美國“奧西里斯”探測器完成貝努小行星表面采樣

張揚眉（北京空間科技信息研究所）

美國東部時間2020 年10 月20 日18:12（北京時間2020 年10 月21 日06:12），美國“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx，以下簡稱“奧西里斯”）小行星探測器以“一觸即離”方式接觸101955 貝努（101955 Bennu）碳質(zhì)小行星（以下簡稱“貝努小行星”）表面，停留數(shù)秒后，按預定計劃飛離小行星，標志著“奧西里斯”完成了貝努小行星的首次采樣。這是美國首個小行星采樣返回探測器，將帶回繼“阿波羅”(Apollo)載人登月任務之后最多的樣品。這也是首項研究原始B 型小行星的任務，這類小行星富含構建生命的要素—碳和有機分子，對研究太陽系的形成和演化、行星形成的初始階段以及形成生命的有機復合物的起源等具有重要意義。

1 飛行過程

發(fā)射、巡航和抵達

2016 年9 月8 日，美國國家航空航天局(NASA)用宇宙神-5-441（Atlas-5-441）運載火箭從卡納維拉爾角成功發(fā)射“奧西里斯”探測器。“奧西里斯”是美國首個小行星采樣返回探測器，將對貝努小行星進行探測，并將于2023 年把該小行星的樣品送回地球。

“奧西里斯”探測器發(fā)射1 年后，進行了地球借力飛行，之后又經(jīng)過1 年，于2018 年12 月31 日成功進入貝努小行星軌道。之后，“奧西里斯”在距離貝努面向太陽的表面19km 處對其進行了初步探測。探測器數(shù)次飛越了小行星的北極、赤道和南極區(qū)域，之后與小行星表面的距離縮短為7km 左右?！皧W西里斯”的初步探測目的是評估貝努的質(zhì)量和旋轉速率，生成該小行星更為精確的形狀模型。該數(shù)據(jù)有助于之后確定采樣的潛在地點。該任務的導航團隊也利用初步探測的數(shù)據(jù)，對環(huán)繞小行星的精確導航進行了演練。

“接近運行”

“奧西里斯”入軌示意圖

“奧西里斯”獲取的貝努小行星圖像

抵達貝努小行星后，“奧西里斯”進入“接近運行”（Prox-Ops）階段，該階段的最終目標是選擇安全且可以采集到高科學價值的樣品地點。

“接近運行”又包括以下5 個主要的小階段。

●初步探測階段：搜尋小行星的羽流和天然衛(wèi)星，這些可能對航天器形成威脅。

●軌道A 階段：科學團隊利用貝努小行星表面的圖像，從基于恒星的導航轉向基于地標的導航；科學團隊收集來自航天器儀器的有關貝努小行星的數(shù)據(jù)和圖像，協(xié)助其在繞小行星軌道上的導航。

●詳細探測階段：利用科學儀器繪制貝努小行星的地圖，確定其全球光譜、熱和地質(zhì)特性。這對于為探測器選擇著陸地點來說非常重要。在詳細探測的最后，選出12 個可能的采樣地點?？茖W團隊還將開始測量貝努小行星的運行軌道是如何受到其表面冷熱程度的影響，即“雅科夫斯基效應”。

●軌道B 階段：以更高的分辨率繪制貝努小行星的地圖，從12 個候選的采樣地點中選出2 個采樣地點。激光高度計也將收集數(shù)據(jù)以繪制高可信度的貝努小行星地形圖。

●勘察階段：探測器近距離對可能的采樣地點進行一系列飛越活動，從而對候選采樣地點的安全情況、樣品物質(zhì)的存在情況以及科學價值等進行評估。完成“勘察”之后，將選出最終的一個采樣地點，然后開始進行演練活動。

2019 年12 月12 日，NASA 宣布選擇“夜鶯”（Nightingale）作為主要采樣地點，“魚鷹”作為備選采樣點。上述兩個采樣點都位于環(huán)形山內(nèi)，其中“夜鶯”靠近貝努小行星的北極，而“魚鷹”則靠近赤道。

著陸和采樣

美國東部時間2020 年10 月20 日13：50，“奧西里斯”探測器推力器點火，脫離繞貝努小行星飛行的軌道。探測器展開采樣臂，向貝努小行星表面方向降落。大約4h 后，探測器到達距離貝努小行星表面約125m 處，進行了“檢查點”點火，使得探測器向“夜鶯”著陸點準確靠近。10min 后，探測器再次進行點火，此次點火被稱為“匹配點”點火，使得探測器降落速度放緩，以在接觸小行星表面的時刻能夠適應小行星的自轉轉速。隨后的11min，探測器繞過了小行星表面一個被稱為“末日山”（Mount Doom）的兩層樓高的巨石，之后接觸到貝努北半球的一個隕石坑中的一塊平整表面，即“夜鶯”著陸區(qū)域?！耙国L”區(qū)域約為一個小型停車場大小，該區(qū)域是遍布巖石的貝努小行星上為數(shù)不多的相對平整和干凈的區(qū)域。

“夜鶯”著陸點圖像（為顯示出該區(qū)域大小，加上了探測器示意標志）

“奧西里斯”探測器樣品返回艙

探測器接近該地點后并不著陸，而是延伸出一個“一觸即離”（TAGSAM）采樣機構進行采樣。采樣機構噴射出氮氣，使小行星表面的巖石和塵埃被激起并被吹入位于其鉸鏈式機械臂末端的采樣頭中。當采樣收集器接觸小行星表面時，“一觸即離”采樣機構外部的表面接觸板也將收集微粒物質(zhì)。樣品被存儲在樣品返回艙（SRC）中的容器內(nèi)。

“一觸即離”采樣機構有3 個獨立的氣體瓶，可以進行3 次采樣嘗試。盡管這是一項新技術，但是對其采樣頭進行的真空和微重力實驗證明其具有采集60g 樣品的能力?！耙挥|即離”采樣機構由洛馬公司研制。

樣品返回艙是一個帶有熱防護罩和降落傘的氣動外殼設計的容器。當采集到小行星樣品后，TAGSAM 機械臂將采樣頭放進樣品返回艙。在任務結束時，裝有采樣頭和小行星樣品的樣品返回艙是唯一返回地球的組件。洛馬公司在繼承“星塵”（Stardust）彗星采樣返回器設計的基礎上，研制出“奧西里斯”的樣品返回艙。

10 月23 日，項目團隊表示由于“一觸即離”采樣機構收集的物質(zhì)過多，用于將樣品密封到位的聚酯薄膜瓣被數(shù)塊大石塊揳開，導致樣品泄漏，泄漏過程被航天器拍攝下來。之后，NASA 決定加快將采樣機構頭部裝入樣品返回艙的過程，略去對樣品進行稱重的過程。目前采集的樣品遠高于目標的60g，頭部圖像顯示至少有400g 樣品，而這些圖像僅觀測到了采樣機構頭部體積的17%，項目團隊預估樣品質(zhì)量超過1kg。團隊還在分析采樣過程中和采樣后拍攝的圖像，以更好地了解小行星的表面，從目前的分析看，貝努小行星表面土壤非常疏松。在成功完成樣品的存儲之后，“奧西里斯”任務后續(xù)的重點為將樣品返回地球。

返回地球

探測器將于2021 年3 月開始返回地球的旅程。在探測器接近地球時，將進行最后的路程修正機動，釋放返回艙在美國猶他州測試與訓練靶場（UTTR）著陸。樣品返回艙將以12.2km/s 的速度進入地球大氣，其采用與之前的“阿波羅”返回艙和“星塵”返回艙相似的耐燒蝕防熱罩，通過降落傘系統(tǒng)進行減速，最后軟著陸。著陸后，樣品返回艙將被送往位于約翰遜航天中心的天體學物質(zhì)獲取與管理辦公室進行存儲和樣品檢查。

2 任務特點

“奧西里斯”是美國首次、全球第三次小行星采樣返回任務，此前的兩次小行星采樣返回任務是由日本實施的隼鳥-1 和2（Hayabusa-1 和2)。

迄今全球僅有美國和日本實施過小行星探測任務，美國在“奧西里斯”之前實施過3 次小行星探測任務，分別是“近地小行星交會-舒梅 克”（NEAR-shoemaker）、 深 空-1（Deep Space-1）和“黎明”（Dawn）任務，其中“近地小行星交會-舒梅克”任務首次實現(xiàn)了小行星軟著陸，但屬于臨時安排的軟著陸嘗試，并不是計劃實施。此次“奧西里斯”任務并不進行小行星軟著陸，而采用“一觸即離”采樣機構，通過發(fā)射氮氣激起樣品，用采樣頭收集被激起的樣品，這與日本“隼鳥”任務采用的采樣方式有相似之處。隼鳥-1 采用一個喇叭狀的采樣工具，先通過子彈對小行星表面進行轟擊，再用喇叭狀采樣工具收集碰撞產(chǎn)生的小行星碎片；隼鳥-2 則采用裝有小型炸藥盒的撞擊裝置在小行星上制造撞擊坑，隼鳥-2 下降并接觸到新形成的撞擊坑表面，利用樣品采集裝置盡快采集撞擊坑內(nèi)的物質(zhì)，并裝入樣品采集裝置內(nèi)。

3 “奧西里斯”取得的科學發(fā)現(xiàn)

2018 年12 月11 日，NASA 宣布“奧西里斯”在飛向貝努的途中，發(fā)現(xiàn)貝努小行星上存在水的痕跡，這些水分被“鎖”在貝努小行星的粘土中。初步分析顯示，貝努小行星存在含氫氧基的分子，其中氫氧基由氫原子和氧原子相連組成。整個小行星的含水粘土材料中都存在氫氧基團，這意味著貝努的巖體曾在某個時間點上與水發(fā)生過反應。研究人員表示，貝努體積太小，不足以容納液態(tài)水，因此這意味著貝努曾經(jīng)的母體—一個體積更大的小行星—曾在某個時間存在液態(tài)水。

2020 年9 月21 日，NASA 宣布，根據(jù)“奧西里斯”獲取的數(shù)據(jù)，在貝努小行星的南半球和赤道附近發(fā)現(xiàn)了6 塊尺寸在1.5 ～4.3m 的石塊，這些石塊較為明亮，與灶神星（Vesta）上的物質(zhì)相匹配，因此，貝努小行星上可能有灶神星的碎片。這對于研究小行星的運行軌道及起源等具有重要意義。根據(jù)假設，貝努小行星可能是其母體小行星與灶神星碎片發(fā)生劇烈碰撞之后產(chǎn)生的碎片聚合而成的。

4 總結與思考

小行星探測已成為主要航天國家深空探索領域的重點發(fā)展目標之一

各航天國家對小行星的探測極為重視，美國、日本、俄羅斯等國家未來空間探索計劃中都涵蓋了小行星探測計劃。太陽系內(nèi)小行星眾多，這些小行星中蘊含很多能夠回答太陽系起源和演化等重要問題的線索，因此探測小行星的科學意義巨大。

近地小行星具有特別的探索價值，國外非常重視對其研究與利用

大量的證據(jù)表明，近地小行星富含各種金屬、水以及其他原材料，具有潛在的開發(fā)利用價值，而且到達這些近地小行星需要的任務成本相對較低。此外，近地小行星具有較大的軌道范圍，可作為向其他天體進軍的中轉平臺和研究太陽系的平臺。而另外一個重視近地小行星的原因是，近地小行星可能與地球發(fā)生碰撞，對人類生存和發(fā)展具有潛在危害和致命后果。因此，開展近地小行星探測，研究其軌道變化機制和威脅預警方法，具有重要意義。

小行星探測任務需要結合天體運行軌道，選擇合適的時機進行

美國“新視野”（New Horizons）探測器利用了250 年才會出現(xiàn)一次的有利窗口對太陽系外層空間的柯伊柏帶（Kuiper Belt）小天體開展探測。每一個任務都有相對固定的發(fā)射機會，這些機會都是由所選定目標的特有運行規(guī)律決定的，探測目標的相對幾何關系、大天體借力飛行等都是可以利用的有利條件。

相比大天體探測器而言，小行星探測器對自主導航能力要求更高

與其他深空探測活動一樣，小行星探測也需要長距離的飛行，小行星探測的任務周期一般也較長，而且相比大天體而言，對小行星探測器的自主導航能力要求更高。例如，美國在深空-1 任務中，率先引入了通過對天體進行光學成像以完成自主導航的模式，并且取得了成功，促進了整個深空探測自主導航技術的發(fā)展。而長距離的飛行也對探測器自主能力提出了更高的要求，例如，飛往冥王星的“新視野”探測器一年才對地通信50 天左右，這些都使得小行星探測器必須具備更強的導航自主控制和運行管理能力。

小行星探測多采取多任務、多目標的方式進行

從國外已發(fā)射的小行星探測任務的飛行經(jīng)歷看，小行星探測多采取多任務、多目標的方式進行。例如，美國“近地小行星交會-舒梅克”，在飛向“愛神”(Eros)近地小行星途中，也對“梅西爾德”（Mathilde）小行星進行了探測。此后的深空-1、“新視野”以及“黎明”探測器也是多目標探測的任務。

小行星探測器更注重功能集成和多功能復用技術

一般小行星探測器的質(zhì)量都不大，由于探測器資源非常有限，因此更需要探測器上分系統(tǒng)與設備的小型化和多功能集成。例如，深空-1 攜帶的“小型綜合相機光譜儀”（MICAS）既為探測器提供導航信息，也作為有效載荷獲取小行星圖片。因此，小行星探測器的設計對傳統(tǒng)航天器設計思想而言，帶來了全新的挑戰(zhàn)。