与小行星“亲密接触”！NASA的OSIRIS-Rex航天器是怎么设计的？

日前，美国宇航局(NASA)更新了小行星“本努”探测任务的最新进展：NASA的OSIRIS-Rex号航天器将于10月20日降落到小行星“本努”布满巨石的表面，并将在那里停留几秒钟，收集岩石和尘埃样本。

OSIRIS-Rex是NASA的一项小行星研究和样本返回任务。这次任务的主要目标是从一颗含碳的近地小行星“本努”(Bennu)中获取至少60克的样本，并将样本带回地球进行详细分析。

科学家们希望这项任务将有助于加深我们对行星形成和生命起源的理解，并为了解可能影响地球的小行星提供帮助。

OSIRIS-REx于2016年9月8日发射，于2017年9月22日飞过地球，并于2018年12月3日接近本努，在那里它开始分析其表面，在接下来的几个月里寻找目标样本区域。

2019年12月12日，美国宇航局宣布了选定的着陆点——南丁格尔。这是一个直径52英尺(16米)的岩石区域，方便让航天器的机械臂尝试收集样本，因为那里有最大数量的没有阻碍的细颗粒物质。

这艘有如大型货车大小的航天器需要在仅有几个停车位大小的区域着陆，同时要小心避开周围的巨石。

预计它将于2023年9月24日带着样本返回地球。

OSIRIS-Rex

(图源：NASA)

OSIRIS-Rex的尺寸为长2.4米，宽2.4米，高3.1米。其太阳能电池板的宽度为6.2米。

两块太阳能电池板能够产生1226-3000瓦的能量，取决于航天器与太阳的距离。能量被储存在锂离子电池中。

航天器的推进系统是基于为火星侦察轨道器开发的肼单推进剂系统，携带1230公斤推进剂和氦。

除了通信设备外，航天器还携带了一套科学仪器，这些仪器将从各个方面收集科学数据。

仪器配置

OSIRIS-REx相机套件(OCAMS)由PolyCam、MapCam和SamCam组成。它们一起通过提供全球地图、样本地点侦察和表征、高分辨率成像和样本采集记录来获取关于小行星Bennu的信息。

PolyCam是一架8英寸(20厘米)的望远镜，在接近小行星时获得了分辨率越来越高的可见光图像，并从轨道上获得了高分辨率的表面图像。

MapCam搜索卫星和释放气体的羽状体。它用四个蓝、绿、红和近红外波段绘制了小行星的地图，并提供了本努形状的模型，并提供了潜在样本地点的高分辨率成像。

SamCam不断地记录样本的获取。

OSIRIS-REx可见光和红外分光计(OVIRS)是一种用于绘制小行星表面矿物和有机物的分光计。它提供20米分辨率的小行星全盘光谱数据。

它绘制从蓝色到近红外，400 - 4300 nm的光谱，分辨率为7.5-22 nm。这些数据将与OTES光谱一起用于指导取样地点的选择。

光谱范围和分辨能力足以提供碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐、氧化物、被吸附的水和各种有机化合物的地表图。

OSIRIS-REx热辐射光谱仪(OTES)提供4-50µm热红外波段候选样品点的热发射光谱图和局部光谱信息，再次用于矿物和有机物的绘制。

波长范围、光谱分辨率和辐射性能足以解决和识别硅酸盐、碳酸、硫酸盐、磷酸盐、氧化物和氢氧化物矿物。

OTES还用于测量来自Bennu的总热辐射，以支持测量全球辐射的要求。

基于小型热辐射光谱仪(Mini-TES)在火星尘土表面环境中的性能，OTES被设计为能够适应光学元件上的极端尘土污染。

风化层C射线成像光谱仪(REXIS)将提供本努的X射线光谱图，以绘制元素丰度。

REXIS是由麻省理工学院(MIT)和哈佛大学的四个小组合作开发的，可能有超过100名学生参与整个过程。

REXIS基于飞行传统硬件，从而最大限度地降低技术风险、进度风险和成本风险。

REXIS是一个编码孔径软X射线(0.3-7.5 keV)望远镜，它拍摄了吸收太阳X射线和太阳风所产生的X射线荧光谱线，以及本努风化层中导致局部X射线辐射的元素。图像分辨率为21 arcminute(距离700m时空间分辨率为4.3 m)。

通过将检测到的X射线图像与一个64 x 64元随机掩模(1.536 mm像素)相关联来实现成像。

REXIS将存储每个X射线事件数据，以最大化数据存储使用，并将风险降到最低。

像素将被处理在64 x 64的箱子中，0.3-7.5 keV范围将被5个宽频带和11个窄线带覆盖。一个24秒分辨率的时间标签将与事件数据交织，以记录本努的旋转。

OSIRIS-REx激光高度计(OLA)是一种扫描和激光雷达设备，将在整个任务中提供高分辨率的地形信息。

OLA接收到的信息创建了本努的全球地形图，候选样本地点的局部地图，支持其他仪器的测距，支持导航和重力分析。

OLA在特定的时间间隔扫描Bennu的表面，以快速绘制小行星的整个表面，以实现其制作局部和全球地形图的主要目标。

OLA收集的数据还将用于发展一个相对于小行星质心的控制网络，并加强和完善对Bennu的引力研究。

OLA有一个单一的公共接收器和两个互补的发射器组件，以提高带回的信息的分辨率。

OLA的高能激光发射器用于1至7.5公里的测距和测绘。低能量发射器用于0.5到1公里的测距和成像。这些发射器的重复频率决定了OLA的数据采集速率。

来自低能量和高能发射器的激光脉冲被定向到一个可移动的扫描镜上，它与接收望远镜的视场对齐，以限制背景太阳辐射的影响。每个脉冲提供目标范围、方位角、仰角、接收强度和时间标记。

采样返回系统，称为接触-走采样机构(TAGSAM)，由一个采样头和一个铰接的3.35米机械臂组成。

机载氮源将支持最多三次单独的采样尝试，总采样量至少为60克(2.1 oz)。表面接触垫也将收集细粒度的材料。

取样过程

在采样前将进行预演，在此期间，太阳能电池板将被提升为Y形，以减少接触过程中灰尘积聚的机会，并为在接触过程中航天器倾斜(最高45度)提供更多的离地间隙。

下降速度将非常缓慢，以尽量减少接触前推进器点火，以减少小行星表面被未反应的联氨推进剂污染的可能性。

与Bennu表面的接触将用加速度计检测，冲击力将通过TAGSAM臂上的弹簧消散。

在与TAGSAM仪器表面接触时，会释放出一股氮气，将小于2厘米的表层土颗粒吹进机械臂末端的采样器头部。

5秒的计时器将限制收集时间，以减少碰撞的机会。在计时器完成倒计时后，后退机动将开始安全离开小行星。

OSIRIS-REx将停止漂移远离小行星，以防有必要返回进行另一次采样尝试。

飞船将使用图像和旋转动作来验证样本已经获得，并确定其质量，验证其是否超过60克(2.1盎司)的要求。

如果取样失败，航天器将返回进行另一次尝试。有足够的氮气进行三次尝试。

除大体积取样机构外，取样头末端的接触垫会在与小行星接触时被动收集小于1毫米的尘埃颗粒。这些垫是由微小的不锈钢环制造的。

取样尝试结束后，将打开样本返回胶囊(SRC)盖，以便装入取样器头。

然后，机械臂将缩回到发射结构中，SRC的盖子将被关闭并锁定，准备返回地球。

编译/前瞻高端装备研究组

参考资料：

https://en.wikipedia.org/wiki/OSIRIS-REx

https://www.spacedaily.com/afp/200924223850.osyfc8pi.html