奧西里斯-雷克斯：太陽系的“考古學家”

文/劉宇 鄒小端

▲ “奧西里斯-雷克斯”在進行熱真空試驗

2018年12月31日，經過兩年多的長途飛行，美國宇航局（NASA）首個小行星取樣返回探測器“奧西里斯-雷克斯”首次進入小行星貝努(Bennu)的軌道，使貝努成為人造探測器環繞飛行的最小天體。

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

“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火星探測器的成熟設計，攜帶了五大探測儀器以及獨特設計的取樣機械臂，確保任務的完成。它的任務命名也正是科學目標的集合：

Origins起源：采集來自太陽系早期的原始的碳質小行星樣品，帶回地球在實驗室里研究生命的起源和行星形成的過程。

Spectral Interpretation光譜分析：探測器直接光譜調查，將建立起和地面觀測光譜數據之間的聯系，并為眾多其他小行星的望遠鏡觀測數據提供重要的參考。

Resource Identification資源調查：繪制碳質小行星的化學和礦物地圖，為經濟開發和未來的空間探測打基礎。

Security安全：關注小行星對地球潛在的威脅，通過測量太陽光對小行星貝努軌道造成的影響，提高未來小行星軌道預報的精度。為了提高未來軌道預報的準確性，探測器將精確測量太陽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。它是指當小行星吸收陽光和釋放熱量時，由于小行星自身的轉動，接收和釋放輻射的方向變化會對小行星自身產生微小的推動力，致使其運動發生改變。

Regolith Explorer土壤探測：精確記錄采樣點的信息。

為什么選擇貝努？

太陽系小行星的個數超過55萬顆，為什么獨獨選貝努為取樣探測的目標呢？

軌道接近地球且與火箭運載能力匹配

近地小行星有撞擊地球的風險也更容易抵達。選擇軌道接近地球且與火箭運載能力匹配可以在現有能力下實現最大的科學價值。滿足此條件的小行星大概有8000多顆。

具有最優返回軌道

“奧西里斯-雷克斯”的目標是帶回樣品，所探測的目標必須有最優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太快（小于2小時）或者沒有穩定的自轉軸。科學家擔心如此快的自轉會把天體表面的松散風化層甩出去。這樣，還剩27顆小行星。

是C型小行星

只有C型小行星被認為是46億年前形成太陽系的冷塵云的化石。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”的科學家團隊采用行星雷達系統生成了7米分辨率的貝努形狀模型，測量了它的體積密度以及精確的軌道特征；同時在哈勃空間望遠鏡的幫助下確定了貝努是一顆C型小行星，并精確測定了它的旋轉速率；此外斯皮策空間望遠鏡提供了熱紅外觀測，這為飛行系統環境條件的評估以及風化層特性提供了線索。正是由于這些豐富的觀測資料以及對貝努化石特性的確認，使得貝努成為“奧西里斯-雷克斯”的首選探測目標。

貝努的直徑大約為480米，大小如一座山，它誕生于太陽系形成早期，壽命約有45億年。NASA科學家塞勒說，小行星就像“時空膠囊”，可以從上面獲得太陽系數十億年前的原始樣本，這就是為什么對科學家而言，這些樣本比黃金還要珍貴。

“奧西里斯-雷克斯”怎么飛？

對于長達7年的旅程，“奧西里斯-雷克斯”詳細規劃了其間的主要行程：2016年9月4日啟程，在深空機動后，2017年9月重新飛越地球，完成地球借力。隨后經過11個月的漫長星際巡航，于2018年8月開始光學搜索目標貝努，進入接近段飛行。之后的一個月，在2018年10月與貝努交會之前，“奧西里斯-雷克斯”慢慢接近貝努，搜尋它的衛星，進一步精確測定它的形狀與旋轉模型。2018年11月，進入初察與環繞段，通過估計貝努的質量并從星基導航轉移到基于表面陸標光學導航以精確估計“奧西里斯-雷克斯”相對于貝努的軌道狀態，為余下的相遇旅程建立導航基礎。接下來進入詳查段，“奧西里斯-雷克斯”繪制貝努的包括結構、礦物以及化學的組合全球地圖，展示地理特征，揭示其地質及動力學歷史，并為取樣返回提供背景。“奧西里斯-雷克斯”上那套由0.8度、4度及21度視場的三個相機組成的相機組，可以在可見光波段識別貝努的表面組份；激光高度計可以繪制1微米的表面地形圖；可見光與紅外光譜議在0.4－50微米波段識別表面組份；風化層X光成像光譜儀提供一個貝努的全球元素豐度X光地圖。觸走段（TAG）是整個旅程最精彩的地方，后面將有專門章節詳細講解。

在到達貝努931天后的2021年3月，“奧西里斯-雷克斯”將執行319米/秒的返回機動。2023年9月24日，樣品返回艙將著陸于猶他州測試與訓練場。繼承自星塵號的流程會將返回艙運送到約翰遜航天中心，在這里樣品將被取出并送到管理場。對樣品的分析，將為人類提供前所未有的關于太陽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階段開展：排練階段與觸走段（TAG）。確定采樣點后，團隊開始執行排練階段的工作。第一次排練將執行檢查點（Check point CP）機動并回到1公里軌道。第二次排練將在返回軌道前進一步執行由CP到MP（Matchpoint）的機動。在成功完成機動排練后，團隊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，因此探測器團隊將需要探測器上的導航與制導來執行觸走段操作。“奧西里斯-雷克斯”將利用距離變化測量裝備確定探測器相對于貝努的位置，自主的調整機動以確保能觸及預定橢圓取樣區域表面。一旦探測器感知到接觸到貝努的表面，將自動觸發采樣機構，噴出氮氣并收集風化層樣品。

與日本“隼鳥2號”發射彈丸撞擊小天體收集濺起的碎末不同，“奧西里斯-雷克斯”設計了新穎的吸塵器采集方案。由于風化層多為松散結構，利用吸塵器的原理不失為一個好方案。但小天體貝努上沒有大氣，沒法形成氣流。沒關系，我們自已制造氣流。“奧西里斯-雷克斯”自帶壓縮氮氣，通過設計特殊的氣路，用高壓氮氣沖刷風化層，再對攜帶有風化層微粒的氮氣流進行過濾，采集到貝努的風化層樣品。按照設計，至少能收集到60克樣品，工程師預期最多可采集2千克樣品，比“隼鳥2號”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小時以后，當探測器到達安全距離，團隊將樣品轉入樣品返回艙。當然樣品在轉入返回艙之前，團隊還會通過采樣相機對其進行檢查，合格后方可轉入。

回家之路

自2021年3月，“奧西里斯-雷克斯”在執行了319米/秒的返回機動后，將進入彈道返回軌道于2023年9月返回地球。這個返回軌道并沒有設計大的機動，以保證即便在返回過程中失去與地面的聯系，“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”

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

“奧西里斯-雷克斯”選擇了能力范圍內最具科學價值的貝努小行星為目標；以其獨特的吸塵器式收集方案力圖盡可能多地收集松散的C型小行星風化層樣品；繼承成熟的“星塵號”返回方案，保障返回過程中樣品中富集的易揮發物質不流失，確保樣品的高科學價值；整個行程長達7年。這一切只是為了擴展人類對太陽系從行星形成的原始期到生命起源這期間歷程的認識。讓我們拭目以待“奧西里斯-雷克斯”的精彩太陽系考古之旅吧。

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“奧西里斯-雷克斯”都帶了啥？

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

子系統 組成/功能/參數電源2塊可繞Y和Z軸旋轉的剛性太陽能帆板2組鋰離子電池（用于背向太陽機動以及TAG段）通信X波段MAVEN的高增益天線MRO的行波管放大器（以適應科學數據高速下傳）TAG段使用中增益天線2個低增益天線用于正常（安全）模式的工程數據下傳與指令上傳推進高度繼承性無單點故障的單組元推進系統包括主引擎、TCM推力器、姿控推力器以及小推力器組制導、導航與控制分系統4個反作用飛輪IMU及星跟蹤器確定并遞推探測器姿態太陽敏感器用于自主安全模式一臺LIDAR提供到貝努表面的距離信息TAGCAMS在TAG段進行自主器上光學導航相機套件由PolyCamMapCamSamCam三臺相機組成PolyCam提供遠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詳查期間提供光學導航SamCam詳細探查采樣點特征以及采樣采集記錄激光高度計提供高精度地形數據高能激光器在1～7.5千米范圍為圖像及光譜點提供數據低能激光器在500米～1千米范圍用于快速測距以及LIDAR成像。提供全球地形圖以及采樣點局部地形圖可見光與紅外光譜儀用于識別貝努表面揮發性物質及有機質富集區域，引導取樣點的選擇線性變化點式光譜儀（0.4～4.3微米）視場：4毫弧度20米解析度全球光譜圖0.08～2米解析度采樣點光譜圖熱輻射光譜儀傅里葉轉換干涉儀、點光譜儀視場：8毫弧度在4～50微米提供超拉曼散射光譜熱紅外數據光譜解析度：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）學生合作試驗（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構零重力取樣能力最大采樣量達2千克吸塵器型采樣方案