努是一顆對(duì)地球有“潛在危險(xiǎn)天體”（PH A），最小軌道交會(huì)距離約0.002AU，在2182年撞擊地球的危險(xiǎn)性目前排在第二位。從近地軌道到與貝努軌道交會(huì)的速度變量為5.1m/s。綜合大小、成分、軌道等多種因素，最后被選為探測(cè)目標(biāo)。

選擇貝努為目標(biāo)小行星的過程

小行星貝努在2018年9月的軌道

“奧西里斯”探測(cè)器的科學(xué)目標(biāo)

1）從碳質(zhì)小行星貝努表面取回足夠量的風(fēng)化層物質(zhì)，用于研究小行星礦物和有機(jī)物的特性、歷史和分布；

2）對(duì)原始的碳質(zhì)小行星的整體特征、化學(xué)特性和礦物學(xué)特性進(jìn)行全球繪圖，用于確定其地質(zhì)特征和動(dòng)力學(xué)歷史特征；

3）描述取樣點(diǎn)實(shí)地風(fēng)化層的質(zhì)地、形態(tài)、地球化學(xué)和光譜特性，取樣點(diǎn)的空間尺度到亞毫米；

4）測(cè)量由非引力產(chǎn)生的軌道偏移；確定對(duì)潛在危險(xiǎn)小行星的雅克夫斯基效應(yīng)，并確定影響這種效應(yīng)的小行星性質(zhì)；

5）確定原始碳質(zhì)小行星的整體全球特征，以便與地基望遠(yuǎn)鏡關(guān)于整個(gè)小行星密度的數(shù)據(jù)直接比較。

3　關(guān)于“奧西里斯”探測(cè)器

整體結(jié)構(gòu)

“奧西里斯”探測(cè)器的整體結(jié)構(gòu)由探測(cè)器平臺(tái)、接觸即離樣品獲得機(jī)械（TAGSAM）、取樣返回容器（SRC）和5臺(tái)科學(xué)儀器組成。

探測(cè)器平臺(tái)的主要部件有電源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)以及X頻段通信系統(tǒng)。

接觸即離樣品獲得機(jī)械主要由兩個(gè)部件構(gòu)成，取樣頭和關(guān)節(jié)相連的定位臂。取樣頭用于獲得樣品，當(dāng)頭與小行星表面接觸時(shí)，釋放出高純度的高壓氮?dú)猓癸L(fēng)化層碎片流進(jìn)容器。定位臂的作用是為取樣頭定位，并最終將樣品送入取樣容器。

取樣返回容器的功能是安全地將收集到的樣品返回地球，繼承了“星塵”任務(wù)的技術(shù)。

“奧西里斯”探測(cè)器的整體結(jié)構(gòu)

有效載荷

“奧西里斯”探測(cè)器的有效載荷是5種科學(xué)儀器：可見光與紅外光譜儀（OV IRS）、激光高度儀（OLA）、熱輻射光譜儀（OTES）、成像探測(cè)包（OCAM S）和風(fēng)化層X射線成像光譜儀（REX IS）。

“奧西里斯”探測(cè)器的5種科學(xué)儀器

（1）可見光與紅外光譜儀

可見光與近紅外光譜儀工作波長(zhǎng)范圍是0.4～4.3μm，在0.4～0.9μm光譜范圍的分辨率（R=λ/Δλ）為125；在0.9～1.9μm光譜范圍內(nèi)的分辨率為150；在1.9～4.3μm光譜范圍內(nèi)的分辨率為200；此外，在2.9～3.6μm光譜范圍的分辨率為350，以便能分辨關(guān)鍵的有機(jī)物光譜特征。

（2）激光高度儀

激光高度儀能提供高密度的測(cè)量數(shù)據(jù)，因此能確定小行星的形狀模式和提供表面斜率信息。從距離貝努表面大約7km開始，激光高度儀開始測(cè)量，為其他儀器詳細(xì)測(cè)量表面特征提供支持。在距離表面1km的激光高度儀數(shù)據(jù)支持無(wú)線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)；距離表面700m，進(jìn)行全球高分辨率數(shù)據(jù)的觀測(cè)，這些數(shù)據(jù)還可以用于確定表面的斜率。在距離表面500m，激光高度儀將繪制更高分辨率的表面圖形，以便確定安全、合適的取樣點(diǎn)。

（3）熱輻射光譜儀

熱輻射光譜儀是一顆傅里葉變換干涉儀，用于收集4～50μm 譜范圍的超光譜紅外數(shù)據(jù)。有這些數(shù)據(jù)可以尋找人們感興趣的礦物，特別是含水礦物；此外，還可以了解表面的物理性質(zhì)，如平均顆粒的大小。

（4）成像探測(cè)包

它是由3臺(tái)攝像機(jī)組成的：Poly Cam、M apCam和Sam Cam。Po ly Cam提供長(zhǎng)距離的貝努表面圖像，它是一顆20 cm孔徑的望遠(yuǎn)鏡，從距離貝努2×106km起，就開始看小行星。一旦探測(cè)器靠近，就以高分辨率對(duì)貝努拍照，視場(chǎng)為0.8°，初始的表面圖形分辨率為25cm。M apCam支持支持臨近操作期間的光學(xué)導(dǎo)航、全球繪圖和取樣點(diǎn)勘察，它以四種不同的顏色繪制小行星圖形，可獲得小行星形狀的信息，提供取樣點(diǎn)高分辨率的圖像，視場(chǎng)為4°。Sam Cam拍攝取樣點(diǎn)特征以及獲得取樣過程的信息，它連續(xù)地獲取取樣事件和接觸即離機(jī)動(dòng)的信息。

這些攝像機(jī)在探測(cè)器一到達(dá)貝努就開始工作。成像探測(cè)包然后提供全球圖像，特別是取樣點(diǎn)附近高分辨率圖像。最后將記錄“接觸即離”期間整個(gè)取樣事件。

（5）風(fēng)化層X射線成像光譜儀

風(fēng)化層X射線成像光譜儀是一顆學(xué)生合作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，用于獲取貝努全球元素豐度的X射線圖形。它由兩個(gè)子部件構(gòu)成，光譜儀和太陽(yáng)X射線監(jiān)視器（SXM）。光譜儀用于觀測(cè)小行星，太陽(yáng)X射線監(jiān)視器用于觀測(cè)太陽(yáng)。由于太陽(yáng)的X射線輸出影響貝努的X射線輸出，因此需要追蹤太陽(yáng)的變化，包括太陽(yáng)耀斑，以便校正貝努的數(shù)據(jù)。

4　取樣返回

取樣前的準(zhǔn)備工作

“奧西里斯”探測(cè)器到達(dá)小行星后，首先用4個(gè)月的時(shí)間在各種軌道上收集表面圖像、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和輻射計(jì)追蹤數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)，建立一個(gè)詳細(xì)的表面形態(tài)模型、自旋狀態(tài)和重力場(chǎng)模型，目的是為了選擇4個(gè)候選取樣點(diǎn)。

接著，“奧西里斯”探測(cè)器還將用2.5個(gè)月的時(shí)間在低高度詳察取樣點(diǎn)，深入分析幾個(gè)候選取樣點(diǎn)周圍的情況，并從中選擇最合適的一個(gè)。

在取樣開始前，“奧西里斯” 探測(cè)器進(jìn)入一個(gè)半徑為1km的圓形太陽(yáng)明暗界線軌道平面。軌道的出發(fā)緯度相對(duì)于接觸即離點(diǎn)緯度是負(fù)的。當(dāng)“奧西里斯”在貝努的黎明側(cè)穿過軌道的出發(fā)緯度時(shí)，執(zhí)行離軌點(diǎn)火，以便在4h后到達(dá)125m高度的檢查點(diǎn)位置。

離軌點(diǎn)火意味著探測(cè)器將轉(zhuǎn)向到主發(fā)動(dòng)機(jī)位于點(diǎn)火方向的點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，然后向后翻轉(zhuǎn)。在奧西里斯離軌點(diǎn)火前后，探測(cè)器姿態(tài)置于太陽(yáng)電池指向太陽(yáng)。

離軌操作后的接觸即離軌道變化序列

在到達(dá)檢查點(diǎn)前1h，探測(cè)器固定接觸即離姿態(tài)，這種姿態(tài)在取樣過程中一直保持不變。接觸即離的姿態(tài)是這樣確定的：在慣性坐標(biāo)系中計(jì)算在取樣點(diǎn)的垂直矢量，使接觸即離樣品獲得機(jī)械臂沿著這個(gè)垂直矢量。

當(dāng)?shù)竭_(dá)檢查點(diǎn)時(shí)，執(zhí)行檢查點(diǎn)機(jī)動(dòng)，抵消掉大多數(shù)相對(duì)于表面的慣性速度，并開始朝表面下落。在執(zhí)行檢查點(diǎn)機(jī)動(dòng)10m in后，探測(cè)器到達(dá)距離表面45m高的關(guān)鍵點(diǎn)，執(zhí)行關(guān)鍵點(diǎn)機(jī)動(dòng)，以便降低下落速率，使接觸即離的速度為10cm/s。檢查點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)機(jī)動(dòng)的目的都是為了取得理想的接觸即離條件。在關(guān)鍵電腦機(jī)動(dòng)大約8m in后，開始接觸即離操作。

接觸即離方式

接觸即離的方式類似于我們平時(shí)所說(shuō)的“蜻蜓點(diǎn)水”，即探測(cè)器整體并不著陸，當(dāng)探測(cè)器接近目標(biāo)時(shí)，伸出取樣器，取樣器頭部與目標(biāo)表面短暫接觸（幾秒鐘），就是在接觸的瞬間完成取樣，然后迅速飛離小行星。這種方式省去了在取樣前的著陸和固定以及取樣后離開表面前的解鎖過程。另外，當(dāng)探測(cè)器慣性下落時(shí)，接觸即離方式也提供了取樣所需要的正常的接觸力。

接觸即離方式有多種取樣方法，因而適合多種小行星表面情況，如表面有風(fēng)化層，或者表面堅(jiān)硬的情況。主要的取樣方式包括：發(fā)射子彈，收集碎片；使表面碎片流體化；刷-輪取樣器。

“奧西里斯”探測(cè)器采用使表面碎片流體化的方法。這種取樣方式適合于表面有風(fēng)化層的情況。工作過程是：探測(cè)器逐漸下落，到距離貝努表面幾米的高度時(shí)，伸出取樣器與表面接觸，當(dāng)樣品獲得機(jī)械接觸到小行星表面時(shí)，取樣器向小行星的風(fēng)化層吹高壓氮?dú)?，在氣流的作用下，使小行星表面碎屑流體化，隨氣流一起被吹進(jìn)取樣器，取樣可在大約5s內(nèi)完成。

“奧西里斯”探測(cè)器的大小

取樣器工作示意圖

技術(shù)要求

（1）接觸即離位置誤差

飛行動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)要求將探測(cè)器移動(dòng)到接觸即離點(diǎn)附近的25m內(nèi)，把握間隔（C I）為98.3%， 在二維高斯分布中大約是2.85。98.3%把握間隔是任務(wù)成功允許的概率，能夠保證單次獲得至少60g的樣品。目前也在考慮進(jìn)行3次接觸即離的必要性，一旦第一次沒有成功，需要再次進(jìn)行，這還需要考慮攜帶多少推進(jìn)劑。

（2）軌道定時(shí)引起的姿態(tài)誤差

在接觸即離操作期間，樣品獲得機(jī)械頭允許轉(zhuǎn)動(dòng)到15°的傾斜角。如果超過這個(gè)角度，樣品獲得機(jī)械頭就不能平放在小行星表面，取樣難以獲得成功。為了避免超過15°的限制，對(duì)接觸即離點(diǎn)25m之內(nèi)的局地表面變化允許有14°傾斜角，允許探測(cè)器高度控制誤差為3°，允許軌道因定時(shí)引起的高度誤差為4°。由于接觸即離姿態(tài)是慣性固定的，小行星是自旋的，因軌道偏差引起的接觸即離時(shí)間偏離將引起表面法線和探測(cè)器姿態(tài)之間的角偏移。

（3）水平速度誤差

表面法線與探測(cè)器姿態(tài)之間的角偏移

探測(cè)器最大的傾角是45°， 如果超過了這個(gè)角度，可能引起探測(cè)器著陸在小行星表面的側(cè)面。如果接觸即離表面摩擦大，高的水平速度可能引起過量的傾斜。因此最大水平速度選為2cm/s。

（4）垂直速度誤差

最大垂直速度選為12cm/s。垂直速度必須大于8cm/s，以便提供樣品獲得機(jī)械與小行星表面足夠的接觸時(shí)間，保證取樣正常進(jìn)行。組合最小和最大垂直速度，要求垂直速度誤差不大于2cm/s。

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