付毅飛

本努是一顆保存完好的古老小行星，目前距離地球超過3億千米。它能夠?yàn)榭茖W(xué)家提供探索早期太陽系歷史的樣本，因?yàn)樗缭跀?shù)十億年前就已初具雛形，并可能曾經(jīng)幫助播種了地球上的生命北京時間2020年10月21日清晨，已經(jīng)在太空飛行了4年的冥王號探測器OSIRIS-REx（Osiris是古埃及神話中冥王的名字）成功從目前距地球334億千米的貝努小行星上，收集了一些塵埃和碎石。這次采集任務(wù)預(yù)計(jì)將耗時7年，耗資約65億元人民幣（超過10億美元），目的只為從小行星上取回“一把土”。這難免讓人疑惑，付出這么大代價，值得嗎？

在中國航天科工集團(tuán)二院研究員楊宇光看來，當(dāng)然值得。這是一次意義重大的“太陽系考古”。中國科學(xué)院國家天文臺研究員鄭永春對這次任務(wù)后續(xù)的科學(xué)研究充滿期待：“冥王號可以采集至少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，至少可以研究幾十年?！?/p>

在貝努小行星上采樣的冥王號小行星上藏有太陽系的古老遺跡

對地球來說，近地小行星是一種危險的存在。它們在太空中風(fēng)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(xué)家夢寐以求的東西，比如太陽系最古老的遺跡。

太陽系形成之后，塵埃碰撞匯聚，形成了行星、矮行星等天體，還有些粉末碎屑成為小行星。雖然都誕生于太陽系形成之初，但相比之下，行星中含有很多放射性元素，會產(chǎn)生熱量，從而導(dǎo)致星體演化、熔融，就慢慢將太陽系初期的歷史湮沒了;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)。對它們展開研究，有助于探尋太陽系最早期的面貌。此外，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人類也產(chǎn)生了對小行星資源進(jìn)行開發(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(biāo)。但選擇目標(biāo)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(xiàng)目預(yù)算下能使用多大推力的火箭，能把探測器送到多遠(yuǎn)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(wù)難度和風(fēng)險。

同時，還要從探測價值方面考慮。太陽系的小行星有近地小行星、主帶小行星等多種類型，其成分、軌道分布等都有差異。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(diǎn)、在科學(xué)上或?qū)ξ磥黹_發(fā)有足夠高價值的小行星作為探測目標(biāo)。

綜合考慮各種因素，一顆發(fā)現(xiàn)于1999年，編號為1999RQ36的近地小行星貝努，成為冥王號的探測目標(biāo)。貝努是一顆富碳小行星，直徑近500米。它距離地球最近時約有750萬千米。貝努的年齡超過45億歲，并未經(jīng)歷過劇烈的演化，意味著它表面和內(nèi)部的物質(zhì)都是太陽系誕生之初產(chǎn)生的，其成分很可能包含著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(xué)家認(rèn)識早期的太陽系，探索包括地球的形成方式，以及生命起源等問題。

小行星貝努的這張照片圖像由冥王號探測器于2018年12月2日在距離小行星表面24千米的地方拍攝的12張照片拼接而成

全新“接觸即離”方式幾秒完成采樣

冥王號是美國首個小行星采樣返回探測器，于當(dāng)?shù)貢r間2016年9月8日發(fā)射升空，2018年1 2月飛到貝努小行星附近。冥王號此行有幾個科學(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。

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)。此次采樣采用“接觸即離”方式，整個任務(wù)過程歷時約4.5小時，表面采樣過程僅用時約6秒。其間，冥王號并沒有著陸，而是在接近目標(biāo)時伸出采樣機(jī)械臂，用機(jī)械臂末端的采樣器完成了采樣，然后迅速飛離。這種方式省去了采樣前著陸、固定，以及起飛前解鎖的過程：探測器的慣性下落也能為采樣提供助力。

此外，冥王號的采樣器還采用了一項(xiàng)全新技術(shù)。采樣器在接觸小行星地表前，會噴射出純氮?dú)怏w，把貝努表面的部分表土層物質(zhì)吹入樣品返回艙;采樣器在接觸到小行星地表時，也可以取得一部分樣品。冥王號攜帶了3罐氮?dú)猓軡M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。由于相距遙遠(yuǎn)，無法在地面實(shí)時控制，這些復(fù)雜的采樣操作都由探測器自主實(shí)施。根據(jù)科學(xué)家估計(jì)，探測器在采樣過程中，掘進(jìn)貝努粗糙、易碎的表面約48厘米深，采集了大約400克樣本。

采樣完成后，冥王號計(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。不過它不會再入地球大氣層，而是在進(jìn)入大氣前4小時釋放采樣返回艙，隨即進(jìn)行碰撞規(guī)避機(jī)動，讓采樣返回艙獨(dú)自回到地面。冥王號自己則進(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)

冥王號并不是人類第一個在小行星上采樣的探測器。

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)射了隼鳥2號探測器，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，隼鳥2號向龍宮發(fā)射了一枚金屬彈，收集了被激起的物質(zhì)，并于2020年12月將小行星樣品送回了地球。

相比日本這兩次小行星采樣計(jì)劃，冥王號項(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)，同時在伴飛距離上大幅縮短。此外，約400克的樣品采集量，也堪稱人類小行星采樣量之最。

近年來，各國紛紛啟動行星探測計(jì)劃。我國就成功實(shí)施了嫦娥五號的月面自動采樣返回任務(wù)。那么，月球與小行星在登陸采樣方面有何不同呢？

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(wù)并不相同，因而在整個任務(wù)的工程設(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。而行星的巨大引力會導(dǎo)致探測器環(huán)繞和降落的速度非?？?，這就給工程帶來很大難度。盡管如此，小行星采樣也有許多技術(shù)挑戰(zhàn)。小行星在行星學(xué)中被稱為“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(shí)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(yuǎn)，近地點(diǎn)時往往也相距數(shù)百萬千米，遠(yuǎn)大于月球與地球之間的距離，加上其目標(biāo)小、速度快，都給探測任務(wù)的軌道設(shè)計(jì)增加了難度。

我國也在開展小行星探測關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。根據(jù)目前的計(jì)劃，我國將發(fā)射一個探測器，先環(huán)繞近地小行星2016H03飛行，再擇機(jī)登陸采樣，將樣品返回艙送到地球附近釋放。隨后探測器繼續(xù)飛行，借助地球和火星引力到達(dá)小行星帶，對名為133P的主帶彗星進(jìn)行探測。

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