如何親吻一顆小行星

haibaraemily

這張最高分辨率的小行星貝努表面的全球地圖，由2155張冥王號(hào)在2019年3月7日至4月19日之間拍攝的圖像拼貼而成，圖像涵蓋貝努小行星表面3～5千米范圍內(nèi)的區(qū)域

“冥王”已經(jīng)覬覦“不死鳥”很久了?，F(xiàn)在，它終于抓住機(jī)會(huì)親吻了它。這是不久前發(fā)生在距離地球大約3億千米外的太空中的真實(shí)一幕。與神話故事不同的是，這位“冥王”是一枚探測(cè)器，而“不死鳥”是一顆小行星。

冥王探測(cè)器近年來一直在圍繞小行星貝努（ Bennu，古埃及神話中不死鳥的名字）飛行，打量著它，計(jì)劃著該從哪里著手。而它親吻貝努小行星的真實(shí)目的，是想帶走一份貝努的表層土樣本回去研究，看它為什么“不死”。而這顆直徑不到500米的小行星，在被冥王號(hào)探測(cè)器仔仔細(xì)細(xì)地環(huán)繞探測(cè)了近兩年后，也終于迎未了和冥王號(hào)的第一次親密接觸。為了這一天，冥王號(hào)已經(jīng)演習(xí)了兩次。

采樣前的功課

貝努是一顆近地小行星，這意味著它有機(jī)會(huì)非?？拷厍?。但它畢竟個(gè)頭太小了，在地基望遠(yuǎn)鏡中僅僅是一個(gè)小亮點(diǎn)，看不到任何細(xì)節(jié)。想要探索太陽系里的這些小家伙，最大的難題之一就是在探測(cè)器抵達(dá)之前，人們對(duì)這些目標(biāo)幾乎一無所知。因此，一飛到地方就開始采樣顯然太魯莽和危險(xiǎn)了，這個(gè)精細(xì)活兒可一點(diǎn)兒都急不得。

行星科學(xué)家和工程師會(huì)在探測(cè)器出發(fā)前，設(shè)計(jì)出周密的探測(cè)計(jì)劃，讓探測(cè)器先花上數(shù)月甚至一兩年時(shí)間做功課，充分了解這個(gè)探測(cè)目標(biāo)，然后才最終確定采樣位置、采樣方式等細(xì)節(jié)。冥王號(hào)對(duì)小行星貝努也是如此。

此前，來自日本的隼鳥2號(hào)在進(jìn)行與龍宮小行星的親密接觸時(shí)，選擇的近距離探測(cè)方案是伴飛探測(cè)。也就是說，總體保持在距龍宮小行星約20千米的軌道上，和龍宮一起繞日飛行，但又相互獨(dú)立。隼鳥2號(hào)只在需要近距離探測(cè)或采樣時(shí)，才進(jìn)一步下降飛近，完成探測(cè)或采樣任務(wù)后再返回原本的高度。

而冥王號(hào)選擇的方案是繞飛，也就是直接環(huán)繞小行星飛行，同時(shí)完成各種探測(cè)。冥王號(hào)的繞飛高度距貝努僅有1.6-2.1千米，這也是人類探測(cè)器首次成功環(huán)繞個(gè)頭和引力如此小的天體長(zhǎng)期飛行。

在此后的近兩年時(shí)間里，冥王號(hào)一點(diǎn)一點(diǎn)調(diào)整軌道，在各種高度上地毯式掃射貝努表面的每一寸土地。對(duì)一部分需要重點(diǎn)考察的區(qū)域（例如備選采樣區(qū)），冥王號(hào)的飛掠高度甚至可以低至250米。通過這些近距離考察，貝努這個(gè)人類望遠(yuǎn)鏡里的小亮點(diǎn)，已經(jīng)一躍成為太陽系中人類最了解的小行星之一了。

由冥王號(hào)所攜相機(jī)拍攝的2155張照片拼出的小行星貝努的超高清全球影像圖，分辨率高達(dá)5厘米/像素，是人類迄今獲取的最高清的外星球全球影像圖。冥王號(hào)也攜帶了激光測(cè)高計(jì)，用2000萬個(gè)激光測(cè)距點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立了貝努全球的高分辨率三維地形模型。冥王號(hào)的可見光與近紅外光譜儀發(fā)現(xiàn)，貝努表面廣泛分布著水合礦物和含碳物質(zhì)（即有機(jī)物和碳酸鹽礦物），這意味著，冥王號(hào)采回的樣品或許帶來揭示地球上水和有機(jī)物起源的線索。這些探測(cè)結(jié)果都為冥王號(hào)后續(xù)的著陸選址工作提供了有力的工程數(shù)據(jù)支持和科學(xué)評(píng)估依據(jù)。

巨石環(huán)伺的采樣區(qū)

冥王號(hào)項(xiàng)目組沒有想到，選擇采樣區(qū)會(huì)是一件如此棘手的事情。

或許項(xiàng)目組原本以為，探測(cè)器到達(dá)后只要探測(cè)得足夠細(xì)致，選擇采樣區(qū)算不上什么太難的事，頂多就是有科學(xué)價(jià)值的地方太多了，導(dǎo)致選擇困難罷了。直到冥王號(hào)探測(cè)器真的近距離看到了小行星貝努，項(xiàng)目組的科學(xué)家和工程師才驚訝地發(fā)現(xiàn)，之前通過地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)和推算得出的結(jié)論，著實(shí)有點(diǎn)太樂觀了。

這顆小行星表面崎嶇多石。殘酷的現(xiàn)實(shí)為項(xiàng)目組尋找合適的采樣點(diǎn)帶來了更多困難，也為冥王號(hào)的接觸采樣增添了更多危險(xiǎn)和不確定性。經(jīng)過反復(fù)考察和挑選，冥王號(hào)項(xiàng)目組還是盡可能從貝努表面選出了4個(gè)還算安全、也具備較高

冥王號(hào)攜帶的相機(jī)于2019年3月7日在距離貝努5千米高度拍攝到的小行星表面，崎嶇多石，圖中間偏下的淺色石塊約7.4米寬科學(xué)價(jià)值的備選區(qū)。最終，4個(gè)備選區(qū)里最北端的夜鶯當(dāng)選冥王號(hào)的首次采樣區(qū)。

但即使是精挑細(xì)選的采樣區(qū)，也依然免不了困難重重。冥王號(hào)設(shè)計(jì)的時(shí)候，項(xiàng)目組原本希望平坦的采樣區(qū)至少有直徑50米那么大，那樣即使探測(cè)器落得不那么精準(zhǔn)，也能有點(diǎn)容錯(cuò)量。然而現(xiàn)實(shí)是，即使是目前最合適的夜鶯采樣區(qū)，也不過是巨石環(huán)伺之中一片狹小的平坦區(qū)而已，實(shí)際允許冥王號(hào)安全采樣的接觸區(qū)直徑僅有6米。如果不能準(zhǔn)確落入這個(gè)區(qū)域，那冥王號(hào)很可能還沒采集到樣品，就在降落過程中撞上大石塊，提前結(jié)束自己的探測(cè)生涯了。為了盡量減少和大

原本計(jì)劃的采樣區(qū)大小（橙圈，直徑50米）和實(shí)際允許的安全采樣區(qū)大?。ㄋ{(lán)圈，直徑6米）.對(duì)比小汽車的大小石塊的接觸，冥王號(hào)甚至要在下降過程中把兩枚太陽能板收攏成Y形。但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

全新的降落導(dǎo)航技術(shù)

起初，冥王號(hào)任務(wù)打算使用激光測(cè)距作為著陸采樣階段的主要導(dǎo)航定位手段。但為了落得更準(zhǔn)，NASA最終放棄了激光測(cè)距，改用了另一套基于光學(xué)影像的備用導(dǎo)航定位方案——自然特征跟蹤（Natural Feature Tracking，簡(jiǎn)寫為NFT）技術(shù)。

冥王號(hào)在降落過程中不斷實(shí)時(shí)拍攝采樣區(qū)附近的照片，用這些照片和已有的三維地形和影像數(shù)據(jù)庫比對(duì)，匹配采樣區(qū)一帶的特征石塊作為地標(biāo)，就可以更新自己的實(shí)時(shí)位置、速度和計(jì)劃采樣位置，如果檢測(cè)到拍攝的影像里有危險(xiǎn)障礙物，還可以自主撤離。NFT技術(shù)的可靠性在冥王號(hào)探測(cè)器之前的兩次降落采樣演習(xí)中得到了驗(yàn)證，而在實(shí)際降落采樣過程中，冥王號(hào)也依靠這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)降落。

碰一下就走，也要帶走一點(diǎn)樣品

面對(duì)直徑不到500米、重力極其微小的小行星貝努，冥王號(hào)采用了“接觸即離”式采樣（Touch-And-Go，簡(jiǎn)寫為TAG），也就是碰一下就走。這和日本的隼鳥2號(hào)探測(cè)器在小行星龍宮上的采樣策略幾乎一樣。冥王號(hào)的整個(gè)接觸采樣過程耗時(shí)約4.5小時(shí)，共需完成3次點(diǎn)火操作，才能從原本的繞飛軌道下降到貝努表面