太空中的宝藏

并肩飞行,回收小行星样本究竟有多复杂,这需要航天器全自动算法-MAAMX

龙宫小行星

其实就像地球上的石头一样,太阳系也有很多“石头”,或者说漂浮着的大铁块,数十亿年来它们一直在宇宙中飞来飞去,虽然小行星的数量很多,但是它们井然有序,拥有自己的轨道。小行星和月球,火星一样,都是科学家们目前最想要了解的天体。为什么这么说呢?是因为小行星蕴含着太阳系演化的奥秘,另外,小行星还蕴含有地球生命起源的秘密,而一些金属小行星还蕴含有无限的经济价值。无论从科学研究角度来说,还是从未来经济利益角度来看,小行星对我们来说都十分重要,现在,在宇宙中漂浮的“石头”又让我们明白了宇宙的神奇。

一提到小行星,大家的第一反应就是小行星撞地球,然后所有生命被毁灭……其实刚才我们也说到了,小行星的数量虽然多,但是它们都拥有自己的轨道,而且月球和木星也帮了我们的大忙。另外天文学家们拥有小行星观测网络,他们一直在注视着每一个进入月球轨道,或者说在小行星带运行的小行星。不过居安思危可不能只用想的,一方面,我们正在着手如何抵御小行星带来的威胁,比如重定向实验和一些轨道偏移实验,另一方面,我们注视到了小行星对人类的重要意义,科学探索将从此刻开始。

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日本宇航局隼鸟二号和美国宇航局奥西里斯雷克斯小行星探测器

如何探索小行星

那么我们应该如何探索小行星呢?在探索月球或者火星的时候,我们需要发射探测器在其轨道运行或者直接着陆。而科学家们也可以发射小行星探测器过去和小行星并肩飞行,趁着小行星不注意(调整轨道,自动化部署等方法),在其表面着陆然后收集一些样本。大家可能想,这么一个土块有什么可探索的?没有磁场,也没大气,未来在小行星表面定居也不方便,还不如探索火星来的实在。其实科学就是无止境的挑战,在小行星上着陆收集样本然后返回地球,这些步骤看着很简单,但是实际做起来非常的难……科学家们也是为了进一步挑战与了解。

日本宇航局的隼鸟二号小行星探测器将会在年底返回地球,它是距离我们最近的小行星探测任务了,接下来我们将以隼鸟二号和奥西里斯雷克斯小行星探测器为例,来看看这两个探测器如何探索并收集小行星样本,这可能是迄今为止最复杂的太空任务类型了。

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隼鸟二号着陆器MASCOT拍摄了这张照片,我们可以看到小行星表面有很多岩石,这是龙宫小行星的表面,是距离我们3亿千米之外的世界

隼鸟二号探索的这颗小行星我们可以叫它“龙宫”(Ryugu),龙宫小行星没什么特别的,它非常普通,只是一颗C型小行星,C型小行星是太阳系中最常见的,说的简单一点,它们就是一块富含碳的直径900多米的大石头。这颗小行星在太阳系中飘了45亿年,这么多年来它的组成材料几乎没有改变。

科学家们在地球上就可以对其进行光谱测量,没想到的是龙宫小行星上居然还有少量有机矿物质和水合矿物质,科学家们推测,就是这些C型小行星的不断轰击,使得地球上拥有了水。所以对于科学研究领域来说,C型小行星的探索价值是最大的。另外,探索这些原始小行星将解答有关太阳系演化,以及地球上的主要有机物质如何组成和演化的基本问题,这非常重要。

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这是隼鸟二号第二次着陆拍摄的视频,由隼鸟二号的小型监控摄像头CAM-H拍摄,该GIF的播放速度约为正常速度的10倍

日本的隼鸟二号可以使用遥感仪器,小型着陆器从多个角度研究龙宫。它还可以发射多颗金属弹丸,轰击龙宫小行星表面物质,这是为了收集龙宫小行星地表下的物质。在轰击之后,一些样本因为小行星引力作用会逐渐坠落回表面,而在这期间隼鸟二号就可以收集样本然后将样品放入胶囊中以返回地球实验室进行分析。

简单的了解了一下龙宫和隼鸟二号,接下来我们将一起探索整个任务最关键的部分,也就是隼鸟二号如何回收小行星样本,这个过程可以说是非常复杂。最近这两天美国宇航局的奥西里斯雷克斯也进行了类似演示,稍后,我们也会以奥西里斯小行星探测器为例讲解不同小行星探测器之间收集样品的差异。

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这是隼鸟二号广域光学导航摄像机ONC-W2连续拍摄到的三张图像,我们可以看到左上角的就是隼鸟二号释放的着陆器

收集小行星样本并且返回地球

在距离小行星表面3100千米的时候,隼鸟二号就会进行制动操作,因为小行星会自旋,而且速度还比较快,所以不能到跟前再减速。在这个过程中隼鸟二号将调整速度和姿态,向龙宫靠拢,在这期间需要复杂的计算。靠近到600米之时,隼鸟二号将进入待命状态,给隼鸟二号任务团队返回待命数据。之后隼鸟二号将启动其离子发动机再次靠近,到50米高度时隼鸟二号会把两个鞋盒大小的着陆器投放到龙宫的表面。

这两个鞋盒一样大小的着陆器会收集小行星表面的地质数据,紧接着隼鸟二号将进行第一次着陆演习,演习之前隼鸟二号要先到达22米的高度。那有朋友可能问了,那23米行不行,必须要22米吗?确实,这个数字是一丁点不能有失误的,因为这是根据小行星相对引力和隼鸟二号结构计算出来的。燃料有限,任务团队也不能一次一次重试,再加上信号还有十几分钟的延迟……所以这些步骤都是自动执行的,任务团队手动控制延迟太大,所以无法精确控制隼鸟二号。

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隼鸟二号第一次采样活动的动画展示

在第一次着陆演习之后,隼鸟二号会记录第一次演习数据,把这些数据返回给地球,然后自己利用转向算法回到安全轨道待命。日本宇航局的隼鸟二号还带了动力冲击结构,也就是我们刚才说到的金属弹丸,隼鸟二号将在100米轨道发射金属弹丸,然后自己要退回到1.6千米轨道观察,之后再靠近收集样本。那为什么不直接在1.6千米轨道发射呢?其实在100米轨道发射是为了可以获得更深层的样本,但是这么一退一进就又增加了任务的复杂性。

太空中的样本碎屑收集好之后,隼鸟二号将再次机动,这将是隼鸟二号任务靠得最近的一次观察。这次隼鸟二号将在9米的轨道近距离观察龙宫小行星。观察结束后,隼鸟二号将进行第二次着陆操作,释放第二个着陆器记录数据,然后再次发射剩下几个金属弹丸,采集样本离开小行星。这将是隼鸟二号第三次采集样本,第二次和第三次分别为远距离轰击获取深层样本,第一次为近距离轰击表面获得样本。之后隼鸟二号的离子引擎将开动马力,返回地球。最近这几天有新的消息,隼鸟二号现在距离地球有55万千米,马上就要回到地球了,而龙宫距离地球有3亿千米左右。

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隼鸟二号着陆器模型示意图

隼鸟二号于2014年发射,2018年到达龙宫小行星,2020年底返回地球。其实在之前,日本宇航局也进行了一次类似的探测活动,隼鸟一号于2005年在小行星表面着陆,它没有发射金属弹丸收集深层样本,但是隼鸟一号也回收了小行星样本并于2010年返回了地球。

不同的小行星,不同的收集方式

不同的小行星,不同的距离,小行星的大小和引力将造就不同的回收方式,NASA的奥西里斯雷克斯小行星探测器(OSIRIS-REx)也在进行最后的演习,这是为了从小行星Bennu(本努)的表面获取样本。在今年秋天,奥西里斯雷克斯小行星探测器将在Bennu表面采集样本然后返回地球。这是第二次演习,也是奥西里斯航天器第一次执行Matchpoint机动过程。其实演习的过程可以帮助任务团队查看小行星探测器的成像,导航和测距系统是否能按预期运行。

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奥西里斯雷克斯小行星探测器在着陆过程中将进行3次点火,在大约四个小时的样本回收过程中,航天器将以约0.3千米每小时的平均速度机动。然后,航天器会展开自动采样臂,紧接着航天器将旋转,自然特征跟踪NFT系统将开始收集导航图像。通过将机载图像目录与下降着陆期间拍摄的实时导航图像进行比较,NFT将帮助奥西里斯雷克斯自主导航到Bennu的采样点。

当OSIRIS-REx到达50米高度之后,航天器第三次点火将再次开启Matchpoint机动系统。这次机动过程需要慢一些,因为在三分钟之内奥西里斯将调整自己的姿态以匹配Bennu小行星的自旋速度,而且在这个时候航天器还需要最终校正以前往着陆点。另外在一开始的下降过程中,NFT系统将需要持续捕获Bennu的表面图像,这是为了记录并且更新航天器的路径。

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奥西里斯雷克斯的采样路线

之后奥西里斯的两个太阳能电池板将改变为Y形态,也就是折叠起来,折叠起来的太阳能电池板可以帮助奥西里斯将重心放在TAGSAM收集器上,与隼鸟二号的直接触地着陆收集样本或者说在太空中收集样本不同,TAGSAM是奥西里斯在样本收集过程中唯一需要接触Bennu小行星表面的结构。在未来正式任务收集好样本之后,航天器将进行一次后退矢量点火操作,以逐渐远离小行星并到达安全轨道。

另外,奥西里斯信号和地球的单向传输时间为16分,因此在正式任务开始之前,奥西里斯团队将把所有事件的命令上传到奥西里斯,从而使奥西里斯可以自主执行命令序列。在样本收集期间,航天器的低增益天线将是其唯一和地球通信的天线,它将以非常慢的速率传输数据,所以在样本收集期间,任务团队只能查看奥西里斯的工作状态和生命状态。美国宇航局奥西里斯雷克斯的最终采样时间是在10月20日,成功收集样本之后,奥西里斯雷克斯小行星探测器也将使用其离子引擎携带样本回到地球。

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隼鸟二号(下)和奥西里斯雷克斯小行星探测器

未来小行星任务与科学发展

人类科学探索工作是永无止境的,写到这里我非常激动,也很敬佩科学家们的方法,这可以说是太空探索领域中最复杂的任务之一,但是即使这样,人类还是要迎难而上。欧洲的彗星探测任务,日本的隼鸟一号隼鸟二号,美国宇航局的奥西里斯雷克斯任务,还有未来的重定向,轨道偏移实验让我看到了未来小行星科学领域的发展。其实现在我们不断采集C型小行星上面的样本,就是为采集陨铁小行星样本做准备,这些金属质小行星上蕴藏的资源带来的经济效益是个天文数字。

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Psyche是金属小行星,科学家推测Psyche是行星的核心,因为巨大撞击而被剥离了出来

未来其他各国一定会发射探测金属小行星的探测器,现在可以确定的是美国宇航局的Psyche小行星探测器将在2022年发射,2026年到达Psyche小行星进行观察,这可能是人类首次探测金属小行星。金属小行星不仅具有科学价值,还具有很高的经济价值,这将为未来人类小行星采矿的一系列行动打下基础。

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科学的本质是为人类服务,想象一下,我们把金属小行星拉到月球轨道,直接开采,这对于航空航天,军事工业等会造成什么影响呢?小行星上极其稀有的资源又会彻底改变哪些领域?另外,持续不断探索小行星,人类有一天会解开太阳系演化之谜,更有机会解开地球上,水的起源之谜,这是所有生命的起点。我们可以共同期待,小行星领域科学的未来。