朗讀並肩飛行，回收小行星樣本究竟有多複雜，這需要航天器全自動算法第並肩飛行，回收小行星樣本究竟有多複雜，這需要航天器全自動算法

太空中的寶藏
龍宮小行星
其實就像地球上的石頭一樣，太陽系也有很多“石頭”，或者說漂浮著的大鐵塊，數十億年來它們一直在宇宙中飛來飛去，雖然小行星的數量很多，但是它們井然有序，擁有自己的軌道。 小行星和月球，火星一樣，都是科學家們目前最想要了解的天體。 為什麼這麼說呢？是因為小行星蘊含著太陽系演化的奧秘，另外，小行星還蘊含有地球生命起源的秘密，而一些金屬小行星還蘊含有無限的經濟價值。 無論從科學研究角度來說，還是從未來經濟利益角度來看，小行星對我們來說都十分重要，現在，在宇宙中漂浮的“石頭”又讓我們明白了宇宙的神奇。 
一提到小行星，大家的第一反應就是小行星撞地球，然後所有生命被毀滅……其實剛才我們也說到了，小行星的數量雖然多，但是它們都擁有自己的軌道，而且月球和木星也幫了我們的大忙。 另外天文學家們擁有小行星觀測網絡，他們一直在注視著每一個進入月球軌道，或者說在小行星帶運行的小行星。 不過居安思危可不能只用想的，一方面，我們正在著手如何抵禦小行星帶來的威脅，比如重定向實驗和一些軌道偏移實驗，另一方面，我們注視到了小行星對人類的重要意義，科學探索將從此刻開始。 
日本宇航局隼鳥二號和美國宇航局奧西裏斯雷克斯小行星探測器
如何探索小行星
那麼我們應該如何探索小行星呢？在探索月球或者火星的時候，我們需要發射探測器在其軌道運行或者直接著陸。 而科學家們也可以發射小行星探測器過去和小行星並肩飛行，趁著小行星不注意（調整軌道，自動化部署等方法），在其表面著陸然後收集一些樣本。 大家可能想，這麼一個土塊有什麼可探索的？沒有磁場，也沒大氣，未來在小行星表面定居也不方便，還不如探索火星來的實在。 其實科學就是無止境的挑戰，在小行星上著陸收集樣本然後返回地球，這些步驟看著很簡單，但是實際做起來非常的難……科學家們也是為了進一步挑戰與了解。 
日本宇航局的隼鳥二號小行星探測器將會在年底返回地球，它是距離我們最近的小行星探測任務了，接下來我們將以隼鳥二號和奧西裏斯雷克斯小行星探測器為例，來看看這兩個探測器如何探索並收集小行星樣本，這可能是迄今為止最複雜的太空任務類型了。 
隼鳥二號著陸器MASCOT拍攝了這張照片，我們可以看到小行星表面有很多岩石，這是龍宮小行星的表面，是距離我們3億千米之外的世界
隼鳥二號探索的這顆小行星我們可以叫它“龍宮”（Ryugu），龍宮小行星沒什麼特別的，它非常普通，只是一顆C型小行星，C型小行星是太陽系中最常見的，說的簡單一點，它們就是一塊富含碳的直徑900多米的大石頭。 這顆小行星在太陽系中飄了45億年，這麼多年來它的組成材料幾乎沒有改變。 
科學家們在地球上就可以對其進行光譜測量，沒想到的是龍宮小行星上居然還有少量有機礦物質和水合礦物質，科學家們推測，就是這些C型小行星的不斷轟擊，使得地球上擁有了水。 所以對於科學研究領域來說，C型小行星的探索價值是最大的。 另外，探索這些原始小行星將解答有關太陽系演化，以及地球上的主要有機物質如何組成和演化的基本問題，這非常重要。 
這是隼鳥二號第二次著陸拍攝的視頻，由隼鳥二號的小型監控攝像頭CAM-H拍攝，該GIF的播放速度約為正常速度的10倍
日本的隼鳥二號可以使用遙感儀器，小型著陸器從多個角度研究龍宮。 它還可以發射多顆金屬彈丸，轟擊龍宮小行星表面物質，這是為了收集龍宮小行星地表下的物質。 在轟擊之後，一些樣本因為小行星引力作用會逐漸墜落回表面，而在這期間隼鳥二號就可以收集樣本然後將樣品放入膠囊中以返回地球實驗室進行分析。 
簡單的了解了一下龍宮和隼鳥二號，接下來我們將一起探索整個任務最關鍵的部分，也就是隼鳥二號如何回收小行星樣本，這個過程可以說是非常複雜。 最近這兩天美國宇航局的奧西裏斯雷克斯也進行了類似演示，稍後，我們也會以奧西裏斯小行星探測器為例講解不同小行星探測器之間收集樣品的差異。 
這是隼鳥二號廣域光學導航攝像機ONC-W2連續拍攝到的三張圖像，我們可以看到左上角的就是隼鳥二號釋放的著陸器
收集小行星樣本並且返回地球
在距離小行星表面3100千米的時候，隼鳥二號就會進行制動操作，因為小行星會自旋，而且速度還比較快，所以不能到跟前再減速。 在這個過程中隼鳥二號將調整速度和姿態，向龍宮靠攏，在這期間需要複雜的計算。 靠近到600米之時，隼鳥二號將進入待命狀態，給隼鳥二號任務團隊返回待命數據。 之後隼鳥二號將啟動其離子發動機再次靠近，到50米高度時隼鳥二號會把兩個鞋盒大小的著陸器投放到龍宮的表面。 
這兩個鞋盒一樣大小的著陸器會收集小行星表面的地質數據，緊接著隼鳥二號將進行第一次著陸演習，演習之前隼鳥二號要先到達22米的高度。 那有朋友可能問了，那23米行不行，必須要22米嗎？確實，這個數字是一丁點不能有失誤的，因為這是根據小行星相對引力和隼鳥二號結構計算出來的。 燃料有限，任務團隊也不能一次一次重試，再加上信號還有十幾分鐘的延遲……所以這些步驟都是自動執行的，任務團隊手動控制延遲太大，所以無法精確控制隼鳥二號。 
隼鳥二號第一次采樣活動的動畫展示
在第一次著陸演習之後，隼鳥二號會記錄第一次演習數據，把這些數據返回給地球，然後自己利用轉向算法回到安全軌道待命。 日本宇航局的隼鳥二號還帶了動力沖擊結構，也就是我們剛才說到的金屬彈丸，隼鳥二號將在100米軌道發射金屬彈丸，然後自己要退回到1.6千米軌道觀察，之後再靠近收集樣本。 那為什麼不直接在1.6千米軌道發射呢？其實在100米軌道發射是為了可以獲得更深層的樣本，但是這麼一退一進就又增加了任務的複雜性。 
太空中的樣本碎屑收集好之後，隼鳥二號將再次機動，這將是隼鳥二號任務靠得最近的一次觀察。 這次隼鳥二號將在9米的軌道近距離觀察龍宮小行星。 觀察結束後，隼鳥二號將進行第二次著陸操作，釋放第二個著陸器記錄數據，然後再次發射剩下幾個金屬彈丸，采集樣本離開小行星。 這將是隼鳥二號第三次采集樣本，第二次和第三次分別為遠距離轟擊獲取深層樣本，第一次為近距離轟擊表面獲得樣本。 之後隼鳥二號的離子引擎將開動馬力，返回地球。 最近這幾天有新的消息，隼鳥二號現在距離地球有55萬千米，馬上就要回到地球了，而龍宮距離地球有3億千米左右。 
隼鳥二號著陸器模型示意圖
隼鳥二號於2014年發射，2018年到達龍宮小行星，2020年底返回地球。 其實在之前，日本宇航局也進行了一次類似的探測活動，隼鳥一號於2005年在小行星表面著陸，它沒有發射金屬彈丸收集深層樣本，但是隼鳥一號也回收了小行星樣本並於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，不同的距離，小行星的大小和引力將造就不同的回收方式，NASA的奧西裏斯雷克斯小行星探測器（OSIRIS-REx）也在進行最後的演習，這是為了從小行星Bennu（本努）的表面獲取樣本。 在今年秋天，奧西裏斯雷克斯小行星探測器將在Bennu表面采集樣本然後返回地球。 這是第二次演習，也是奧西裏斯航天器第一次執行Matchpoint機動過程。 其實演習的過程可以幫助任務團隊查看小行星探測器的成像，導航和測距系統是否能按預期運行。 
奧西裏斯雷克斯小行星探測器在著陸過程中將進行3次點火，在大約四個小時的樣本回收過程中，航天器將以約0.3千米每小時的平均速度機動。 然後，航天器會展開自動采樣臂，緊接著航天器將旋轉，自然特征跟蹤NFT系統將開始收集導航圖像。 通過將機載圖像目錄與下降著陸期間拍攝的實時導航圖像進行比較，NFT將幫助奧西裏斯雷克斯自主導航到Bennu的采樣點。 
當OSIRIS-REx到達50米高度之後，航天器第三次點火將再次開啟Matchpoint機動系統。 這次機動過程需要慢一些，因為在三分鐘之內奧西裏斯將調整自己的姿態以匹配Bennu小行星的自旋速度，而且在這個時候航天器還需要最終校正以前往著陸點。 另外在一開始的下降過程中，NFT系統將需要持續捕獲Bennu的表面圖像，這是為了記錄並且更新航天器的路徑。 
奧西裏斯雷克斯的采樣路線
之後奧西裏斯的兩個太陽能電池板將改變為Y形態，也就是折疊起來，折疊起來的太陽能電池板可以幫助奧西裏斯將重心放在TAGSAM收集器上，與隼鳥二號的直接觸地著陸收集樣本或者說在太空中收集樣本不同，TAGSAM是奧西裏斯在樣本收集過程中唯一需要接觸Bennu小行星表面的結構。 在未來正式任務收集好樣本之後，航天器將進行一次後退矢量點火操作，以逐漸遠離小行星並到達安全軌道。 
另外，奧西裏斯信號和地球的單向傳輸時間為16分，因此在正式任務開始之前，奧西裏斯團隊將把所有事件的命令上傳到奧西裏斯，從而使奧西裏斯可以自主執行命令序列。 在樣本收集期間，航天器的低增益天線將是其唯一和地球通信的天線，它將以非常慢的速率傳輸數據，所以在樣本收集期間，任務團隊只能查看奧西裏斯的工作狀態和生命狀態。 美國宇航局奧西裏斯雷克斯的最終采樣時間是在10月20日，成功收集樣本之後，奧西裏斯雷克斯小行星探測器也將使用其離子引擎攜帶樣本回到地球。 
隼鳥二號（下）和奧西裏斯雷克斯小行星探測器
未來小行星任務與科學發展
人類科學探索工作是永無止境的，寫到這裏我非常激動，也很敬佩科學家們的方法，這可以說是太空探索領域中最複雜的任務之一，但是即使這樣，人類還是要迎難而上。 歐洲的彗星探測任務，日本的隼鳥一號隼鳥二號，美國宇航局的奧西裏斯雷克斯任務，還有未來的重定向，軌道偏移實驗讓我看到了未來小行星科學領域的發展。 其實現在我們不斷采集C型小行星上面的樣本，就是為采集隕鐵小行星樣本做准備，這些金屬質小行星上蘊藏的資源帶來的經濟效益是個天文數字。 
Psyche是金屬小行星，科學家推測Psyche是行星的核心，因為巨大撞擊而被剝離了出來
未來其他各國一定會發射探測金屬小行星的探測器，現在可以確定的是美國宇航局的Psyche小行星探測器將在2022年發射，2026年到達Psyche小行星進行觀察，這可能是人類首次探測金屬小行星。 金屬小行星不僅具有科學價值，還具有很高的經濟價值，這將為未來人類小行星采礦的一系列行動打下基礎。 
科學的本質是為人類服務，想象一下，我們把金屬小行星拉到月球軌道，直接開采，這對於航空航天，軍事工業等會造成什麼影響呢？小行星上極其稀有的資源又會徹底改變哪些領域？另外，持續不斷探索小行星，人類有一天會解開太陽系演化之謎，更有機會解開地球上，水的起源之謎，這是所有生命的起點。 我們可以共同期待，小行星領域科學的未來。

《並肩飛行，回收小行星樣本究竟有多複雜，這需要航天器全自動算法》完，請繼續朗讀精采文章。
喜歡 科學報 cn-n.net，請記得按讚、收藏及分享。