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▲“奧西里斯-雷克斯”探測貝努小行星示意圖 |
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▲“奧西里斯-雷克斯”的大小示意圖 |
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杭添仁
新聞背景
日前，名為“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-Rex）的美國首個小行星采樣返回探測器，由宇宙神5號火箭發(fā)射升空，目標是對名叫貝努的小行星進行采樣返回探測。它將在2018年8月抵達貝努，并在環(huán)繞貝努的軌道上對其進行全球表面成像觀測，展開為期兩年的科學研究。在2020年7月，探測器將使用機械臂末端的采樣器采集至少60克的貝努表面風化層樣品，2023年把樣品返回地球供科學家研究。
名字取得有意思
近些年來，美國規(guī)劃了三類深空探測任務，即“發(fā)現(xiàn)”（采用小型探測器）、“新疆域”（采用中型探測器）和“旗艦”（采用大型探測器）任務。
其中“新疆域”的任務就是用中型航天器探索太陽系，它的第一項任務是于2006年發(fā)射的“新視野”冥王星探測器，已于去年飛掠了冥王星，目前正飛往柯伊伯帶去探測；第二項任務是于2011年發(fā)射的“朱諾”木星探測器，已于今年進入木星軌道進行探測；第三項任務就是此次發(fā)射的“奧西里斯-雷克斯”小行星采樣返回探測器，成本為8億美元，任務周期為7年。
“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-Rex）的全名叫“起源、光譜釋義、資源識別、安全性、表土風化層探測器”（The Origins，Spectral Interpretation，Resource Identification，Security-Regolith Explorer）。
其實，“奧西里斯-雷克斯”的任務正如它的全名：
起源 是實現(xiàn)對一顆富碳原始小行星的采樣和返回，研究行星的形成和生命的起源；
光譜釋義 是用多光譜測量貝努小行星，從而為地面望遠鏡開展的小行星觀測提供直接對比數(shù)據(jù)參照；
資源識別 是通過光譜測量獲得這顆原始富碳小行星的化學、礦物特征，并確認其地質與動力學歷史，為采樣工作做準備；
安全性 是通過測量雅克夫斯基效應（一顆自轉的小行星會在太陽輻射產(chǎn)生的微弱推力的長期作用下出現(xiàn)軌道偏移的現(xiàn)象），以便今后更準確地預報小行星軌道，避免其撞擊地球；
表土風化層探測器 是從小行星表面取回不少于60克的風化層，或者說是碎片。
取“奧西里斯-雷克斯”這個名字，也是為了某種象征意義?！皧W西里斯”是古代埃及神話中的“九神”之一。根據(jù)神話傳說，它曾在古埃及的尼羅河三角洲地區(qū)傳播農(nóng)業(yè)知識。而“奧西里斯-雷克斯”項目是為了從一顆小行星進行采樣返回，科學家們認為這顆小行星上的有機物質，可能為早期地球帶來了生命的種子。
七年征程路漫漫
“奧西里斯-雷克斯”的太陽電池翼翼展為6.2米，寬2.4米，高3.2米，凈質量880千克，加注燃料后的總質量2110千克?！皧W西里斯-雷克斯”的飛行旅程是這樣的：
巡航段 探測器在深空機動后于2017年9月重新飛越地球，通過借助地球引力作“跳板”來加速飛行。2018年8月開始用光學設備搜索目標貝努，進入接近段飛行。
接近段 探測器在2018年10月與貝努交會之前慢慢接近貝努，進一步精確測定它的形狀與自轉模型。
初查段和環(huán)繞A段 2018年11月，探測器進入初查段與環(huán)繞A段，通過估計貝努的質量和探測器相對于貝努的軌道狀態(tài)，為進入貝努軌道建立導航基礎。
詳查段 探測器上的科研設備繪制貝努的包括結構、礦物以及化學的組合全球地圖，確定其全球光譜、熱和地質特性，展示地理特征，揭示其地質及動力學歷史。在詳查后選出12個可能的采樣地點，并測量貝努小行星的軌道是如何受到其表面冷熱程度影響的，即雅克夫斯基效應。
環(huán)繞B段 科研設備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。除相機組等外，其上的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。
勘察段 探測器近距離地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、樣品物質的存在情況以及科學價值等進行評估，并選出最終的一個采樣地點。
接觸即離段 這是“奧西里斯-雷克斯”整個旅程最精彩的地方，它對貝努小行星進行采樣。
返回段 在到達貝努931天后的2021年3月，“奧西里斯-雷克斯”以0.32千米/秒的速度進行返回機動。2023年9月24日，樣品返回艙著陸于猶他州測試與訓練靶場。
貝努撞地球危險性排第二
貝努的原名叫“1999 RQ 36”，2013年，9歲的邁克·普齊奧在一個競賽中贏得了給它重新命名的機會。
小行星是太陽系內(nèi)類似行星環(huán)繞太陽運動，但體積和質量比行星小得多的天體。至今，在太陽系內(nèi)一共已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了約70萬顆小行星，但這可能僅是所有小行星中的一小部分。根據(jù)估計，小行星的數(shù)目有數(shù)百萬。
它們中有一部分是近地小行星，即可能會運行到距離地球非常近的范圍內(nèi)。一般把運行到距離太陽1.3個天文單位（AU，地球到太陽的距離，約為1.5億千米）范圍內(nèi)的小天體叫近地小行星。探測近地小行星不僅比較容易，而且具有重要意義。例如，能認識太陽系的最初物質組成，更好地研究太陽系的形成和演化；很多近地小行星可能蘊藏著豐富的貴重金屬等礦產(chǎn)資源，有很高的開發(fā)價值；可為地球自身的安全做好預測和防范，有利于研究、開發(fā)出防止近地小行星撞擊地球的新方法和技術；可作為載人登火星的中轉站，成為深入探索太空的基石。
1999年9月發(fā)現(xiàn)的貝努是一顆直徑492米的近地小行星。每隔6年左右靠近地球一次。貝努非常黑暗，是富碳小行星，這種小行星被認為是“原始”的，從其形成開始，幾乎未發(fā)生過地質學變化。其質量約為0.776億噸，自轉周期為4.297天，其繞太陽公轉一周的時間大約是436.604天（1.2年），與地球的距離在1.34億-2.03億千米之間，是一顆對地球有潛在危險的小行星，有可能在22世紀期間與地球發(fā)生碰撞，在2169-2199年間撞擊地球的概率為0.071%，撞擊地球的危險性目前排在第二位。
貝努小行星與地球的距離、運行軌道、形狀尺寸以及含碳豐富的特點，使該小行星成為進行小行星采樣返回任務的最佳目標之一。探測貝努能更好地評估內(nèi)太陽系的風險和資源，對未來發(fā)展小行星碰撞規(guī)避任務也至關重要。
接觸即離采樣有秘訣
“奧西里斯-雷克斯”采用接觸即離的采樣工作方式，是此次任務中最有看點的一部分。
所謂接觸即離的方式很像“蜻蜓點水”，即探測器整體并不著陸，當探測器接近目標時伸出采樣機械臂，機械臂末端上的采樣器與貝努表面只接觸幾秒鐘就能瞬間完成采樣，然后迅速飛離小行星。這種方式省去了在采樣前的著陸和固定以及采樣后離開表面前的解鎖過程。另外，當探測器在慣性下落時，接觸即離也提供了采樣所需要的正常接觸力。
這臺由洛馬公司研制的小行星表面采樣設備是一項全新的技術，采樣器一旦接觸到貝努小行星地表時，就會噴射出一股純氮氣氣體，目的是把貝努表面的部分表土層物質吹入設備的樣品返回艙。它一共攜帶了3罐氮氣，能夠滿足3次采樣嘗試。采樣器接觸小行星地表的部分也安裝了采樣裝置，在接觸地表時也會獲取一部分樣品。地面模擬試驗表明，它應當能夠采得超過60克的樣品。
樣品返回艙也是洛馬公司研制的，質量為46千克，繼承了2006年 “星塵”彗星探測器返回艙的相關技術，安裝了隔熱防護罩以及降落傘，用于安全地將收集到的樣品返回地球。當采樣任務完成后，機械臂會把采樣器裝進返回器內(nèi)。任務結束時，裝有采樣器和小行星樣品的樣品返回艙是唯一返回地球的組件。
采樣完成后，“奧西里斯-雷克斯”于2021年3月開始返回地球的旅程。在進入地球大氣前4小時，探測器將釋放采樣返回艙。隨后探測器將進行碰撞規(guī)避機動，并不進入地球大氣，而是在繞太陽軌道上運行。采樣返回艙將以12.2千米/秒的速度進入地球大氣，然后通過降落傘系統(tǒng)進行減速，最后在猶他州測試與訓練靶場軟著陸。
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