奧西里斯-雷克斯：太陽(yáng)系的“考古學(xué)家”

文/劉宇 鄒小端

▲ “奧西里斯-雷克斯”在進(jìn)行熱真空試驗(yàn)

2018年12月31日，經(jīng)過兩年多的長(zhǎng)途飛行，美國(guó)宇航局（NASA）首個(gè)小行星取樣返回探測(cè)器“奧西里斯-雷克斯”首次進(jìn)入小行星貝努(Bennu)的軌道，使貝努成為人造探測(cè)器環(huán)繞飛行的最小天體。

“奧西里斯-雷克斯”2016年9月8日由宇宙神5火箭發(fā)射升空，一年后回到地球附近做了一次借力飛行。探測(cè)器由洛·馬航天系統(tǒng)公司建造，發(fā)射重量2110千克。抵達(dá)后，它先利用所攜相機(jī)、光譜儀和激光高度計(jì)等儀器從軌道上對(duì)貝努進(jìn)行近一年的勘測(cè)研究，并找出最有希望的候選采樣地點(diǎn)。2020年7月前后，它將會(huì)緩緩地接近貝努，在約5秒的短暫接觸過程中利用機(jī)械臂上的采樣裝置采集樣品。探測(cè)器將在2021年3月離開貝努，2023年9月把樣品送回地球。它是NASA新疆界計(jì)劃的第三個(gè)探測(cè)器，第一個(gè)是“新視野號(hào)”，第二個(gè)是朱諾號(hào)木星探測(cè)器。

“奧西里斯-雷克斯”的命名

“奧西里斯-雷克斯”英文名為“OSIRIS-Rex”。它高度繼承了此前NASA火星探測(cè)器的成熟設(shè)計(jì)，攜帶了五大探測(cè)儀器以及獨(dú)特設(shè)計(jì)的取樣機(jī)械臂，確保任務(wù)的完成。它的任務(wù)命名也正是科學(xué)目標(biāo)的集合：

Origins起源：采集來(lái)自太陽(yáng)系早期的原始的碳質(zhì)小行星樣品，帶回地球在實(shí)驗(yàn)室里研究生命的起源和行星形成的過程。

Spectral Interpretation光譜分析：探測(cè)器直接光譜調(diào)查，將建立起和地面觀測(cè)光譜數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，并為眾多其他小行星的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)提供重要的參考。

Resource Identification資源調(diào)查：繪制碳質(zhì)小行星的化學(xué)和礦物地圖，為經(jīng)濟(jì)開發(fā)和未來(lái)的空間探測(cè)打基礎(chǔ)。

Security安全：關(guān)注小行星對(duì)地球潛在的威脅，通過測(cè)量太陽(yáng)光對(duì)小行星貝努軌道造成的影響，提高未來(lái)小行星軌道預(yù)報(bào)的精度。為了提高未來(lái)軌道預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，探測(cè)器將精確測(cè)量太陽(yáng)光照造成的小行星軌道變化，這種影響被稱為雅可夫斯基效應(yīng)。它是指當(dāng)小行星吸收陽(yáng)光和釋放熱量時(shí)，由于小行星自身的轉(zhuǎn)動(dòng)，接收和釋放輻射的方向變化會(huì)對(duì)小行星自身產(chǎn)生微小的推動(dòng)力，致使其運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變。

Regolith Explorer土壤探測(cè)：精確記錄采樣點(diǎn)的信息。

為什么選擇貝努？

太陽(yáng)系小行星的個(gè)數(shù)超過55萬(wàn)顆，為什么獨(dú)獨(dú)選貝努為取樣探測(cè)的目標(biāo)呢？

軌道接近地球且與火箭運(yùn)載能力匹配

近地小行星有撞擊地球的風(fēng)險(xiǎn)也更容易抵達(dá)。選擇軌道接近地球且與火箭運(yùn)載能力匹配可以在現(xiàn)有能力下實(shí)現(xiàn)最大的科學(xué)價(jià)值。滿足此條件的小行星大概有8000多顆。

具有最優(yōu)返回軌道

“奧西里斯-雷克斯”的目標(biāo)是帶回樣品，所探測(cè)的目標(biāo)必須有最優(yōu)返回軌道才能順利帶回樣品。滿足此條件的小行星還剩300顆。

直徑在200米以上

直徑小于200米的小行星通常自轉(zhuǎn)太快（小于2小時(shí)）或者沒有穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)軸?？茖W(xué)家擔(dān)心如此快的自轉(zhuǎn)會(huì)把天體表面的松散風(fēng)化層甩出去。這樣，還剩27顆小行星。

是C型小行星

只有C型小行星被認(rèn)為是46億年前形成太陽(yáng)系的冷塵云的化石。余下的27顆小行星中只有5顆是C型小行星，貝努是其中一顆。

“奧西里斯-雷克斯”的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)采用行星雷達(dá)系統(tǒng)生成了7米分辨率的貝努形狀模型，測(cè)量了它的體積密度以及精確的軌道特征；同時(shí)在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的幫助下確定了貝努是一顆C型小行星，并精確測(cè)定了它的旋轉(zhuǎn)速率；此外斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡提供了熱紅外觀測(cè)，這為飛行系統(tǒng)環(huán)境條件的評(píng)估以及風(fēng)化層特性提供了線索。正是由于這些豐富的觀測(cè)資料以及對(duì)貝努化石特性的確認(rèn)，使得貝努成為“奧西里斯-雷克斯”的首選探測(cè)目標(biāo)。

貝努的直徑大約為480米，大小如一座山，它誕生于太陽(yáng)系形成早期，壽命約有45億年。NASA科學(xué)家塞勒說，小行星就像“時(shí)空膠囊”，可以從上面獲得太陽(yáng)系數(shù)十億年前的原始樣本，這就是為什么對(duì)科學(xué)家而言，這些樣本比黃金還要珍貴。

“奧西里斯-雷克斯”怎么飛？

對(duì)于長(zhǎng)達(dá)7年的旅程，“奧西里斯-雷克斯”詳細(xì)規(guī)劃了其間的主要行程：2016年9月4日啟程，在深空機(jī)動(dòng)后，2017年9月重新飛越地球，完成地球借力。隨后經(jīng)過11個(gè)月的漫長(zhǎng)星際巡航，于2018年8月開始光學(xué)搜索目標(biāo)貝努，進(jìn)入接近段飛行。之后的一個(gè)月，在2018年10月與貝努交會(huì)之前，“奧西里斯-雷克斯”慢慢接近貝努，搜尋它的衛(wèi)星，進(jìn)一步精確測(cè)定它的形狀與旋轉(zhuǎn)模型。2018年11月，進(jìn)入初察與環(huán)繞段，通過估計(jì)貝努的質(zhì)量并從星基導(dǎo)航轉(zhuǎn)移到基于表面陸標(biāo)光學(xué)導(dǎo)航以精確估計(jì)“奧西里斯-雷克斯”相對(duì)于貝努的軌道狀態(tài)，為余下的相遇旅程建立導(dǎo)航基礎(chǔ)。接下來(lái)進(jìn)入詳查段，“奧西里斯-雷克斯”繪制貝努的包括結(jié)構(gòu)、礦物以及化學(xué)的組合全球地圖，展示地理特征，揭示其地質(zhì)及動(dòng)力學(xué)歷史，并為取樣返回提供背景?！皧W西里斯-雷克斯”上那套由0.8度、4度及21度視場(chǎng)的三個(gè)相機(jī)組成的相機(jī)組，可以在可見光波段識(shí)別貝努的表面組份；激光高度計(jì)可以繪制1微米的表面地形圖；可見光與紅外光譜議在0.4－50微米波段識(shí)別表面組份；風(fēng)化層X光成像光譜儀提供一個(gè)貝努的全球元素豐度X光地圖。觸走段（TAG）是整個(gè)旅程最精彩的地方，后面將有專門章節(jié)詳細(xì)講解。

在到達(dá)貝努931天后的2021年3月，“奧西里斯-雷克斯”將執(zhí)行319米/秒的返回機(jī)動(dòng)。2023年9月24日，樣品返回艙將著陸于猶他州測(cè)試與訓(xùn)練場(chǎng)。繼承自星塵號(hào)的流程會(huì)將返回艙運(yùn)送到約翰遜航天中心，在這里樣品將被取出并送到管理場(chǎng)。對(duì)樣品的分析，將為人類提供前所未有的關(guān)于太陽(yáng)系從行星形成的原始期到生命起源期間的豐富資料。

▲ 熱輻射光譜儀

“吸塵器”采集大法

樣品采集過程分為兩個(gè)階段開展：排練階段與觸走段（TAG）。確定采樣點(diǎn)后，團(tuán)隊(duì)開始執(zhí)行排練階段的工作。第一次排練將執(zhí)行檢查點(diǎn)（Check point CP）機(jī)動(dòng)并回到1公里軌道。第二次排練將在返回軌道前進(jìn)一步執(zhí)行由CP到MP（Matchpoint）的機(jī)動(dòng)。在成功完成機(jī)動(dòng)排練后，團(tuán)隊(duì)將開始著手樣品采集工作。

“奧西里斯-雷克斯”將接觸貝努的表面，并收集一份樣品，然后返回地球。由于從貝努到地球有單程15～20分鐘的延時(shí)，因此探測(cè)器團(tuán)隊(duì)將需要探測(cè)器上的導(dǎo)航與制導(dǎo)來(lái)執(zhí)行觸走段操作?！皧W西里斯-雷克斯”將利用距離變化測(cè)量裝備確定探測(cè)器相對(duì)于貝努的位置，自主的調(diào)整機(jī)動(dòng)以確保能觸及預(yù)定橢圓取樣區(qū)域表面。一旦探測(cè)器感知到接觸到貝努的表面，將自動(dòng)觸發(fā)采樣機(jī)構(gòu)，噴出氮?dú)獠⑹占L(fēng)化層樣品。

與日本“隼鳥2號(hào)”發(fā)射彈丸撞擊小天體收集濺起的碎末不同，“奧西里斯-雷克斯”設(shè)計(jì)了新穎的吸塵器采集方案。由于風(fēng)化層多為松散結(jié)構(gòu)，利用吸塵器的原理不失為一個(gè)好方案。但小天體貝努上沒有大氣，沒法形成氣流。沒關(guān)系，我們自已制造氣流?！皧W西里斯-雷克斯”自帶壓縮氮?dú)?，通過設(shè)計(jì)特殊的氣路，用高壓氮?dú)鉀_刷風(fēng)化層，再對(duì)攜帶有風(fēng)化層微粒的氮?dú)饬鬟M(jìn)行過濾，采集到貝努的風(fēng)化層樣品。按照設(shè)計(jì)，至少能收集到60克樣品，工程師預(yù)期最多可采集2千克樣品，比“隼鳥2號(hào)”要多得多。

然后“奧西里斯-雷克斯”將以比貝努表面逃逸速度（約20厘米/秒）更快的速度（約70厘米/秒）離開貝努。大約24小時(shí)以后，當(dāng)探測(cè)器到達(dá)安全距離，團(tuán)隊(duì)將樣品轉(zhuǎn)入樣品返回艙。當(dāng)然樣品在轉(zhuǎn)入返回艙之前，團(tuán)隊(duì)還會(huì)通過采樣相機(jī)對(duì)其進(jìn)行檢查，合格后方可轉(zhuǎn)入。

回家之路

自2021年3月，“奧西里斯-雷克斯”在執(zhí)行了319米/秒的返回機(jī)動(dòng)后，將進(jìn)入彈道返回軌道于2023年9月返回地球。這個(gè)返回軌道并沒有設(shè)計(jì)大的機(jī)動(dòng)，以保證即便在返回過程中失去與地面的聯(lián)系，“奧西里斯-雷克斯”也能安全飛越地球。

▲ 在廠房中被吊起的“奧西里斯-雷克斯”

在進(jìn)入大氣前4小時(shí)，“奧西里斯-雷克斯”將返回艙彈出，并執(zhí)行一個(gè)17.5米/秒的軌道機(jī)動(dòng)，將“奧西里斯-雷克斯”置于一個(gè)穩(wěn)定的日心軌道上。返回艙依靠自轉(zhuǎn)保持在真空飛行與早期進(jìn)入稀薄大氣期間的穩(wěn)定性。返回艙采用與星塵號(hào)返回艙一樣的熱防護(hù)系統(tǒng)。它可以保證在將高速進(jìn)入的返回器99%動(dòng)能消耗成熱能的同時(shí)，確保返回艙內(nèi)的樣品溫度仍低于75攝氏度。在經(jīng)歷熱峰一分半鐘后，返回艙進(jìn)入自由落體階段，在離地面3公里高度時(shí)開主傘，最終在進(jìn)入15分鐘后著陸于80×20公里的橢圓內(nèi)（99%），隨后樣品被送到分析部門。

“奧西里斯-雷克斯”選擇了能力范圍內(nèi)最具科學(xué)價(jià)值的貝努小行星為目標(biāo)；以其獨(dú)特的吸塵器式收集方案力圖盡可能多地收集松散的C型小行星風(fēng)化層樣品；繼承成熟的“星塵號(hào)”返回方案，保障返回過程中樣品中富集的易揮發(fā)物質(zhì)不流失，確保樣品的高科學(xué)價(jià)值；整個(gè)行程長(zhǎng)達(dá)7年。這一切只是為了擴(kuò)展人類對(duì)太陽(yáng)系從行星形成的原始期到生命起源這期間歷程的認(rèn)識(shí)。讓我們拭目以待“奧西里斯-雷克斯”的精彩太陽(yáng)系考古之旅吧。

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“奧西里斯-雷克斯”都帶了啥？

“奧西里斯-雷克斯”擁有大量復(fù)用的全冗余探測(cè)器子系統(tǒng)以及高繼承性的硬件，這些給探測(cè)器的研制及飛控過程提供了靈活性。它的平臺(tái)與載荷組成詳細(xì)見下表：

子系統(tǒng) 組成/功能/參數(shù)電源2塊可繞Y和Z軸旋轉(zhuǎn)的剛性太陽(yáng)能帆板2組鋰離子電池（用于背向太陽(yáng)機(jī)動(dòng)以及TAG段）通信X波段MAVEN的高增益天線MRO的行波管放大器（以適應(yīng)科學(xué)數(shù)據(jù)高速下傳）TAG段使用中增益天線2個(gè)低增益天線用于正常（安全）模式的工程數(shù)據(jù)下傳與指令上傳推進(jìn)高度繼承性無(wú)單點(diǎn)故障的單組元推進(jìn)系統(tǒng)包括主引擎、TCM推力器、姿控推力器以及小推力器組制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)4個(gè)反作用飛輪IMU及星跟蹤器確定并遞推探測(cè)器姿態(tài)太陽(yáng)敏感器用于自主安全模式一臺(tái)LIDAR提供到貝努表面的距離信息TAGCAMS在TAG段進(jìn)行自主器上光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)套件由PolyCamMapCamSamCam三臺(tái)相機(jī)組成PolyCam提供遠(yuǎn)距離貝努捕獲以及表面高精度成像MapCam在近距離操控、全球成像以及采樣點(diǎn)詳查期間提供光學(xué)導(dǎo)航SamCam詳細(xì)探查采樣點(diǎn)特征以及采樣采集記錄激光高度計(jì)提供高精度地形數(shù)據(jù)高能激光器在1～7.5千米范圍為圖像及光譜點(diǎn)提供數(shù)據(jù)低能激光器在500米～1千米范圍用于快速測(cè)距以及LIDAR成像。提供全球地形圖以及采樣點(diǎn)局部地形圖可見光與紅外光譜儀用于識(shí)別貝努表面揮發(fā)性物質(zhì)及有機(jī)質(zhì)富集區(qū)域，引導(dǎo)取樣點(diǎn)的選擇線性變化點(diǎn)式光譜儀（0.4～4.3微米）視場(chǎng)：4毫弧度20米解析度全球光譜圖0.08～2米解析度采樣點(diǎn)光譜圖熱輻射光譜儀傅里葉轉(zhuǎn)換干涉儀、點(diǎn)光譜儀視場(chǎng)：8毫弧度在4～50微米提供超拉曼散射光譜熱紅外數(shù)據(jù)光譜解析度：10厘米-1岡化層X光成像譜儀獲取貝努元素全球豐度圖（X射線）學(xué)生合作試驗(yàn)（MIT與哈佛-史密森天體物理中心）觸地后即離開式樣品獲取機(jī)構(gòu)零重力取樣能力最大采樣量達(dá)2千克吸塵器型采樣方案