取一塊小行星送回地球

劉聲遠

2016年9月8日，美國宇航局第一艘小行星取樣飛船——“奧西里斯-雷克斯號”（以下簡稱奧西里斯）從美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空，從而開啟了一趟意義重大的太空之旅。這趟旅程可能會大大深化我們對早期太陽系的理解。

奧西里斯的全稱是“起源、光譜解讀、資源調查、表層土探索者”。這艘飛船將抵達并探索“貝努”小行星（以下簡稱貝努），并且提取貝努的樣本送回地球。像貝努這樣的小行星，是在46億年前的太陽系形成時期的剩余物。科學家推測，小行星和彗星可能是早期地球和其他行星體的水和有機分子的來源之一。來自一個已知源頭且未被污染的小行星樣本能確保精確的檢測，這樣的檢測結果是非登陸飛船探測結果或對隕石的探索結果所無法企及的。

美國時間9月8日傍晚8時4分，奧西里斯由“大力神5型”運載火箭送入天空。目前，奧西里斯的動力由它的太陽能電池板提供。奧西里斯將在2018年到達貝努，這顆小行星的大小如一座小山。奧西里斯將與貝努進行復雜的同步（因為貝努的運行很不規則），并在此過程中為貝努繪制全球地圖和進行詳細探測，為小行星樣本采集做好準備。2020年7月，奧西里斯將執行一次大膽的機動，其3.3米長的機械臂將伸出并“輕拍”貝努表面，收集至少60克的碎石和塵埃。2023年9月，奧西里斯將把小行星樣本送回地球。

奧西里斯任務將成為美國首次從小行星取樣并送回地球的任務，也是自“阿波羅號”系列飛船載人登月時代以來最大的取樣返回任務。

“地獄判官”斗“魔王”

奧西里斯任務的命名是依據古埃及神話。在古埃及神話中，掌管地獄的判官奧西里斯是一位長著綠皮膚和法老胡須的男子。他的腿部有一部分像木乃伊那樣被包裹，他的王冠兩邊都有兩根大大的鴕鳥羽毛。雷克斯在拉丁文中意為魔王。之所以在奧西里斯任務命名中用雷克斯指代貝努，是因為這顆小行星有撞擊地球并重創地球的潛在可能性（盡管這種可行性很低）。1999年，美國宇航局資助的小行星搜尋計劃發現了貝努。貝努的直徑約為500米（差不多為美國紐約帝國大廈的高度），重量超過6000萬噸。

為什么是貝努？

太陽系中至少有50萬顆已知的小行星，那么，科學家為什么偏偏要選貝努作為取樣對象呢？

距離地球近 最靠近地球的小行星被稱為近地小行星，它們距離太陽都在1.3天文單位以內（天文單位指地球與太陽之間的平均距離，約為1.5億千米）。對于像奧西里斯這樣的取樣返回任務，飛船最容易前往的小行星距離太陽在0.8～1.6天文單位之間。理想的小行星擁有類似地球的軌道，偏心率和傾斜度都不高。2008年，當科學家著手選擇奧西里斯的探索目標時，有超過7000顆近地小行星，但其中只有192顆的軌道滿足上述要求。

直徑越小，小行星自轉越快。如果小行星直徑不到200米，那么由于自轉過快，它的表層土就可能拋射到太空；所以，理想的小行星直徑要超過200米，這樣飛船才能與之安全接觸并采集足夠的表層土。這一要求讓候選小行星從192顆減少到26顆。

組成 基于化學組成的不同，小行星被劃分為不同類型。最原始的小行星都富含碳，它們從40多億年前形成至今都沒怎么改變過。這些小行星所含有的有機分子、揮發物和氨基酸，可能是地球生命的前驅物。在上述26顆小行星中，只有12顆的構成已知，并且只有5顆是原始和富含碳的。從這5顆中，貝努最終被選定。

雅科夫斯基效應 科學家之所以急于了解貝努，還有另一個理由。貝努在金星和火星之間環繞太陽運行，因此它經常穿越地球軌道，每6年靠近地球一次。2135年，貝努將相當靠近地球，屆時它與地球的距離將比月球距離地球還近。地球的引力將改變貝努的軌道，要想預測它會不會因此更靠近地球很困難。事實上，要想預測像貝努這樣的小行星軌道并不容易，這是由于雅科夫斯基效應。黑暗的小行星會吸收陽光，然后又作為熱量釋放，由此造成一種雖然不強、但卻能逐漸改變小行星軌道的推力。通過精確追蹤環繞貝努的奧西里斯，科學家就能準確測量貝努所發生的雅科夫斯基效應。未來，科學家可能會嘗試炸毀對地球構成威脅的小行星，或者讓它們改道。

奧西里斯怎么飛？

奧西里斯離開地球的速度高達5.4千米/秒。為前往貝努，奧西里斯將執行一系列深空機動。首先，它將環繞太陽1年。接著，它將借助地球引力，讓自己向著貝努飛去。奧西里斯將花1年時間近距離探索貝努。在此過程中，它的5部儀器將拍攝貝努全球，調查它的物理化學特性。

奧西里斯由兩塊太陽能電池板提供動力，還有兩個鋰離子電池存儲電力以備不時之需，例如不直接面對陽光（發射和取樣）時。奧西里斯的導航系統包括很多組件，例如恒星追蹤儀、太陽傳感器、激光測距儀和船上圖像處理系統。

到達貝努之后

2018年8月，奧西里斯將在距離貝努接近200萬千米處開始向后者靠近。在靠近過程中，奧西里斯將多次使用小火箭推進器，以匹配貝努在軌道中環繞太陽的速度。奧西里斯與貝努的會合，要求奧西里斯到達會合位置的時間與貝努完全相同，還要求奧西里斯的運動速度和方向也與貝努相同。

對貝努的全球調查將于2018年10月開始，持續近1年，分為4個主要階段。

1.初始調查 旨在尋找小行星羽流、天然衛星，測量雅科夫斯基效應對貝努的加速作用。

2.軌道A上調查 讓地面控制人員從空基導航轉移到利用貝努表面圖像進行陸基導航。

3.詳盡調查 奧西里斯的多部儀器合力繪制貝努地圖，確定貝努的全球光譜、熱和地質特征。

4.軌道B上調查 以高分辨率繼續繪制貝努地圖，重點是尋找采樣地點。當軌道B階段結束時，采樣地點也將被選定。

采樣貝努會遇到什么困難？

科學家最大的擔憂是，當機械臂在貝努表面采樣時，貝努會怎樣回應？機械臂將在慢速（10厘米/秒）狀態下提取貝努表層土樣本。為此，機械臂會打開一瓶高壓氮氣，噴射氮氣以攪起表層土，然后用空氣過濾器搜集它。科學家曾擔心過多表層土飛起來，遮蔽船載相機鏡頭，損傷重要部件。在采取了一些舉措后，這種風險大大降低。例如，為激光測距儀添加了一層保護膜，以備可能進行的第二次取樣。

樣本怎樣回地球？

奧西里斯離開貝努的時間窗口（在這個窗口或時段內，從貝努飛回地球所需時間最短）將在2021年3月開啟。屆時，奧西里斯的主引擎點火，奧西里斯將以0.32千米/秒的速度離開貝努。這次點火將把奧西里斯送入一個慣性飛行軌道，這個軌道在2023年9月與地球軌道交叉。屆時，奧西里斯將在交叉點轉入地球軌道。

2023年9月24日，在經過70.6億千米的漫長飛行后，奧西里斯將來到地球附近。它將彈射（后面是拋射，二者應該統一。）樣本返回艙，把后者送上前往美國猶他州沙漠著陸點的路徑。奧西里斯將執行最后一次機動，讓自己離開地球，前往深空。具體來說，在進入地球大氣層之前4小時，奧西里斯將拋射（上面是彈射）樣本返回艙。接著，奧西里斯執行17.5千米/秒的轉向機動，從而進入一條圍繞太陽的穩定軌道。

樣本返回艙將以12.4千米/秒的速度進入地球大氣層頂部，防熱罩將消除99%的初始動能。進入大氣層后，樣本返回艙將自由墜落，直到離地面大約3千米。此時，降落傘打開，讓樣本返回艙在2023年9月24日軟著陸。至此，樣本返回艙和奧西里斯的貝努往返之旅歷時長達7年之久。

在地球上，科學家將在原子水平檢測貝努樣本，確定這顆小行星的化學成分。科學家將重點找尋諸如氨基酸和糖之類的有機分子，它們是構建生命的基本單元。