張揚(yáng)眉（北京空間科技信息研究所）

美國東部時(shí)間2020 年10 月20 日18:12（北京時(shí)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(yù)定計(jì)劃飛離小行星，標(biāo)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(gè)小行星采樣返回探測器，將帶回繼“阿波羅”(Apollo)載人登月任務(wù)之后最多的樣品。這也是首項(xiàng)研究原始B 型小行星的任務(wù)，這類小行星富含構(gòu)建生命的要素—碳和有機(jī)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(jī)復(fù)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(dá)

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(yùn)載火箭從卡納維拉爾角成功發(fā)射“奧西里斯”探測器?！皧W西里斯”是美國首個(gè)小行星采樣返回探測器，將對貝努小行星進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)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(diǎn)。該任務(wù)的導(dǎo)航團(tuán)隊(duì)也利用初步探測的數(shù)據(jù)，對環(huán)繞小行星的精確導(dǎo)航進(jìn)行了演練。

“接近運(yùn)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(dá)貝努小行星后，“奧西里斯”進(jìn)入“接近運(yùn)行”（Prox-Ops）階段，該階段的最終目標(biāo)是選擇安全且可以采集到高科學(xué)價(jià)值的樣品地點(diǎn)。

“接近運(yùn)行”又包括以下5 個(gè)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(xué)團(tuán)隊(duì)利用貝努小行星表面的圖像，從基于恒星的導(dǎo)航轉(zhuǎn)向基于地標(biāo)的導(dǎo)航；科學(xué)團(tuán)隊(duì)收集來自航天器儀器的有關(guān)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(dǎo)航。

●詳細(xì)探測階段：利用科學(xué)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(diǎn)來說非常重要。在詳細(xì)探測的最后，選出12 個(gè)可能的采樣地點(diǎn)?？茖W(xué)團(tuán)隊(duì)還將開始測量貝努小行星的運(yùn)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(yīng)”。

●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(gè)候選的采樣地點(diǎn)中選出2 個(gè)采樣地點(diǎn)。激光高度計(jì)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(diǎn)進(jìn)行一系列飛越活動，從而對候選采樣地點(diǎn)的安全情況、樣品物質(zhì)的存在情況以及科學(xué)價(jià)值等進(jìn)行評估。完成“勘察”之后，將選出最終的一個(gè)采樣地點(diǎn)，然后開始進(jìn)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(diǎn)，“魚鷹”作為備選采樣點(diǎn)。上述兩個(gè)采樣點(diǎn)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(shí)間2020 年10 月20 日13：50，“奧西里斯”探測器推力器點(diǎn)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(dá)距離貝努小行星表面約125m 處，進(jìn)行了“檢查點(diǎn)”點(diǎn)火，使得探測器向“夜鶯”著陸點(diǎn)準(zhǔn)確靠近。10min 后，探測器再次進(jìn)行點(diǎn)火，此次點(diǎn)火被稱為“匹配點(diǎn)”點(diǎn)火，使得探測器降落速度放緩，以在接觸小行星表面的時(shí)刻能夠適應(yīng)小行星的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。隨后的11min，探測器繞過了小行星表面一個(gè)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(gè)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(gè)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(diǎn)圖像（為顯示出該區(qū)域大小，加上了探測器示意標(biāo)志）

“奧西里斯”探測器樣品返回艙

探測器接近該地點(diǎn)后并不著陸，而是延伸出一個(gè)“一觸即離”（TAGSAM）采樣機(jī)構(gòu)進(jìn)行采樣。采樣機(jī)構(gòu)噴射出氮?dú)?，使小行星表面的巖石和塵埃被激起并被吹入位于其鉸鏈?zhǔn)綑C(jī)械臂末端的采樣頭中。當(dāng)采樣收集器接觸小行星表面時(shí)，“一觸即離”采樣機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)有3 個(gè)獨(dú)立的氣體瓶，可以進(jìn)行3 次采樣嘗試。盡管這是一項(xiàng)新技術(shù)，但是對其采樣頭進(jìn)行的真空和微重力實(shí)驗(yàn)證明其具有采集60g 樣品的能力?！耙挥|即離”采樣機(jī)構(gòu)由洛馬公司研制。

樣品返回艙是一個(gè)帶有熱防護(hù)罩和降落傘的氣動外殼設(shè)計(jì)的容器。當(dāng)采集到小行星樣品后，TAGSAM 機(jī)械臂將采樣頭放進(jìn)樣品返回艙。在任務(wù)結(jié)束時(shí)，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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研制出“奧西里斯”的樣品返回艙。

10 月23 日，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)表示由于“一觸即離”采樣機(jī)構(gòu)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(dǎo)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(jī)構(gòu)頭部裝入樣品返回艙的過程，略去對樣品進(jìn)行稱重的過程。目前采集的樣品遠(yuǎn)高于目標(biāo)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(jī)構(gòu)頭部體積的17%，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)預(yù)估樣品質(zhì)量超過1kg。團(tuán)隊(duì)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(wù)后續(xù)的重點(diǎn)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(shí)，將進(jìn)行最后的路程修正機(jī)動，釋放返回艙在美國猶他州測試與訓(xùn)練靶場（UTTR）著陸。樣品返回艙將以12.2km/s 的速度進(jìn)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(jìn)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(xué)物質(zhì)獲取與管理辦公室進(jìn)行存儲和樣品檢查。

2 任務(wù)特點(diǎn)

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

迄今全球僅有美國和日本實(shí)施過小行星探測任務(wù)，美國在“奧西里斯”之前實(shí)施過3 次小行星探測任務(wù)，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(wù)，其中“近地小行星交會-舒梅克”任務(wù)首次實(shí)現(xiàn)了小行星軟著陸，但屬于臨時(shí)安排的軟著陸嘗試，并不是計(jì)劃實(shí)施。此次“奧西里斯”任務(wù)并不進(jìn)行小行星軟著陸，而采用“一觸即離”采樣機(jī)構(gòu)，通過發(fā)射氮?dú)饧て饦悠?，用采樣頭收集被激起的樣品，這與日本“隼鳥”任務(wù)采用的采樣方式有相似之處。隼鳥-1 采用一個(gè)喇叭狀的采樣工具，先通過子彈對小行星表面進(jìn)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(xué)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(gè)小行星的含水粘土材料中都存在氫氧基團(tuán)，這意味著貝努的巖體曾在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上與水發(fā)生過反應(yīng)。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(gè)體積更大的小行星—曾在某個(gè)時(shí)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(yùn)行軌道及起源等具有重要意義。根據(jù)假設(shè)，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(jié)與思考

小行星探測已成為主要航天國家深空探索領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)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(jì)劃中都涵蓋了小行星探測計(jì)劃。太陽系內(nèi)小行星眾多，這些小行星中蘊(yùn)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(xué)意義巨大。

近地小行星具有特別的探索價(jià)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(jià)值，而且到達(dá)這些近地小行星需要的任務(wù)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(jìn)軍的中轉(zhuǎn)平臺和研究太陽系的平臺。而另外一個(gè)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(jī)制和威脅預(yù)警方法，具有重要意義。

小行星探測任務(wù)需要結(jié)合天體運(yùn)行軌道，選擇合適的時(shí)機(jī)進(jìn)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(gè)任務(wù)都有相對固定的發(fā)射機(jī)會，這些機(jī)會都是由所選定目標(biāo)的特有運(yùn)行規(guī)律決定的，探測目標(biāo)的相對幾何關(guān)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(dǎo)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(wù)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(dǎo)航能力要求更高。例如，美國在深空-1 任務(wù)中，率先引入了通過對天體進(jìn)行光學(xué)成像以完成自主導(dǎo)航的模式，并且取得了成功，促進(jìn)了整個(gè)深空探測自主導(dǎo)航技術(shù)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(qiáng)的導(dǎo)航自主控制和運(yùn)行管理能力。

小行星探測多采取多任務(wù)、多目標(biāo)的方式進(jìn)行

從國外已發(fā)射的小行星探測任務(wù)的飛行經(jīng)歷看，小行星探測多采取多任務(wù)、多目標(biāo)的方式進(jìn)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(jìn)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(biāo)探測的任務(wù)。

小行星探測器更注重功能集成和多功能復(fù)用技術(shù)

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(shè)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(jī)光譜儀”（MICAS）既為探測器提供導(dǎo)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(shè)計(jì)對傳統(tǒng)航天器設(shè)計(jì)思想而言，帶來了全新的挑戰(zhàn)。