

虽然假期期间,“新视野号”探测器满足了全世界对太空故事的渴求,但还有一个同样值得关注的成功故事:NASA的OSIRIS-REx探测器在经过两年多的太空飞行后,终于进入了小行星Bennu的轨道。在12月31日下午,距离地球约7000万英里处,Bennu打破了最小天体拥有人类制造探测器轨道的纪录。
这对NASA来说并非一次例行操作。将探测器插入Bennu这样天体的轨道是一个充满挑战的过程。NASA团队最终不得不考虑可能导致整个任务失败的无数变量。
OSIRIS-REx目前处于一个距离Bennu中心约一英里、椭圆形的轨道上,绕行一周需要61小时。Bennu本身直径约0.3英里,质量约780亿千克。质量越大,引力越强,从而使较小的物体能够围绕较大的物体找到稳定的轨道。可惜的是,Bennu的质量很小,其引力只有地球的0.000005倍,这意味着任何物体都相对容易逃离其引力场,继续漂浮到太空中(或者如果移动速度过快,就会撞上Bennu本身)。太可怕了。
OSIRIS-REx任务轨道确定团队的负责人Jason Leonard说:“[Bennu] 是我们可能实现的、能围绕一个天体达到稳定轨道的最小物体之一。[Bennu]的大小是最大的障碍。”但小行星的大小也是他们选择它的原因——因为某种类型的轨道实际上是可行的。“任何其他情况都可能导致探测器逃逸[轨道]。”
当它们与其他作用力相互作用时,小尺寸和低引力会常常被放大。例如,OSIRIS-REx团队最初希望看到圆形轨道是否可行,但正如Leonard解释的那样,团队很快意识到,阳光产生的压力加上Bennu微弱的引力,就足以开始将探测器推开,导致其轨道出现晃动和应变。
他说:“在真正了解Bennu的形状、质量和运动方式之前,就存在一些早期挑战,导致了很多预测的轨道前后摇摆。”团队实际上直到OSIRIS-REx在12月初抵达小行星时,才知道Bennu的质量或引力场是什么样的。这些未知数并没有引起OSIRIS-REx会突然脱离轨道或被抛入太空的严重担忧,但显然,如果没有稳定的轨道,就无法进行稳定的科学工作。
Leonard说,团队的应对措施是确保一个“冻结轨道”,它会考虑其他扰动力的影响,以帮助“锚定[OSIRIS-REx]的轨道”,从而避免受到其他限制因素的影响。地球上的人造卫星经常采用冻结轨道,以尽量减少太阳压力、引力和航天器运动对轨道漂移的影响。
未来,轨道确定团队将密切关注引力、小行星上的质量重新分布、热压力、推进器点火、太阳压力以及其他可能影响探测器绕小行星运动的物理因素的影响。6月份,团队会将OSIRIS-REx移入一个更近的轨道,距离表面不到半英里。
如果发生任何意外情况——更可能是探测器硬件或软件的不可预见的问题,或者由机载传感器探测到的异常——团队有一个内置的安全机动措施,让OSIRIS-REx逃离Bennu的轨道,飞向太阳,直到问题得到解决。
Leonard说:“到目前为止,一切都进展得非常顺利。我们来之前,有很多应急计划。我们为我们能想到的一切可能情况都做了计划。但这些都没发生。”Bennu的质量比预测的要小,但这对轨道插入计划的影响很小。“探测器的表现比我们预期的要好得多。”
在过去十年左右的时间里,才出现许多用于实现对Bennu这样的小天体进行轨道插入的技术。其中一些技术是根据其他任务的经验 Refining(精炼)而来的,例如欧洲空间局的“罗塞塔号”(Rosetta)任务,或日本宇宙航空研究开发机构的“隼鸟1号”和“隼鸟2号”任务。可能最大的经验教训来自NASA在90年代末和21世纪初的近地小行星探测任务——“Shoemaker”任务,该任务研究了近地小行星Eros。
Leonard说,关键的区别在于,那些任务“不需要像下降到这个小尺寸小行星表面所需的精度”。毕竟,OSIRIS-REx任务最关键的部分之一就是收集小行星样本,带回地球进行实验室研究。
OSIRIS-REx和Bennu的未来还有很多精彩之处,随着事情的发展,这种兴奋感只会越来越强烈。Leonard说:“自Bennu首次出现在我们的相机中,只是一个光点或斑点,到如今成了一个遍布巨石和特征的完整世界,这几个月来极大地激发了团队的热情。我们正处于深空探索中工程与科学的十字路口。”