在貝努小行星上采樣的冥王號 NASA
北京時間10月21日清晨，已經(jīng)在太空飛行4年的OSIRIS-REx（冥王號）探測器，成功從目前距地球3.34億公里的貝努小行星上，收集了一些塵埃和碎石。耗費7年時間，耗資約65億元人民幣，只為從小行星上抓回“一把土”，值得嗎？當然！在中國航天科工集團二院研究員楊宇光看來，這是一次意義重大的“太陽系考古”。
中國科學院國家天文臺研究員鄭永春對這次任務后續(xù)的科學研究充滿期待。“冥王號可以采集60克樣品，這個量已經(jīng)很多了，樣品類型也會比較豐富，可以開展很多非常系統(tǒng)的研究。估計至少可以研究幾十年。”
小行星上藏有太陽系古老遺跡
對于地球來說，近地小行星是一種危險的存在。它們在太空中風馳電掣，不時與地球擦肩而過，讓人心驚肉跳。不過這些魯莽的家伙并非一無是處，它們身上也藏有科學家們夢寐以求的東西，比如太陽系最古老的遺跡。
鄭永春介紹說，太陽系形成之后，塵埃碰撞凝聚形成了行星、矮行星等天體，還有些粉末碎屑，成為了小行星。相比之下，行星中含有很多放射性元素，會產(chǎn)生熱量，從而導致演化、熔融，慢慢將太陽系初期的歷史湮沒。而能量小、熱量少的小行星，基本上沒有發(fā)生過演化，仍保留著太陽系形成之初的狀態(tài)。對它們開展研究，有助于探尋太陽系最早期的面貌。
此外，隨著航天技術發(fā)展，人類也產(chǎn)生了對小行星資源開發(fā)利用的想法。
出于上述目的，人們開始在茫茫太空中尋找探測目標。楊宇光表示，選擇目標時，需要考慮幾個因素。
從工程角度，首先要考慮可行性。例如項目預算能買多大推力的火箭，能把探測器送到多遠的地方，以此劃定一個選擇范圍。如果要登陸采樣，那么小行星的自轉(zhuǎn)速度就不能太快，以免增加任務難度和風險。
同時還要從探測價值方面考慮。太陽系里有近地小行星、主帶小行星等多種類型，其軌道分布、成份等都有差異。在能力有限的情況下，一定是盡量選擇此前沒有探測過，本身具有一定特點，在科學上或?qū)ξ磥黹_發(fā)有足夠高價值的小行星，作為探測目標。
綜合考慮各種因素，一顆發(fā)現(xiàn)于1999年，編號為1999 RQ36的近地小行星——貝努成為了冥王號的探測目標。
全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩介紹說，貝努是一顆富碳小行星，直徑將近500米。它距離地球最近時約有750萬公里。
中國科學院國家天文臺研究員劉玉娟在一篇文章中介紹，貝努的年齡超過45億歲，并未經(jīng)歷過劇烈的變化，意味著它表面和內(nèi)部的物質(zhì)都是太陽系誕生時產(chǎn)生的，其組成成分很可能包含生命最初在地球上形成時的物質(zhì)。研究這樣的小行星，有助于科學家認識早期的太陽系，包括地球的形成方式，以及生命起源的問題。
全新“接觸即離”方式幾秒鐘完成采樣
冥王號是美國首個小行星采樣返回探測器，于2016年9月9日發(fā)射升空，2018年12月飛到貝努小行星附近。
龐之浩介紹，冥王號此行有幾個科學目標，包括從貝努表面采回足夠量的風化層物質(zhì)，繪制原始碳質(zhì)小行星的全球特性、化學特性、礦物學分布情況圖，在采樣地點記錄風化層的質(zhì)地、形態(tài)、星體化學和光譜特性等。
鄭永春表示，采樣區(qū)的選擇，主要有兩方面要求，一是希望樣品有特點、信息豐富，具備更高的科學價值；二是必須有一塊面積較大、地勢平坦的區(qū)域，才能保證安全。經(jīng)過綜合考慮，冥王號選擇了名為“夜鶯”的采樣區(qū)。
龐之浩介紹，此次采樣采用了“接觸即離”方式，采樣過程只用幾秒鐘。其間，冥王號并沒有著陸，而是在接近目標時伸出采樣機械臂，用機械臂末端的采樣器完成采樣，然后迅速飛離。這種方式省去了采樣前著陸、固定，以及起飛前的解鎖過程；探測器在慣性下落時，也提供了采樣所需的力。
冥王號的采樣器采用了一項全新技術。龐之浩說，當采樣器接觸到小行星地表時，會噴射出純氮氣體，把貝努表面的部分表土層物質(zhì)吹入樣品返回艙。采樣器在接觸地表時，也可以取得一部分樣品。冥王號攜帶了3罐氮氣，能滿足3次采樣嘗試。地面模擬試驗表明，它能夠采得超過60克樣品。
龐之浩說，采樣完成后，冥王號計劃于2021年3月踏上歸途，在2023年9月將重達46千克的采樣返回艙送回地球。不過它不會再入地球大氣層，而是在進入大氣前4小時釋放采樣返回艙，隨即進行碰撞規(guī)避機動，讓采樣返回艙獨自回到地面。冥王號自己則進入環(huán)繞太陽的軌道繼續(xù)飛行。
月球與小行星采樣各有難點
冥王號并不是人類第一個在小行星采樣的探測器。
2003年5月，日本發(fā)射隼鳥號探測器，幾經(jīng)波折，從糸川小行星上采集到約100毫克塵埃，于2010年6月返回地球。
2014年12月，日本又發(fā)射隼鳥2號探測器。它于2019年2月在龍宮小行星著陸采集表面樣本，并發(fā)現(xiàn)了水合礦物質(zhì)。同年4月，它向龍宮發(fā)射了一枚金屬彈，隨后收集了被激起的物質(zhì)。目前，隼鳥2號正在返回途中，計劃于今年底將小行星樣品送回地球。
相比日本這兩次小行星采樣計劃，冥王號項目除了科學目標不同，在采樣、降落導航等方面也采用了全新的技術，同時在伴飛距離上大幅縮短。此外，60克的樣品采集量，堪稱阿波羅計劃之后人類太空采樣之最。
近年來，各國紛紛啟動行星探測計劃。我國就計劃在今年11月下旬發(fā)射嫦娥五號探測器，實施月球采樣返回任務。那么月球與小行星在登陸采樣方面有何不同？
楊宇光表示，行星或矮行星的個頭大、引力大，著陸及采樣方式與小行星任務并不相同，因而在整個工程設計上都不一樣?！皬娘w行器設計角度來說，冥王號和普通軌道飛行器沒有太大差異，主要是增加了一些在微重力條件下采樣的設備?！睏钣罟庹f，而行星的巨大引力會導致探測器環(huán)繞、降落的速度非?？?，這給工程帶來了很大難度。
盡管如此，小行星采樣也有許多技術挑戰(zhàn)。鄭永春介紹，小行星在行星學中被稱作“非合作天體”，由于其幾乎沒有引力，跟探測器之間沒有相互作用，因此要實現(xiàn)對小行星的伴飛、環(huán)繞以及著陸，完全要依靠探測器自身的動力，這對探測器的姿態(tài)調(diào)整及控制精度提出了很高要求。
此外，小行星距離地球較遠，近地點往往也要數(shù)百萬公里，遠大于月球與地球之間的距離，加上其目標小、速度快，這都給探測任務的軌道設計增加了難度。
據(jù)媒體報道，我國也在開展小行星探測關鍵技術攻關。根據(jù)目前的計劃，我國將發(fā)射一個探測器，先環(huán)繞近地小行星2016HO3飛行，再擇機登陸采樣，將樣品返回艙送到地球附近釋放。隨后探測器繼續(xù)飛行，借助地球和火星引力到達小行星帶，對名為133P的主帶彗星進行探測。(付毅飛)
（責任編輯：蔡文斌）
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