天問二號成功抵近小行星 採樣任務正式開始

 

編按：天問二號任務示意圖(網絡圖片)

 

天問二號於本星期初正式到達其第一目標：2016HO3 / 震蕩天星。這顆可能只有50來公尺的小行星，由於受到地球引力吸引，其公轉數據其實和地球相當接近，只是軌道傾角有差異，而且其和地球有相對固定的距離和移動路徑，有點像一顆地球衛星，所以有些人會將其列為地球的準衛星。

天問二號結構示意國，典型的箱形體，方形殼上安插了大約十種光學與紅/紫外光拍攝裝置、光譜儀、探地/測距雷達、粒子分析儀和噴發物研究裝置等，但最重要的當然是是返回艙，以及這個角度看不到的機械臂式和吸盤式樣本收集器。(圖片來自連結)

 

關於為何2016HO3有和地球有相當類似的軌道，在過往的光譜研究中，發現這個小行星表面佈滿硅酸鹽，這和地球或月球的表土都相當接近。由於這類有準衛星特性的小行星運行時間一長，就有可能被附近的行星牽引或拋離軌道，有研究表示其很可能是月球背面其中一個隕石坑有關—大約三億多年前，有小行星撞向月球背面，並形成我們今天比較熟知的布魯諾撞擊坑，而2016HO3，就有可能是來自這次撞擊中高速撞離並進入軌道的月球碎塊。

2016HO3之所以被稱為準衛星，是因為其公轉速度和地球幾近一樣，只是夾角不同，由地球視角望去，這個距離大約1000萬至4800萬公里的物體就好像以極軌角度很慢的繞地球公轉一樣。雖說其似乎是由月球被撞飛的碎片，但是否仍和一般超小型小行星上一堆碎石堆在一起，我們還是不知道的，只能以小行星101955「貝努」作參考。(圖片來自連結及維基百科)

 

事實上，天問二號要入軌的確有相當難度，這種小行星引力非常非常低(相當於幾乎沒有)，甚至只需2.5厘米/秒就可脫離其引力控制範圍，所以減速以被動吸引進衛星是不可能的事。天問二號必須多次主動改變軌道漸漸靠近並和小行星保持距離。由於此星自轉速度很快，每一轉大約半小時都不用，要探測包括極軸在內各表面，只需出現在相對有限的位置即可。

 

六部指向不同方向的反作用力飛輪，可以對探測器進行X、Y和Z軸的資勢和自轉調控，但又不會像火箭噴氣調控一樣容易用力過猛，且更節省燃料。(BILIBILI擷圖)

 

 

但若要撞觸小行星表面採樣則困難得多，其自轉速度高，意味到達著陸點間的調整次數也多得多，而且由於轉速高，估計不太硬的軟質地表早達被離心力拋飛了，只有在極軸地區才有可能有足夠厚的輕物質供開採用。極軸地區的著陸點位移相對穩定，但仍要面對高速自轉的問題，所以天問二號本身就有多個反作用力飛輪，利用不同轉速差所達到的反作用力矩不同，精密調校天問二號精確自轉速度和姿勢、位置，以達到和極軸自轉轉速同步的，作用也有點像AMABC原理。另外貼著光電板的兩塊大型太陽翼也可透過調整位置以調整著陸姿勢，更有甚者，著陸時為免撞上不平坦的地表，還可以上八字的向上移位。

可調太陽翼其實就是可調控傾角的光伏板，這設計最主要目的是避免降落時可能與降落點上的凸出物擦撞，但事實上也有一定的動態品質自動平衡控制（Active Mass Balance Auto Control / AMBAC）功能。(網絡圖片)

 

天問二號也同時擁有三種採樣模式，分別是「觸碰」、「懸停」和「附著」，前者主要是在小行星上空一米懸停並拿長探管插入軟質層中取樣；中者針對硬質岩石，同樣是懸停在小行星上空１米，但先用取樣盆前的尖銳結構切割岩體，再用小刷和釋放高壓氣體將樣本吸入取樣盆；後者則屬大量取樣，天問二號伸出著陸架著陸後打開引擎，把探測器輕輕壓在小行星表面上，直接用機械臂和取樣盤挖樣本。三次取樣將分別由今年年底至明年4月進行，隨後天問二號將離開小行星回航地球，並於11月返回地球軌道附近，並投下載有樣本的返回艙。

由於現時對於2016HO3的表面狀況並沒有精確把握，團體其實是用了三種採樣方法，為不同區域或土質準備，其中中圖的「觸碰」，所採用的是類似隼鳥系列所用的吸盤探頭形式，而左圖的「懸停」採用的較接近OSIRIS-Rex的機械臂，但OSIRIS-Rex其實較類似加了機械臂的隼鳥那種吸盤頭，還是針對軟質層，但天問2號這種模式是針對硬質層，所以有切入硬土和用機械刷掃撥細碎的功能。最後右圖的「附著」其實相當於用小引擎和降落臂「強硬降落」在表面上，讓兩種探頭同時工作挖取最多樣本，過程甚至涉及用少量火箭燃料壓在小行星表面上一段時。(BILIBILI擷圖)

 

最後，天問二號會借地球進行重力彈弓效應，加速並變軌至另一軌道，前往火木之間的P/2013 P5彗星飛去，由於本探器深空飛行所用的只是霍爾電堆，之前的探測和降落已耗用大部分燃料，且要進入火木之間特定軌道也相當困難，探測器在環日軌道上要多次環繞太陽運轉而同時漸漸變軌才能切入彗星的軌道，算起來要花上近8年的時間才能到達。