小行星任务初见成效丨Engineering

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2021年第4期

作者：Chris Palmer

来源：Asteroid Missions Begin to Pay Off[J].Engineering,2021,7(4):418-420.

编者按

小行星是由岩石、冰和金属组成的松散团块，其中一些小行星被认为存在于太阳出现之前。近年来，许多国家纷纷启动开展以小行星为探索目标的太空项目。

中国工程院院刊《Engineering》2021年第4期刊发《小行星任务初见成效》，介绍了日本、美国、欧洲、中国等国家在小行星探测任务方面的进展及未来发展方向。

以小行星为目标的太空任务正在进行中。这些小行星是由岩石、冰和金属组成的松散团块，其中一些小行星被认为存在于太阳出现之前。2020年12月，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）完成了从小行星“龙宫”（Ryugu）上获取少量材料并将其送回地球的任务。此前，在2020年10月，美国国家航空航天局（NASA）从小行星“班努”（Bennu）上获取了一个样本，该样本于2021年3月开始返回地球。同时，中国国家航天局（CNSA）启动了一项相似的任务，旨在从近地小行星“Kamo‘oalewa”上获取样本。NASA与欧洲航天局（ESA）联手，也正在进行一项任务，旨在证明将一颗小行星推离与地球碰撞路线的可行性。

从“龙宫”“班努”“Kamo‘oalewa”回收样本已经不是科学家首次完成的从小行星上获取材料的任务。

美国华盛顿州西雅图市的Interplanetary Enterprises 创始人Chris Lewicki说：“你看到的流星其实是与地球相交的彗星或小行星的一小部分。所以，在某种程度上，我们根本不需要发送任务就可以获取样本。但是现在，当我们可以明确地说‘这种物质来自这个地方，它围绕太阳运行，它的母体有这些特征’时，我们才明白，正是由于地球经过了数十亿年数量庞大的化学反应才让我们走到了今天。”Lewicki曾经担任美国加利福尼亚州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室的高级飞行系统工程师和多个任务的飞行指挥。

2003年，JAXA发射了“隼鸟”号探测器，这是人类首次尝试从小行星上获取样本。由于发生了多次硬件故障，“隼鸟”号探测器于2010年从小行星“糸川”上带回的物质的质量只有百万分之一克。

由于不甘心这个结果，JAXA于2011年年初开始制造“隼鸟”号探测器的接替者，即“隼鸟2号”探测器（图 1）。该探测器于2014年发射，行程2.9×10⁸ km，于 2018年7月到达小行星“龙宫”。到达之后，该探测器使用了一组观测仪器，包括光学照相机、红外照相机和激光雷达（LIDAR），从轨道上研究了这颗直径达900 m 的小行星。该探测器还向“龙宫”运送了三个小型探测器，旨在近距离研究小行星表面。

图1 “隼鸟2号”探测器在太空中发射离子推进器。来源：German Aerospace Center（公开）

2019年2月，“隼鸟2号”降落在“龙宫”表面，并向该小行星发射两个抛射物（离子推进器），同时收集由此产生的碎片云的样本。两个月后，该探测器发射了一枚更大的抛射物，目的是采集更多的样本。又经过几个月的观测，该探测器于2019年11月开始返回地球，在2020年12月将样本返回舱释放到地球大气层。样本返回舱在南澳大利亚州的伍默拉镇附近降落，约有几克的有效载荷（图2）。

图2 JAXA的一名科学家在南澳大利亚州伍默拉镇附近取回样本返回舱，该返回舱装有从“隼鸟2号”掉落的“龙宫”样本。来源：JAXA （公开）

美国马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心的天体物理学家Jonathan McDowell说：“这是一项非常复杂的任务，一切都进行得非常成功，他们已经打开了第一个样本容器，里面是研究人员需要的东西。”

“隼鸟2号”现在正在执行另一项任务，即利用两次飞越地球的机会向小行星“1998 KY26”弹射着陆，并预计于2031年7月开始对其进行观测。JAXA将利用从前两次“隼鸟”号探测任务中获得的知识，开展一项名为“火星月球探索”（MMX）的新任务，旨在从火星最大的卫星“火卫一”（Phobos）带回样本。

NASA于2016年9月启动了小行星采样返回任务，即利用“太阳系起源、光谱解析、资源识别、安全保障、小行星风化层探索者”（OSIRIS-REx）进行小行星“班努” 取样并返回。该探测器于2018年12月抵达了距离地球约3.22×10⁸ km的小行星“班努”（图3）。着陆之后，任务控制人员发现，“班努”的表面比预想的要坚硬得多。McDowell说：“在到达小行星之后，他们不得不重新设计取样方法，但他们最终成功设计出适合在‘班努’上取样的方法。”

图3 NASA的OSIRIS-REx自2018年以来一直在近距离研究直径为 510 m的小行星“班努”。2020年10月，该探测器近距离采集了一份行星表面的样本，该样本预计在2023年9月被送回地球。来源：NASA/ Goddard/University of Arizona（公开）

经过两次演练，OSIRIS-REx于2020年10月20日成功进行了一次惊险的样本采集过程。为了进行这一操作，探测器下降到了接近行星表面的位置，将一个 3.4 m长的采样臂伸入松散的尘埃约5 cm处（图4）。然后，从高压瓶中向地表发射氮气，迫使从“班努”获取的材料进入采样臂的圆形采集室。最终采集室内充满了约400 g的物质，因而NASA取消了第二次采集计划。溢出的材料样品最初妨碍了密封舱室的聚脂盖板关闭，导致一些材料飘走。现在该舱已被安全固定在OSIRISREx的样本返回舱内。

图4 OSIRIS-REx 3.4 m长的采样臂将一个餐盘大小的采样室伸入“班努”表面松散的尘埃约5 cm处，从该小行星表面采集了约400 g材料。来源：NASA（公开）

OSIRIS-REx计划于2021年3月从“班努”出发，预计将于2023年9月将其样本舱送回地球。与“隼鸟2号” 一样，它将改变航向，返回太阳系执行更多的任务。

CNSA的任务目标是用“郑和”（ZhengHe）号小行星探测器收集“Kamo‘oalewa”的样本材料。与“龙宫”和“班努”不同，“Kamo‘oalewa”是地球准卫星中离地球最近的一颗小行星。在绕太阳运行时它沿着高度偏心的路径不断地绕着地球旋转，但从未超过3.8×10⁷ km以上。根据任务计划，“郑和”号将在2022年发射。在将“Kamo‘oalewa”的样本送回地球后，“郑和”号将前往太阳系小行星带去研究彗星“133P/Elst–Pizarro”。

虽然研究人员可能需要数年时间才能根据“隼鸟2 号”、OSIRIS-REx和“郑和”号探测器采集的样本分析得出科学结论，但一些企业家仍希望有朝一日能开发小行星中的丰富资源。Lewicki说：“任何关于在小行星附近操作探测器并从其表面采集材料的知识，对于小行星的开采都至关重要。”

然而，小行星也有造成破坏的风险。天文学家已在太阳系中发现了大约16 000颗直径为140~1000 m的小行星，他们认为还有更多的小行星尚未被发现。如果某个接近这一尺寸范围上限的物体碰巧与地球相撞（类似于导致恐龙灭绝的事件），那么撞击及其余波很可能会摧毁人类文明。NASA的“双小行星重定向测试” （double asteroid redirection test, DART）任务将测试一些减轻撞击的方法，通过将这种宇宙中的威胁推离地球来避免灾难。

DART探测器是一个小货车大小的白色立方体（图 5），计划于近期发射，目的地是“迪莫莫斯” （Dimorphos）。“迪莫莫斯”是一个直径为160 m的二级天体（或“小月球”），围绕着直径为780 m的“迪迪莫斯” （Didymos）小行星运行。该探测器将以6.6 km·s^–1 的速度故意撞向“小月球”，传递的碰撞能量可引发几吨三硝基甲苯的爆炸。这次撞击计划将于2022年10月进行，将改变“迪莫莫斯”围绕“迪迪莫斯”轨上运行的速度，改变幅度为百分之一。如果一切按计划进行，将使“小月球”的轨道周期改变数分钟，这种改变用地球上的望远镜就能观测和测量。McDowell说：“‘小月球’的轨道周期发生了非常小的变化，这比小行星位置发生的变化更容易被测量。这真的是非常聪明的想法。”

图5 工程师将DART探测器的推进器组件置于航天器上。来源：NASA/Johns Hopkins Applied Physics Laboratory/Ed Whitman（公开）

作为这次合作飞行任务的第二部分，欧洲航天局的 “赫拉”（Hera）探测器将在DART碰撞4年后前往“迪迪莫斯”。着陆之后，“赫拉”探测器将对由DART任务制造的陨石坑进行成像以评估其损害情况，并增进对小行星偏转任务的理解。

注：本文内容呈现略有调整，若需可查看原文。

改编原文：

Chris Palmer.Asteroid Missions Begin to Pay Off[J].Engineering,2021,7(4):418-420.

☟  如需阅读全文，请点击文末“阅读原文”

☟  更多相关阅读，请点击以下链接查看

点击图片阅读丨前沿研究：前往火星的三个太空任务

点击图片阅读丨战略研究：世界主要国家工程科技重大计划与前沿问题

点击图片阅读丨战略研究：我国空间互联网星座系统发展战略研究

注：论文反映的是研究成果进展，不代表《中国工程科学》杂志社的观点。