NASA的OSIRIS-REx探測(cè)器即將登陸小行星并采樣

2020-09-28 15:02:17 來(lái)源： IT之家

這臺(tái)卡車(chē)大小的探測(cè)器裝有一個(gè)機(jī)械臂，用來(lái)收集小行星表面的樣品?？茖W(xué)家們希望這項(xiàng)任務(wù)能加深我們對(duì)行星形成及生命起源的了解，并更深入地探索可能影響地球的小行星。著陸地點(diǎn)之所以

北京時(shí)間 9 月 28 日消息，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)近日宣布，旨在進(jìn)行小行星采樣并返回的 OSIRIS-REx 探測(cè)器將于 10 月 20 日登陸小行星貝努(Bennu，即小行星 101955)。屆時(shí)這臺(tái)探測(cè)器將小心翼翼地進(jìn)行長(zhǎng)達(dá) 4.5 小時(shí)的降落，然后在幾秒鐘內(nèi)接觸并離開(kāi)這顆小行星。

OSIRIS-REx 探測(cè)器的全稱是 “太陽(yáng)系起源、光譜解析、資源識(shí)別、安全保障、小行星風(fēng)化層探索者”(Origins，Spectral Interpretation，Resource Identification，Security，Regolith Explorer)。NASA 已經(jīng)選定了它的著陸點(diǎn)，即 “夜鶯”(Nightingale)，位于貝努北半球一個(gè)直徑 16 米的巖石區(qū)域。這個(gè)候選地點(diǎn)被認(rèn)為具有顆粒最細(xì)的土壤。

這臺(tái)卡車(chē)大小的探測(cè)器裝有一個(gè)機(jī)械臂，用來(lái)收集小行星表面的樣品。科學(xué)家們希望這項(xiàng)任務(wù)能加深我們對(duì)行星形成及生命起源的了解，并更深入地探索可能影響地球的小行星。著陸地點(diǎn)之所以選中 “夜鶯”，是因?yàn)檫@是貝努表面最清晰的區(qū)域之一，最容易接觸到細(xì)小顆粒物質(zhì)。

然而，著陸點(diǎn)周?chē)幸恍┚薮蟮摹⑷缤ㄖ锎笮〉氖瘔K，只有一個(gè)大約幾個(gè)停車(chē)位大小的地方可供降落。另一方面，如果著陸稍有偏差，OSIRIS-REx 探測(cè)器的處境也可能非常不妙。

貝努位于地球和火星之間，距離地球約 3.34 億公里。在如此遠(yuǎn)的距離上，從 OSIRIS-REx 探測(cè)器到 NASA 總部之間的信號(hào)傳遞大約需要 18.5 分鐘。這意味著人工著陸是不可能的，所有成功著陸的希望都寄托在機(jī)載自主系統(tǒng)上。

按照計(jì)劃，OSIRIS-REx 探測(cè)器應(yīng)該收集至少 57 克的小行星巖石材料帶回地球。這將是自阿波羅任務(wù)以來(lái)最大的樣品采集任務(wù)，而阿波羅任務(wù)獲得了更多的資金，在采集樣品時(shí)也得到了地面上更多的幫助。如果貝努表面的物質(zhì)采集成功，OSIRIS-REx 探測(cè)器將于 2023 年 9 月 24 日返回地球。

NASA 還透露了 OSIRIS-REx 探測(cè)器將如何在小行星表面著陸的一些細(xì)節(jié)。這場(chǎng)四個(gè)半小時(shí)的考驗(yàn)將分為三個(gè)步驟。第一步是點(diǎn)燃 OSIRIS-REx 探測(cè)器上的推進(jìn)器，使其脫離距離表面約 770 米的軌道。

軌道高度之所以這么低，是因?yàn)樨惻钠骄霃街挥?246 米，整體的引力很小。此時(shí)，探測(cè)器的采樣臂，稱為 “接觸即走樣品采集機(jī)制”(Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism，簡(jiǎn)稱 TAGSAM)，將展開(kāi)并向下指向貝努。脆弱的太陽(yáng)能電池板將在探測(cè)器上方以 Y 字形翼狀展開(kāi)，以安全避開(kāi)任何危險(xiǎn)。

TAGSAM 的采樣頭將是探測(cè)器唯一會(huì)接觸到貝努表面的部分。OSIRIS-REx 項(xiàng)目副主管麥克 • 莫羅表示，這項(xiàng)任務(wù)經(jīng)過(guò)了多年的計(jì)劃和艱苦工作，而在屆時(shí)的登陸過(guò)程中，TAGSAM 基本上只與小行星表面接觸 5 到 10 秒鐘。

NASA 的工作人員將授權(quán) OSIRIS-REx 探測(cè)器自主降落，它將利用一個(gè)名為 “自然特征跟蹤”(Natural Feature Tracking，簡(jiǎn)稱 NFT)的導(dǎo)航系統(tǒng)控制自己的著陸。該系統(tǒng)使用了 OSIRIS-REx 任務(wù)所拍攝的小行星表面的全部詳細(xì)圖像，并將其轉(zhuǎn)化為一張地圖，指出了所有潛在的危險(xiǎn)。如果著陸偏離了各種預(yù)先定義的限制，可能使探測(cè)器處于危險(xiǎn)中，該系統(tǒng)就會(huì)執(zhí)行預(yù)先編程的中止任務(wù)。

如果發(fā)生這種情況，NASA 將重新組織任務(wù)團(tuán)隊(duì)并在稍后的日期再次嘗試。探測(cè)器緩慢穩(wěn)定的下降過(guò)程大約需要 4 個(gè)小時(shí)，然后在大約 125 米的高度進(jìn)行所謂的 “檢查點(diǎn)”(Checkpoint)機(jī)動(dòng)。

隨著推進(jìn)器的再一次點(diǎn)火，緩慢的下降將變得更陡、更快，探測(cè)器也越來(lái)越接近小行星表面。大約 11 分鐘后，將進(jìn)行第三次也是最后一次機(jī)動(dòng)，即 “賽末點(diǎn)”(Matchpoint)。此時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將使用推進(jìn)器，將探測(cè)器穩(wěn)定在距離著陸點(diǎn) 54 米的高度。OSIRIS-REx 探測(cè)器將再次放慢速度，并試圖在接近小行星之前與其旋轉(zhuǎn)相匹配。

NASA 預(yù)測(cè)，OSIRIS-REx 探測(cè)器在小行星表面著陸的時(shí)間不會(huì)超過(guò) 16 秒。之后，探測(cè)器的氮?dú)馄繉姵鰵怏w，從貝努的表面吹起碎屑。探測(cè)器將在再次點(diǎn)火前嘗試采集一些碎屑，然后撤到安全的軌道上。在這次具有里程碑意義的著陸后一周，NASA 才能知道是否能成功獲得約 60 克的小行星物質(zhì)。

10 月 22 日，一架機(jī)載照相機(jī)將對(duì)可伸縮采樣臂進(jìn)行拍攝，以查看是否采集了任何物質(zhì)。10 月 24 日，OSIRIS-REx 探測(cè)器將嘗試確定這些物質(zhì)的質(zhì)量。如果采樣量足夠，這些物質(zhì)將被安全地包裝起來(lái)，放在 “樣品返回艙”(Sample Return Capsule，簡(jiǎn)稱 SRC)中，開(kāi)始返回地球的旅程。

如果采樣量不能令 NASA 滿意，OSIRIS-REx 探測(cè)器將返回小行星上方并再次嘗試，因?yàn)樘綔y(cè)器攜帶了足夠的氮?dú)猓梢赃M(jìn)行三次嘗試。如果真的發(fā)生這種情況，NASA 將放棄 “夜鶯”，將降落點(diǎn)改為備用的 “魚(yú)鷹”(Osprey)，并且最早也要到 2021 年 1 月才會(huì)再次著陸。

貝努表面的灶神星碎片

NASA 拍攝的小行星 “貝努”的圖像顯示，它的表面還有另一顆小行星的碎片，而且 “極其明亮”。這些碎片來(lái)自灶神星(Vesta)，大小從 1.5 米到 4.3 米不等，散布在貝努的南半球及其中心附近。

研究人員從 OSIRIS-REx 探測(cè)器的圖像中檢測(cè)到了這些巨石，它們看起來(lái)比周?chē)纳钌惶紖^(qū)域要明亮得多。探測(cè)器使用機(jī)載光譜儀分析了這些碎片，發(fā)現(xiàn)了輝石礦物的跡象——這是灶神星上的一種已知化合物。

NASA 研究人員認(rèn)為，這些物質(zhì)來(lái)自貝努的母小行星，后者受到了灶神星碎片的撞擊。NASA 戈達(dá)德太空飛行中心的漢娜 · 卡普蘭說(shuō)：“我們的主要假設(shè)是，一塊灶神星的碎片撞擊了貝努的母小行星，之后貝努就從母小行星那里‘繼承’了這些物質(zhì)。后來(lái)，當(dāng)這顆母小行星發(fā)生災(zāi)難性的斷裂時(shí)，它的一部分碎片在自身重力作用下聚集形成了貝努，包括一些來(lái)自灶神星的輝石。”

小行星 “貝努”，由 OSIRIS-REx 探測(cè)器拍攝于 2018 年 12 月 2 日。

OSIRIS-REx 探測(cè)器任務(wù)將如何從小行星上獲取樣品?

科學(xué)家表示，這顆古老的小行星可能含有生命起源的線索。據(jù)信，它形成于 45 億年前，攜帶著太陽(yáng)系誕生時(shí)的殘余物質(zhì)。

OSIRIS-REx 探測(cè)器于美國(guó)東部時(shí)間 2016 年 9 月 8 日 19 時(shí) 05 分搭載阿特拉斯 5 號(hào)火箭發(fā)射升空。在仔細(xì)調(diào)查了貝努小行星的特征并確定最合適的取樣地點(diǎn)后，OSIRIS-REx 探測(cè)器將使用機(jī)械臂收集約 60 至 2000 克的小行星表面物質(zhì)，并在 2023 年通過(guò)一個(gè)可拆卸的太空艙將樣品送回地球。

為了在小行星表面采集樣本，OSIRIS-REx 探測(cè)器將在一個(gè)特定區(qū)域上空盤(pán)旋，然后以每秒 10 厘米的速度緩慢而輕柔地降落。探測(cè)器還攜帶著激光高度計(jì)和亞利桑那大學(xué)提供的一套攝像機(jī)，以及光譜儀和激光雷達(dá)。