“奥西里斯”升空去贝努小行星采样

焦维新 （北京大学地球与空间科学学院）

“奥西里斯”升空去贝努小行星采样

焦维新 （北京大学地球与空间科学学院）

美国东部时间2016年9月8日，美国航空航天局（NASA）的“起源、光谱释义、资源识别、安全、风化层”探测器（OSlRl S-REx，以下简称“奥西里斯”探测器）成功发射，其有两方面最为突出：一是将小行星贝努作为探测目标是经过了许多科学家的研究和精密论证，科学目标选得非常好；二是“接触即离”（TAG）的取样方式取得了很大的突破，但也具有巨大的风险性，该方式可能成为未来探测小行星的重要方式，方式新颖，无可挑剔。

1　引言

近年来，随着探测技术的发展，国内外对近地小行星（NEA）的探测格外重视，国外已经发射了多颗小行星探测器，我国的一些单位也正酝酿探测小行星。面对这种态势，有的学者认为，未来行星科学的研究将进入小行星学时代。

此次发射的“奥西里斯”探测器的中文意思概括了这次发射的科学目标。所谓“起源”就是通过分析小行星上的原始物质，研究行星的形成和生命的起源；“光谱释义”的含义是通过对目标小行星进行多光谱测量，获得小行星的整体特征；“资源识别”的意思比较明确，因为可从光谱测量中直接获得矿物特征；“安全”是指这颗近地小行星具有撞击地球的潜在危险性，通过对雅克夫斯基效应的测量，今后可以更准确地预报其轨道，避免撞击地球；“风化层”的含义就更清楚了，这也是本次探测要实现的目标，就是从小行星表面取回不少于60g的风化层（或者说是碎片）带回地球。

美国已经制定了近地小行星取样返回探测计划，按照这个计划，“奥西里斯”探测器将于2019年与目标小行星贝努（101955 Bennu）相遇，环绕贝努运行505天，对其进行全球表面成像观测，探测器到表面的距离范围为0.7～5km。然后采取“接触即离”的方式，在小行星表面获取至少60g的样品，在2023年将样品返回地球。

“奥西里斯”探测器只是美国探测小行星的先驱，今后还将陆续发射一些探测器，甚至改变整个小行星的轨道。这个计划为什么将贝努作为探测目标？这次取样将采取什么方式？奥西里斯将携带哪些有效载荷？本文将向读者概括地介绍这些问题。

2　选择贝努作为探测目标的原因

近地小行星贝努介绍

小行星贝努是1999年9月被发现的，当时的名称是1999 RQ36。通过观测发现，贝努每6年靠近地球一次，这样就提供了详细对其进行观测的机会。在1999-2000年、2005-2006年以及2011-2012年间，贝努的亮度都很高，“奥西里斯”探测器研究队伍成员对贝努的化学、物理和动力学特性进行了广泛的测量，获得了丰富的数据。

贝努的平均直径为4 9 2m，赤道尺寸为565m×535m，自旋周期为4.297天。贝努轨道的近日距离是0.8969AU，远日距离为1.3559AU，轨道倾角为6.0349°，轨道周期436.6487天。在2175-2196年间撞击地球的概率为1/2700。

可见光与红外光谱测量的结果表明，贝努属于B类小行星。B类小行星包含许多重要的、特殊的天体，如司理星（24 Them is）和主带彗星133P/埃斯特-皮萨罗（133P/Elst-Pizar ro）。在光谱的特征方面，贝努可与司理星比较，包括反照率、可见光谱和从1.1～1.45μm之间的红外谱。对司理星光谱分析显示了在其表面有水冰和有机物的证据，这也说明，贝努可能有类似的成分。贝努的光谱也与133P/埃斯特-皮萨罗和其他主带B类小行星的类似。这类天体显示了周期性的彗星活动，这表明它们含有近表面的挥发物，当在近日点附近时出现升华。贝努类似于这些天体，支持了贝努可能富含挥发性物质的猜想。

另外，根据雷达圆偏振比的测量以及斯皮特空间红外望远镜热红外的测量结果，再加上对小行星形状、密度和自旋状态的地球物理学分析，证实贝努表面存在风化层。这对于采取何种取样方式是非常重要的信息。

目标小行星选择程序

小行星贝努已经被美国航空航天局（NASA）选定为未来取样返回的探测目标。在2008年选择探测目标时，已经发现9000多颗近地小行星，NASA提出的选择条件是低偏心率和低轨道倾角，轨道近日点大于0.8AU，远日点小于1.6AU，符合这些条件的近地小行星只有350颗。

对于小行星的大小，NA SA提出直径应大于200m，这样，符合要求的近地小行星数量由350颗减少到29颗。

从科学价值的角度看，富含碳类的小行星含有有机分子、挥发物和氨基酸，在上述29颗候选小行星中，有12颗知道成分，而只有5颗是富含碳的。

小行星贝努是一颗对地球有“潜在危险天体”（PH A），最小轨道交会距离约0.002AU，在2182年撞击地球的危险性目前排在第二位。从近地轨道到与贝努轨道交会的速度变量为5.1m/s。综合大小、成分、轨道等多种因素，最后被选为探测目标。

选择贝努为目标小行星的过程

小行星贝努在2018年9月的轨道

“奥西里斯”探测器的科学目标

1）从碳质小行星贝努表面取回足够量的风化层物质，用于研究小行星矿物和有机物的特性、历史和分布；

2）对原始的碳质小行星的整体特征、化学特性和矿物学特性进行全球绘图，用于确定其地质特征和动力学历史特征；

3）描述取样点实地风化层的质地、形态、地球化学和光谱特性，取样点的空间尺度到亚毫米；

4）测量由非引力产生的轨道偏移；确定对潜在危险小行星的雅克夫斯基效应，并确定影响这种效应的小行星性质；

5）确定原始碳质小行星的整体全球特征，以便与地基望远镜关于整个小行星密度的数据直接比较。

3　关于“奥西里斯”探测器

整体结构

“奥西里斯”探测器的整体结构由探测器平台、接触即离样品获得机械（TAGSAM）、取样返回容器（SRC）和5台科学仪器组成。

探测器平台的主要部件有电源系统、推进系统、导航与控制系统以及X频段通信系统。

接触即离样品获得机械主要由两个部件构成，取样头和关节相连的定位臂。取样头用于获得样品，当头与小行星表面接触时，释放出高纯度的高压氮气，使风化层碎片流进容器。定位臂的作用是为取样头定位，并最终将样品送入取样容器。

取样返回容器的功能是安全地将收集到的样品返回地球，继承了“星尘”任务的技术。

“奥西里斯”探测器的整体结构

有效载荷

“奥西里斯”探测器的有效载荷是5种科学仪器：可见光与红外光谱仪（OV IRS）、激光高度仪（OLA）、热辐射光谱仪（OTES）、成像探测包（OCAM S）和风化层X射线成像光谱仪（REX IS）。

“奥西里斯”探测器的5种科学仪器

（1）可见光与红外光谱仪

可见光与近红外光谱仪工作波长范围是0.4～4.3μm，在0.4～0.9μm光谱范围的分辨率（R=λ/Δλ）为125；在0.9～1.9μm光谱范围内的分辨率为150；在1.9～4.3μm光谱范围内的分辨率为200；此外，在2.9～3.6μm光谱范围的分辨率为350，以便能分辨关键的有机物光谱特征。

（2）激光高度仪

激光高度仪能提供高密度的测量数据，因此能确定小行星的形状模式和提供表面斜率信息。从距离贝努表面大约7km开始，激光高度仪开始测量，为其他仪器详细测量表面特征提供支持。在距离表面1km的激光高度仪数据支持无线电科学实验；距离表面700m，进行全球高分辨率数据的观测，这些数据还可以用于确定表面的斜率。在距离表面500m，激光高度仪将绘制更高分辨率的表面图形，以便确定安全、合适的取样点。

（3）热辐射光谱仪

热辐射光谱仪是一颗傅里叶变换干涉仪，用于收集4～50μm 谱范围的超光谱红外数据。有这些数据可以寻找人们感兴趣的矿物，特别是含水矿物；此外，还可以了解表面的物理性质，如平均颗粒的大小。

（4）成像探测包

它是由3台摄像机组成的：Poly Cam、M apCam和Sam Cam。Po ly Cam提供长距离的贝努表面图像，它是一颗20 cm孔径的望远镜，从距离贝努2×106km起，就开始看小行星。一旦探测器靠近，就以高分辨率对贝努拍照，视场为0.8°，初始的表面图形分辨率为25cm。M apCam支持支持临近操作期间的光学导航、全球绘图和取样点勘察，它以四种不同的颜色绘制小行星图形，可获得小行星形状的信息，提供取样点高分辨率的图像，视场为4°。Sam Cam拍摄取样点特征以及获得取样过程的信息，它连续地获取取样事件和接触即离机动的信息。

这些摄像机在探测器一到达贝努就开始工作。成像探测包然后提供全球图像，特别是取样点附近高分辨率图像。最后将记录“接触即离”期间整个取样事件。

（5）风化层X射线成像光谱仪

风化层X射线成像光谱仪是一颗学生合作的实验项目，用于获取贝努全球元素丰度的X射线图形。它由两个子部件构成，光谱仪和太阳X射线监视器（SXM）。光谱仪用于观测小行星，太阳X射线监视器用于观测太阳。由于太阳的X射线输出影响贝努的X射线输出，因此需要追踪太阳的变化，包括太阳耀斑，以便校正贝努的数据。

4　取样返回

取样前的准备工作

“奥西里斯”探测器到达小行星后，首先用4个月的时间在各种轨道上收集表面图像、激光雷达数据和辐射计追踪数据，利用这些数据，建立一个详细的表面形态模型、自旋状态和重力场模型，目的是为了选择4个候选取样点。

接着，“奥西里斯”探测器还将用2.5个月的时间在低高度详察取样点，深入分析几个候选取样点周围的情况，并从中选择最合适的一个。

在取样开始前，“奥西里斯” 探测器进入一个半径为1km的圆形太阳明暗界线轨道平面。轨道的出发纬度相对于接触即离点纬度是负的。当“奥西里斯”在贝努的黎明侧穿过轨道的出发纬度时，执行离轨点火，以便在4h后到达125m高度的检查点位置。

离轨点火意味着探测器将转向到主发动机位于点火方向的点。发动机点火，然后向后翻转。在奥西里斯离轨点火前后，探测器姿态置于太阳电池指向太阳。

离轨操作后的接触即离轨道变化序列

在到达检查点前1h，探测器固定接触即离姿态，这种姿态在取样过程中一直保持不变。接触即离的姿态是这样确定的：在惯性坐标系中计算在取样点的垂直矢量，使接触即离样品获得机械臂沿着这个垂直矢量。

当到达检查点时，执行检查点机动，抵消掉大多数相对于表面的惯性速度，并开始朝表面下落。在执行检查点机动10m in后，探测器到达距离表面45m高的关键点，执行关键点机动，以便降低下落速率，使接触即离的速度为10cm/s。检查点和关键点机动的目的都是为了取得理想的接触即离条件。在关键电脑机动大约8m in后，开始接触即离操作。

接触即离方式

接触即离的方式类似于我们平时所说的“蜻蜓点水”，即探测器整体并不着陆，当探测器接近目标时，伸出取样器，取样器头部与目标表面短暂接触（几秒钟），就是在接触的瞬间完成取样，然后迅速飞离小行星。这种方式省去了在取样前的着陆和固定以及取样后离开表面前的解锁过程。另外，当探测器惯性下落时，接触即离方式也提供了取样所需要的正常的接触力。

接触即离方式有多种取样方法，因而适合多种小行星表面情况，如表面有风化层，或者表面坚硬的情况。主要的取样方式包括：发射子弹，收集碎片；使表面碎片流体化；刷-轮取样器。

“奥西里斯”探测器采用使表面碎片流体化的方法。这种取样方式适合于表面有风化层的情况。工作过程是：探测器逐渐下落，到距离贝努表面几米的高度时，伸出取样器与表面接触，当样品获得机械接触到小行星表面时，取样器向小行星的风化层吹高压氮气，在气流的作用下，使小行星表面碎屑流体化，随气流一起被吹进取样器，取样可在大约5s内完成。

“奥西里斯”探测器的大小

取样器工作示意图

技术要求

（1）接触即离位置误差

飞行动力学系统要求将探测器移动到接触即离点附近的25m内，把握间隔（C I）为98.3%， 在二维高斯分布中大约是2.85。98.3%把握间隔是任务成功允许的概率，能够保证单次获得至少60g的样品。目前也在考虑进行3次接触即离的必要性，一旦第一次没有成功，需要再次进行，这还需要考虑携带多少推进剂。

（2）轨道定时引起的姿态误差

在接触即离操作期间，样品获得机械头允许转动到15°的倾斜角。如果超过这个角度，样品获得机械头就不能平放在小行星表面，取样难以获得成功。为了避免超过15°的限制，对接触即离点25m之内的局地表面变化允许有14°倾斜角，允许探测器高度控制误差为3°，允许轨道因定时引起的高度误差为4°。由于接触即离姿态是惯性固定的，小行星是自旋的，因轨道偏差引起的接触即离时间偏离将引起表面法线和探测器姿态之间的角偏移。

（3）水平速度误差

表面法线与探测器姿态之间的角偏移

探测器最大的倾角是45°， 如果超过了这个角度，可能引起探测器着陆在小行星表面的侧面。如果接触即离表面摩擦大，高的水平速度可能引起过量的倾斜。因此最大水平速度选为2cm/s。

（4）垂直速度误差

最大垂直速度选为12cm/s。垂直速度必须大于8cm/s，以便提供样品获得机械与小行星表面足够的接触时间，保证取样正常进行。组合最小和最大垂直速度，要求垂直速度误差不大于2cm/s。

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