探測器即將登陸小行星並採樣

北京新浪網 09-28 13:39

經過4.5小時的緩慢降落,OSIRIS-REx探測器將在幾秒鐘內登陸小行星貝努並採樣(想像圖)

美國太空總署(NASA)近日宣布,旨在進行小行星採樣並返回的OSIRIS-REx探測器將於10月20日登陸小行星貝努(Bennu,即小行星101955)。屆時這台探測器將小心翼翼地進行長達4.5小時的降落,然後在幾秒鐘內接觸並離開這顆小行星。

OSIRIS-REx探測器的全稱是「太陽系起源、光譜解析、資源識別、安全保障、小行星風化層探索者」(Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer)。NASA已經選定了它的著陸點,即「夜鶯」(Nightingale),位於貝努北半球一個直徑16米的岩石區域。這個候選地點被認為具有顆粒最細的土壤。

這台卡車大小的探測器裝有一個機械臂,用來收集小行星表面的樣品。科學家們希望這項任務能加深我們對行星形成及生命起源的了解,並更深入地探索可能影響地球的小行星。著陸地點之所以選中「夜鶯」,是因為這是貝努表面最清晰的區域之一,最容易接觸到細小顆粒物質。

然而,著陸點周圍有一些巨大的、如同建築物大小的石塊,只有一個大約幾個停車位大小的地方可供降落。另一方面,如果著陸稍有偏差,OSIRIS-REx探測器的處境也可能非常不妙。

NASA還透露了OSIRIS-REx探測器將如何在小行星表面著陸的一些細節。這場四個半小時的考驗將分為三個步驟。第一步是點燃OSIRIS-REx探測器上的推進器,使其脫離距離表面約770米的軌道。

貝努位於地球和火星之間,距離地球約3.34億公里。在如此遠的距離上,從OSIRIS-REx探測器到NASA總部之間的信號傳遞大約需要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載自主系統上。

按照計劃,OSIRIS-REx探測器應該收集至少57克的小行星岩石材料帶回地球。這將是自阿波羅任務以來最大的樣品採集任務,而阿波羅任務獲得了更多的資金,在採集樣品時也得到了地面上更多的幫助。如果貝努表面的物質採集成功,OSIRIS-REx探測器將於2023年9月24日返回地球。

NASA還透露了OSIRIS-REx探測器將如何在小行星表面著陸的一些細節。這場四個半小時的考驗將分為三個步驟。第一步是點燃OSIRIS-REx探測器上的推進器,使其脫離距離表面約770米的軌道。

軌道高度之所以這麼低,是因為貝努的平均半徑只有246米,整體的引力很小。此時,探測器的採樣臂,稱為「接觸即走樣品採集機制」(Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism,簡稱TAGSAM),將展開並向下指向貝努。脆弱的太陽能電池板將在探測器上方以Y字形翼狀展開,以安全避開任何危險。

TAGSAM的採樣頭將是探測器唯一會接觸到貝努表面的部分。OSIRIS-REx項目副主管麥克•莫羅表示,這項任務經過了多年的計劃和艱苦工作,而在屆時的登陸過程中,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OSIRIS-REx探測器自主降落,它將利用一個名為「自然特徵跟蹤」(Natural Feature Tracking,簡稱NFT)的導航系統控制自己的著陸。該系統使用了OSIRIS-REx任務所拍攝的小行星表面的全部詳細圖像,並將其轉化為一張地圖,指出了所有潛在的危險。如果著陸偏離了各種預先定義的限制,可能使探測器處於危險中,該系統就會執行預先編程的中止任務。

如果發生這種情況,NASA將重新組織任務團隊並在稍後的日期再次嘗試。探測器緩慢穩定的下降過程大約需要4個小時,然後在大約125米的高度進行所謂的「檢查點」(Checkpoint)機動。

隨著推進器的再一次點火,緩慢的下降將變得更陡、更快,探測器也越來越接近小行星表面。大約11分鐘后,將進行第三次也是最後一次機動,即「賽末點」(Matchpoint)。此時,計算機系統將使用推進器,將探測器穩定在距離著陸點54米的高度。OSIRIS-REx探測器將再次放慢速度,並試圖在接近小行星之前與其旋轉相匹配。

NASA預測,OSIRIS-REx探測器在小行星表面著陸的時間不會超過16秒。之後,探測器的氮氣瓶將噴出氣體,從貝努的表面吹起碎屑。探測器將在再次點火前嘗試採集一些碎屑,然後撤到安全的軌道上。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。

10月22日,一架機載照相機將對可伸縮採樣臂進行拍攝,以查看是否採集了任何物質。10月24日,OSIRIS-REx探測器將嘗試確定這些物質的質量。如果採樣量足夠,這些物質將被安全地包裝起來,放在「樣品返回艙」(Sample Return Capsule,簡稱SRC)中,開始返回地球的旅程。

如果採樣量不能令NASA滿意,OSIRIS-REx探測器將返回小行星上方並再次嘗試,因為探測器攜帶了足夠的氮氣,可以進行三次嘗試。如果真的發生這種情況,NASA將放棄「夜鶯」,將降落點改為備用的「魚鷹」(Osprey),並且最早也要到2021年1月才會再次著陸。

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。

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探測器的圖像中檢測到了這些巨石,它們看起來比周圍的深色富碳區域要明亮得多。探測器使用機載光譜儀分析了這些碎片,發現了輝石礦物的跡象——這是灶神星上的一種已知化合物。

NASA研究人員認為,這些物質來自貝努的母小行星,後者受到了灶神星碎片的撞擊。NASA戈達德太空飛行中心的漢娜·卡普蘭說:「我們的主要假設是,一塊灶神星的碎片撞擊了貝努的母小行星,之後貝努就從母小行星那裡『繼承』了這些物質。後來,當這顆母小行星發生災難性的斷裂時,它的一部分碎片在自身重力作用下聚集形成了貝努,包括一些來自灶神星的輝石。」

OSIRIS-REx探測器任務將如何從小行星上獲取樣品?

科學家表示,這顆古老的小行星可能含有生命起源的線索。據信,它形成於45億年前,攜帶著太陽系誕生時的殘餘物質。

OSIRIS-REx探測器於美國東部時間2016年9月8日19時05分搭載阿特拉斯5號火箭發射升空。在仔細調查了貝努小行星的特徵並確定最合適的取樣地點后,OSIRIS-REx探測器將使用機械臂收集約60至2000克的小行星表面物質,並在2023年通過一個可拆卸的太空艙將樣品送回地球。

為了在小行星表面採集樣本,OSIRIS-REx探測器將在一個特定區域上空盤旋,然後以每秒10厘米的速度緩慢而輕柔地降落。探測器還攜帶著激光高度計和亞利桑那大學提供的一套攝像機,以及光譜儀和激光雷達。(任天)

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