全新“接觸即離”方式幾秒鐘完成采樣 為什么要去小行星挖土？

北京時(shí)間10月21日清晨，已經(jīng)在太空飛行4年的OSIRIS-REx(冥王號(hào))探測(cè)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(fèi)7年時(shí)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(dāng)然!在中國航天科工集團(tuán)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(xué)院國家天文臺(tái)研究員鄭永春對(duì)這次任務(wù)后續(xù)的科學(xué)研究充滿期待。“冥王號(hào)可以采集60克樣品，這個(gè)量已經(jīng)很多了，樣品類型也會(huì)比較豐富，可以開展很多非常系統(tǒng)的研究。估計(jì)至少可以研究幾十年。”

小行星上藏有太陽系古老遺跡

對(duì)于地球來說，近地小行星是一種危險(xiǎn)的存在。它們?cè)谔罩酗L(fēng)馳電掣，不時(shí)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(xué)家們夢(mèng)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(huì)產(chǎn)生熱量，從而導(dǎo)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(duì)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(shù)發(fā)展，人類也產(chǎn)生了對(duì)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(cè)目標(biāo)。楊宇光表示，選擇目標(biāo)時(shí)，需要考慮幾個(gè)因素。

從工程角度，首先要考慮可行性。例如項(xiàng)目預(yù)算能買多大推力的火箭，能把探測(cè)器送到多遠(yuǎn)的地方，以此劃定一個(gè)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(wù)難度和風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)還要從探測(cè)價(jià)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(cè)過，本身具有一定特點(diǎn)，在科學(xué)上或?qū)ξ磥黹_發(fā)有足夠高價(jià)值的小行星，作為探測(cè)目標(biāo)。

綜合考慮各種因素，一顆發(fā)現(xiàn)于1999年，編號(hào)為1999RQ36的近地小行星——貝努成為了冥王號(hào)的探測(cè)目標(biāo)。

全國空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)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(shí)約有750萬公里。

中國科學(xué)院國家天文臺(tái)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(shí)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(shí)的物質(zhì)。研究這樣的小行星，有助于科學(xué)家認(rèn)識(shí)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(hào)是美國首個(gè)小行星采樣返回探測(cè)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(hào)此行有幾個(gè)科學(xué)目標(biāo)，包括從貝努表面采回足夠量的風(fēng)化層物質(zhì)，繪制原始碳質(zhì)小行星的全球特性、化學(xué)特性、礦物學(xué)分布情況圖，在采樣地點(diǎn)記錄風(fēng)化層的質(zhì)地、形態(tài)、星體化學(xué)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(diǎn)、信息豐富，具備更高的科學(xué)價(jià)值;二是必須有一塊面積較大、地勢(shì)平坦的區(qū)域，才能保證安全。經(jīng)過綜合考慮，冥王號(hào)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(hào)并沒有著陸，而是在接近目標(biāo)時(shí)伸出采樣機(jī)械臂，用機(jī)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(cè)器在慣性下落時(shí)，也提供了采樣所需的力。

冥王號(hào)的采樣器采用了一項(xiàng)全新技術(shù)。龐之浩說，當(dāng)采樣器接觸到小行星地表時(shí)，會(huì)噴射出純氮?dú)怏w，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(shí)，也可以取得一部分樣品。冥王號(hào)攜帶了3罐氮?dú)?，能滿足3次采樣嘗試。地面模擬試驗(yàn)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(hào)計(jì)劃于2021年3月踏上歸途，在2023年9月將重達(dá)46千克的采樣返回艙送回地球。不過它不會(huì)再入地球大氣層，而是在進(jìn)入大氣前4小時(shí)釋放采樣返回艙，隨即進(jìn)行碰撞規(guī)避機(jī)動(dòng)，讓采樣返回艙獨(dú)自回到地面。冥王號(hào)自己則進(jìn)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(diǎn)

冥王號(hào)并不是人類第一個(gè)在小行星采樣的探測(cè)器。

2003年5月，日本發(fā)射隼鳥號(hào)探測(cè)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(hào)探測(cè)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(hào)正在返回途中，計(jì)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(jì)劃，冥王號(hào)項(xiàng)目除了科學(xué)目標(biāo)不同，在采樣、降落導(dǎo)航等方面也采用了全新的技術(shù)，同時(shí)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(jì)劃之后人類太空采樣之最。

近年來，各國紛紛啟動(dòng)行星探測(cè)計(jì)劃。我國就計(jì)劃在今年11月下旬發(fā)射嫦娥五號(hào)探測(cè)器，實(shí)施月球采樣返回任務(wù)。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(gè)頭大、引力大，著陸及采樣方式與小行星任務(wù)并不相同，因而在整個(gè)工程設(shè)計(jì)上都不一樣。“從飛行器設(shè)計(jì)角度來說，冥王號(hào)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(shè)備。”楊宇光說，而行星的巨大引力會(huì)導(dǎo)致探測(cè)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(shù)挑戰(zhàn)。鄭永春介紹，小行星在行星學(xué)中被稱作“非合作天體”，由于其幾乎沒有引力，跟探測(cè)器之間沒有相互作用，因此要實(shí)現(xiàn)對(duì)小行星的伴飛、環(huán)繞以及著陸，完全要依靠探測(cè)器自身的動(dòng)力，這對(duì)探測(cè)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(yuǎn)，近地點(diǎn)往往也要數(shù)百萬公里，遠(yuǎn)大于月球與地球之間的距離，加上其目標(biāo)小、速度快，這都給探測(cè)任務(wù)的軌道設(shè)計(jì)增加了難度。

據(jù)媒體報(bào)道，我國也在開展小行星探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。根據(jù)目前的計(jì)劃，我國將發(fā)射一個(gè)探測(cè)器，先環(huán)繞近地小行星2016HO3飛行，再擇機(jī)登陸采樣，將樣品返回艙送到地球附近釋放。隨后探測(cè)器繼續(xù)飛行，借助地球和火星引力到達(dá)小行星帶，對(duì)名為133P的主帶彗星進(jìn)行探測(cè)。(記者 付毅飛)

關(guān)鍵詞： 小行星挖土