取一塊小行星送回地球

劉聲遠(yuǎn)

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

奧西里斯的全稱是“起源、光譜解讀、資源調(diào)查、表層土探索者”。這艘飛船將抵達(dá)并探索“貝努”小行星（以下簡(jiǎn)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(yáng)系形成時(shí)期的剩余物?？茖W(xué)家推測(cè)，小行星和彗星可能是早期地球和其他行星體的水和有機(jī)分子的來(lái)源之一。來(lái)自一個(gè)已知源頭且未被污染的小行星樣本能確保精確的檢測(cè)，這樣的檢測(cè)結(jié)果是非登陸飛船探測(cè)結(jié)果或?qū)﹄E石的探索結(jié)果所無(wú)法企及的。

美國(guó)時(shí)間9月8日傍晚8時(shí)4分，奧西里斯由“大力神5型”運(yùn)載火箭送入天空。目前，奧西里斯的動(dòng)力由它的太陽(yáng)能電池板提供。奧西里斯將在2018年到達(dá)貝努，這顆小行星的大小如一座小山。奧西里斯將與貝努進(jìn)行復(fù)雜的同步（因?yàn)樨惻倪\(yùn)行很不規(guī)則），并在此過(guò)程中為貝努繪制全球地圖和進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，為小行星樣本采集做好準(zhǔn)備。2020年7月，奧西里斯將執(zhí)行一次大膽的機(jī)動(dòng)，其3.3米長(zhǎng)的機(jī)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(wù)將成為美國(guó)首次從小行星取樣并送回地球的任務(wù)，也是自“阿波羅號(hào)”系列飛船載人登月時(shí)代以來(lái)最大的取樣返回任務(wù)。

“地獄判官”斗“魔王”

奧西里斯任務(wù)的命名是依據(jù)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(zhǎng)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(wù)命名中用雷克斯指代貝努，是因?yàn)檫@顆小行星有撞擊地球并重創(chuàng)地球的潛在可能性（盡管這種可行性很低）。1999年，美國(guó)宇航局資助的小行星搜尋計(jì)劃發(fā)現(xiàn)了貝努。貝努的直徑約為500米（差不多為美國(guó)紐約帝國(guó)大廈的高度），重量超過(guò)6000萬(wàn)噸。

為什么是貝努？

太陽(yáng)系中至少有50萬(wàn)顆已知的小行星，那么，科學(xué)家為什么偏偏要選貝努作為取樣對(duì)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(yáng)都在1.3天文單位以內(nèi)（天文單位指地球與太陽(yáng)之間的平均距離，約為1.5億千米）。對(duì)于像奧西里斯這樣的取樣返回任務(wù)，飛船最容易前往的小行星距離太陽(yáng)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(dāng)科學(xué)家著手選擇奧西里斯的探索目標(biāo)時(shí)，有超過(guò)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(zhuǎn)越快。如果小行星直徑不到200米，那么由于自轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)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(xué)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(méi)怎么改變過(guò)。這些小行星所含有的有機(jī)分子、揮發(fā)物和氨基酸，可能是地球生命的前驅(qū)物。在上述26顆小行星中，只有12顆的構(gòu)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(yīng) 科學(xué)家之所以急于了解貝努，還有另一個(gè)理由。貝努在金星和火星之間環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行，因此它經(jīng)常穿越地球軌道，每6年靠近地球一次。2135年，貝努將相當(dāng)靠近地球，屆時(shí)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(yù)測(cè)它會(huì)不會(huì)因此更靠近地球很困難。事實(shí)上，要想預(yù)測(cè)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(yīng)。黑暗的小行星會(huì)吸收陽(yáng)光，然后又作為熱量釋放，由此造成一種雖然不強(qiáng)、但卻能逐漸改變小行星軌道的推力。通過(guò)精確追蹤環(huán)繞貝努的奧西里斯，科學(xué)家就能準(zhǔn)確測(cè)量貝努所發(fā)生的雅科夫斯基效應(yīng)。未來(lái)，科學(xué)家可能會(huì)嘗試炸毀對(duì)地球構(gòu)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(kāi)地球的速度高達(dá)5.4千米/秒。為前往貝努，奧西里斯將執(zhí)行一系列深空機(jī)動(dòng)。首先，它將環(huán)繞太陽(yáng)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(shí)間近距離探索貝努。在此過(guò)程中，它的5部?jī)x器將拍攝貝努全球，調(diào)查它的物理化學(xué)特性。

奧西里斯由兩塊太陽(yáng)能電池板提供動(dòng)力，還有兩個(gè)鋰離子電池存儲(chǔ)電力以備不時(shí)之需，例如不直接面對(duì)陽(yáng)光（發(fā)射和取樣）時(shí)。奧西里斯的導(dǎo)航系統(tǒng)包括很多組件，例如恒星追蹤儀、太陽(yáng)傳感器、激光測(cè)距儀和船上圖像處理系統(tǒng)。

到達(dá)貝努之后

2018年8月，奧西里斯將在距離貝努接近200萬(wàn)千米處開(kāi)始向后者靠近。在靠近過(guò)程中，奧西里斯將多次使用小火箭推進(jìn)器，以匹配貝努在軌道中環(huán)繞太陽(yáng)的速度。奧西里斯與貝努的會(huì)合，要求奧西里斯到達(dá)會(huì)合位置的時(shí)間與貝努完全相同，還要求奧西里斯的運(yùn)動(dòng)速度和方向也與貝努相同。

對(duì)貝努的全球調(diào)查將于2018年10月開(kāi)始，持續(xù)近1年，分為4個(gè)主要階段。

1.初始調(diào)查 旨在尋找小行星羽流、天然衛(wèi)星，測(cè)量雅科夫斯基效應(yīng)對(duì)貝努的加速作用。

2.軌道A上調(diào)查 讓地面控制人員從空基導(dǎo)航轉(zhuǎn)移到利用貝努表面圖像進(jìn)行陸基導(dǎo)航。

3.詳盡調(diào)查 奧西里斯的多部?jī)x器合力繪制貝努地圖，確定貝努的全球光譜、熱和地質(zhì)特征。

4.軌道B上調(diào)查 以高分辨率繼續(xù)繪制貝努地圖，重點(diǎn)是尋找采樣地點(diǎn)。當(dāng)軌道B階段結(jié)束時(shí)，采樣地點(diǎn)也將被選定。

采樣貝努會(huì)遇到什么困難？

科學(xué)家最大的擔(dān)憂是，當(dāng)機(jī)械臂在貝努表面采樣時(shí)，貝努會(huì)怎樣回應(yīng)？機(jī)械臂將在慢速（10厘米/秒）狀態(tài)下提取貝努表層土樣本。為此，機(jī)械臂會(huì)打開(kāi)一瓶高壓氮?dú)?，噴射氮?dú)庖詳嚻鸨韺油?，然后用空氣過(guò)濾器搜集它?？茖W(xué)家曾擔(dān)心過(guò)多表層土飛起來(lái)，遮蔽船載相機(jī)鏡頭，損傷重要部件。在采取了一些舉措后，這種風(fēng)險(xiǎn)大大降低。例如，為激光測(cè)距儀添加了一層保護(hù)膜，以備可能進(jìn)行的第二次取樣。

樣本怎樣回地球？

奧西里斯離開(kāi)貝努的時(shí)間窗口（在這個(gè)窗口或時(shí)段內(nèi)，從貝努飛回地球所需時(shí)間最短）將在2021年3月開(kāi)啟。屆時(shí)，奧西里斯的主引擎點(diǎn)火，奧西里斯將以0.32千米/秒的速度離開(kāi)貝努。這次點(diǎn)火將把奧西里斯送入一個(gè)慣性飛行軌道，這個(gè)軌道在2023年9月與地球軌道交叉。屆時(shí)，奧西里斯將在交叉點(diǎn)轉(zhuǎn)入地球軌道。

2023年9月24日，在經(jīng)過(guò)70.6億千米的漫長(zhǎng)飛行后，奧西里斯將來(lái)到地球附近。它將彈射（后面是拋射，二者應(yīng)該統(tǒng)一。）樣本返回艙，把后者送上前往美國(guó)猶他州沙漠著陸點(diǎn)的路徑。奧西里斯將執(zhí)行最后一次機(jī)動(dòng)，讓自己離開(kāi)地球，前往深空。具體來(lái)說(shuō)，在進(jìn)入地球大氣層之前4小時(shí)，奧西里斯將拋射（上面是彈射）樣本返回艙。接著，奧西里斯執(zhí)行17.5千米/秒的轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)，從而進(jìn)入一條圍繞太陽(yáng)的穩(wěn)定軌道。

樣本返回艙將以12.4千米/秒的速度進(jìn)入地球大氣層頂部，防熱罩將消除99%的初始動(dòng)能。進(jìn)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(shí)，降落傘打開(kāi)，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(shí)長(zhǎng)達(dá)7年之久。

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