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NASA的OSIRIS-REx航天器进入贝努小行星附近的轨道,打破太空探索记录

发布时间:20-11-02

2018年12月31日,美东时间下午2:43,当地球上的人们准备迎接新的一年,距离我们1.1亿公里的OSIRIS-REx航天器(Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer,即太阳系起源、光谱解析、资源识别、安全保障、小行星风化层探索者,缩写OSIRIS-REx)对其推进器进行了单次8秒钟的点火,打破了太空探索记录。该航天器进入了Bennu(贝努小行星)周围的轨道,使Bennu成为有史以来被航天器绕行的最小天体。

“通过完美地执行轨道插入操作,团队持续取得了长期的成功,”亚利桑那大学(University of Arizona, Tucson)OSIRIS-REx首席研究员Dante Lauretta说, “随着航行阶段即将结束,我们期待这次任务的科学测绘和样本选址阶段。”

2018年12月31日,NASA的OSIRIS-REx航天器首次进入绕行小行星Bennu的轨道。

Credit:https://www.asteroidmission.org

Lauretta和他的团队一起度过了2018年的最后一天。他脚踏实地,仰望星空:“这是一个惊人成就,进入Bennu周围的轨道是我们团队多年来一直在策划的。”

以蜗牛的速度围绕Bennu运行,OSIRIS-REx的第一次绕行标志着人类的飞跃。来自地球的航天器从未像现在这样靠近如此小的天体——几乎没有足够的重力使航天器保持在稳定的轨道上。

现在,该航天器将绕行距离Bennu中心约1.75公里外,比任何其他航天器更接近它的研究对象。(此前最近的绕行轨道是2016年5月罗塞塔号在距离彗星67P/Churyumov-Gerasimenko中心约7公里的轨道上运行时。)舒适的距离是保持航天器锁定Bennu的必要条件,其重力仅为地球的500万分之一。该航天器计划在2月中旬以每个周期62小时的速度绕Bennu运行。

现在OSIRIS-REx航天器离Bennu越来越近,小行星的物理细节将逐渐成为清晰的焦点,而它对这些碎石堆原始碎片的“游览”将越来越细致。

“我们的轨道设计极大程度上取决于Bennu的物理属性,比如它的质量和重力场,而这些我们在到达之前并不知道,”OSIRIS-REx的飞行动力系统(位于戈达德太空飞行中心)经理Mike Moreau说。

“时至今日,我们必须在计算机模拟中考虑各种可能情况,以确保我们能够安全地驾驶航天器接近Bennu。随着团队更多地了解这颗小行星,新的信息被加入最终的轨道设计。“他说。

模拟起到了关键作用。毕竟OSIRIS-REx任务是基于复杂的计算机程序设计的,这些计算机程序确实非常准确地预测了Bennu的性质以及航天器的轨迹。这些用功的准备工作使得航天器能够在12月安全地抵达Bennu轨道,并解答了一些问题(Bennu岩石中确实有保存的古水的迹象),还在飞越极地和赤道的初步测量中发现一些惊喜(Bennu有很多巨石)。

于12月16日完成对Bunnu南极飞越的初步测量,该航天器移动到距离小行星50公里的安全地点,以便导航团队有机会重新组合并准备进行轨道插入。接下来,洛克希德•马丁公司的工程师操控航天器开始回到Bennu北极上方约15公里的位置,准备在10天内进行三次推进使其进入轨道。

Dan Wibben(位于加州西米谷的KinetX航空航天公司、OSIRIS-REx行动和轨迹设计领导)表示,尽管OSIRIS-REx处于可能的最稳定的轨道,但Bennu的引力非常脆弱,所以为保持航天器安全需要偶尔进行调整。

“Bennu的引力非常小,来自Bennu表面的太阳辐射和热压等变得更加相关,这些力可以比在(引力主导的)地球或火星周围绕行时更多地推动航天器在其轨道上运行,“他说。

OSIRIS-REx导航团队将使用“修剪”行动以轻微地将航天器向某些方向推进,来校正其轨道并对抗这些小的力。如果航天器偏离Bennu或者其他问题迫使它进入安全模式,编程会使它远离小行星以保持安全免受撞击。

“这逻辑很简单:如果出现问题,驶离目标,”KinetX OSIRIS-REx首席光学导航工程师Coralie Adam说。她表示,如果航天器偏移(尽管这种情况不太可能发生)工程师可以将其导航回轨道。

导航和航天器运作团队专注于第一个轨道阶段。他们的主要目标是从基于恒星的导航(这使得团队能够根据机载摄像机拍摄的恒星形成图像来定位航天器)过渡。因为在深空中没有GPS,我们也无法用地球上的望远镜观测到航天器,导航员使用这样的方法来定位。然而从现在开始,团队将根据Bennu表面上的标志来跟踪OSIRIS-REx。Adam说,这是一种更精确的技术,最终将指导他们到一个没有巨石的样品采集站点。

“在我们最近的初步测量阶段进行全方位成像和制图后,科学团队已经创建了Bennu地形的三维模型,我们将使用这些模型在小行星周围进行导航,”她说。

Adam还表示,这个轨道阶段的另一个关键目标是更好地处理Bennu的质量和重力,这些特征将影响其他任务的规划,特别是2020年为采集样本而短暂的表面着陆。在这Bennu一案例中,科学家们只能通过让OSIRIS-REx非常靠近地表来测量这些特征,观察它的轨迹是如何被Bennu的引力弯曲的。

“轨道A阶段将有助于改善我们对Bennu重力场、热性质、方向和旋转速率的详细模型,”Wibben说道,“这将使我们能够改进轨迹设计,以应对2019年更具挑战性的飞行活动。”

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Credit:OSIRIS-REx Mission

12月31日将航天器送入Bennu轨道的行动是该任务中许多激动人心的航行活动中的第一个。OSIRIS-REx团队将于2月底恢复科学运营。到时候该航天器将对Bennu进行一系列持续数月的近距离飞行,以获取小行星表面的高分辨率图像来帮助选择采样点。到2020年夏,航天器将短暂地接触Bennu表面以取回样本。OSIRIS-REx任务计划于2023年9月将样本送到地球。

戈达德太空飞行中心为OSIRIS-REx提供整体任务管理、系统工程以及安全和任务保障。亚利桑那大学图森分校的Dante Lauretta是首席研究员,亚利桑那大学也领导着科学团队、科学观察计划和数据处理任务。丹佛的洛克希德•马丁太空公司建造了航天器并提供飞行操作。戈达德和KinetX航空航天公司负责导航OSIRIS-REx航天器。OSIRIS-REx是NASA新疆界计划(New Frontiers Program)的第三个任务,该计划由NASA的马歇尔太空飞行中心(位于阿拉巴马州亨茨维尔)负责管理该机构在华盛顿的科学任务理事会。

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