小行星上“挖土”3個(gè)探測(cè)器各有各的道

文/ 杜駿豪

▲ “隼鳥號(hào)”與糸川小行星藝術(shù)想象圖

▲ “隼鳥2號(hào)”與龍宮小行星藝術(shù)想象圖

好奇心是人類的天性，探索萬物是我們的本能。茫茫宇宙有無數(shù)的星系等待人類探索，但是受限于人類航天技術(shù)的局限性，人類目前唯一的工具——化學(xué)燃料火箭與航天器，還不足以支撐人類去探索光年之外無盡的宇宙。目前，人類所能夠接近的只有太陽系內(nèi)的太陽、8大行星、已知的470顆衛(wèi)星、4143顆彗星和100萬余顆小行星。

截至嫦娥五號(hào)任務(wù)，人類對(duì)這些天體通過飛掠、環(huán)繞、著陸、巡視、采樣返回等方式展開過362次探測(cè)，這其中，能夠獲取所研究天體的樣本是最直截了當(dāng)?shù)难芯糠绞?，而這往往也是難度最高的。

相比122次月球探測(cè)（截至“嫦娥五號(hào)”任務(wù)）和52次火星探測(cè)任務(wù)（截至“毅力號(hào)”任務(wù)），針對(duì)這接近100萬顆小行星的探測(cè)任務(wù)屈指可數(shù)，而小行星采樣返回任務(wù)只有3個(gè)，分別是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的“隼鳥號(hào)”“隼鳥2號(hào)”和美國宇航局（NASA）的“奧西里斯-雷克斯”。

3個(gè)探測(cè)器探測(cè)目標(biāo)都屬于“阿波羅小行星”，這一類小行星軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn)在小行星帶，近日點(diǎn)在地球軌道內(nèi)部，因此與地球軌道相交，相對(duì)于其他小行星更容易探訪，也更容易實(shí)現(xiàn)取樣返回。

經(jīng)過這3個(gè)探測(cè)器的實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)“糸川”“龍宮”“貝努”這3個(gè)小行星質(zhì)量小且密度低，換句話說就是一堆積攢起來的碎石渣，這為取樣返回增加了不少難度。首先，引力過小意味著探測(cè)器不能像登月著陸一樣穩(wěn)穩(wěn)地落在星體表面，因?yàn)檎静环€(wěn)，很容易“翻車”。其次，結(jié)構(gòu)松散意味著與小行星接觸時(shí)會(huì)激起碎石、粉末，若是與探測(cè)器本身的關(guān)鍵部位發(fā)生碰撞，后果不堪設(shè)想。所以，這3個(gè)探測(cè)器的取樣裝置都是一根長(zhǎng)長(zhǎng)的采樣臂，與小行星接觸時(shí)“點(diǎn)到為止”，碰一下就迅速撤離，在碰觸的一瞬間進(jìn)行采樣工作。在短時(shí)間內(nèi)采取正常的“挖土”方式是不現(xiàn)實(shí)的，所以JAXA和NASA的工程師們?yōu)樘綔y(cè)器設(shè)計(jì)了精巧的取樣裝置，我們一一道來。

▲ “奧西里斯-雷克斯”在貝努小行星表面采樣想象圖

三個(gè)探測(cè)器的主要參數(shù)如下表所示

采樣前的準(zhǔn)備

▲ “隼鳥號(hào)”拍攝的糸川小行星，距離約7 千米

小行星距離地球過于遙遠(yuǎn)，即使用最好的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，看到的也只是一個(gè)暗淡的移動(dòng)亮點(diǎn)，在探測(cè)器近距離觀察小行星前，我們對(duì)小行星的尺寸、地形、地表形貌、組成成分一無所知。它是規(guī)則的球體嗎？表面是細(xì)碎的沙礫還是大塊的巖石？表面平坦還是溝壑縱橫？自轉(zhuǎn)速度快還是慢？這些未知的因素在無形中影響著小行星采樣的難度，是“薛定諤的貓”般的存在。科學(xué)家和工程師只能遵從兼容性較高的探測(cè)器設(shè)計(jì)方案，以將采樣成功率最大化。同時(shí)，他們也只能祈求選擇的這顆小行星的條件適合著陸采樣了。

▲ “隼鳥2號(hào)”拍攝的龍宮小行星，距離約20 千米

▲ 左：“奧西里斯-雷克斯”拍攝的貝努小行星，距離約13 千米右：項(xiàng)目組精心挑選出的四塊預(yù)定著陸采樣點(diǎn)，采樣條件依然一般，難度較大

在到達(dá)小行星附近后，這3個(gè)探測(cè)器都先為所探索的小行星拍攝地表全圖，并通過激光高度計(jì)（LIDER）為小行星建立三維模型，以供科研人員初步了解這顆小行星的信息，計(jì)算小行星的重力場(chǎng)分布，同時(shí)篩選并初步確定著陸采樣的位置。其中，“隼鳥號(hào)”和“隼鳥2號(hào)”都是采取伴飛的方式，看起來就像懸停在小行星的某個(gè)方位上；而“奧西里斯-雷克斯”采取難度更高的環(huán)繞的方式，繞飛高度僅為2千米左右，這也是人造衛(wèi)星首次長(zhǎng)時(shí)間環(huán)繞如此小的天體運(yùn)行。因?yàn)椤皧W西里斯-雷克斯”環(huán)繞高度比兩代“隼鳥”的伴飛高度低，所以“奧西里斯-雷克斯”獲得的“貝努”表面全圖更加清晰，分辨率甚至達(dá)到了5厘米。

幸運(yùn)的是，這3顆小行星尺寸都在預(yù)期內(nèi)，自轉(zhuǎn)速度完全可以采樣。但是，“隼鳥號(hào)”的“糸川”并不是一個(gè)球形，而是一個(gè)不規(guī)則的“土豆”，這為建立其重力場(chǎng)模型帶來了難度?！皧W西里斯-雷克斯”的“貝努”表面分布著密密麻麻的大石塊，難以下手。科研人員反復(fù)對(duì)比、考察，最終才選出來4塊相對(duì)安全、最適宜采樣的地形。

為了能在著陸前近距離觀察小行星表面的地質(zhì)構(gòu)造、顆粒尺寸，“隼鳥號(hào)”還攜帶了一臺(tái)地面觀測(cè)漫游車“密涅瓦”（MINERVA），它是一個(gè)直徑120毫米、高100毫米的圓柱體，重約590克。計(jì)劃降落后在“糸川”的表面跳躍移動(dòng)，以拍攝預(yù)期分辨率為1毫米的表面彩色圖像，并測(cè)量“糸川”的表面溫度。遺憾的是，“隼鳥號(hào)”投放“密涅瓦”時(shí)，由于距離“糸川”太遠(yuǎn)，“糸川”引力又過于微弱，“密涅瓦”未能成功著陸，而是逃逸到了無垠的太空中。

▲ 左：ROVER 1B第一次著陸時(shí)拍攝的地表圖像；右：ROVER 1B跳躍一次后拍攝的地表圖像

▲ 左：“隼鳥號(hào)”釋放的標(biāo)記球反射出耀眼的光，與“隼鳥號(hào)”的影子相映成趣右：“隼鳥2號(hào)”底部的5個(gè)標(biāo)記球，中心的白色圓柱體是上文提到的爆炸-撞擊器

“隼鳥2號(hào)”吸取“隼鳥號(hào)”的經(jīng)驗(yàn)，一口氣帶了3部“密涅瓦-2”小型漫游車（MINERVA-II1 ROVER 1A、MINERVA-II1 ROVER 1B和MINERVA-II2 ROVER 2），以及1部小著陸器“吉祥物”（MASCOT）。這一次任務(wù)中的漫游車和著陸器全部成功著陸，并且傳回了非常清晰的表面圖像，為接下來的表面采樣工作提供了很有價(jià)值的信息。

采樣第一步

采樣是整個(gè)小行星取樣返回任務(wù)最激動(dòng)人心的時(shí)刻，同時(shí)也是風(fēng)險(xiǎn)最大的時(shí)刻。探測(cè)器在采樣之前已經(jīng)做了幾百天的前期準(zhǔn)備工作，把小行星表面的致命大石塊等不利地形悉數(shù)摸清，目的就是在下降采樣過程中能夠避開它們。但是，下降時(shí)沒有參照物，依然會(huì)有撞上石塊的危險(xiǎn)，這可怎么辦？“隼鳥號(hào)”“隼鳥2號(hào)”與“奧西里斯-雷克斯”的設(shè)計(jì)者們給出了不同的，但都異常巧妙的方法。

▲ 左：“隼鳥號(hào)”采樣示意圖；右：“隼鳥2號(hào)”采樣示意圖（圖源：JAXA，圖片經(jīng)過修改、翻譯）

▲ 上：“隼鳥2號(hào)”的爆炸-撞擊器在撞擊前后的對(duì)比圖下：為防止被爆炸飛濺物撞擊，“隼鳥號(hào)”在爆炸裝置分離后就飛到了小行星另一側(cè)躲避，只分離了一臺(tái)叫做DCAM3的相機(jī)觀察撞擊過程。左右分別為撞擊前14 秒和撞擊后3 秒拍攝的照片

▲ “奧西里斯-雷克斯”自然特征追蹤技術(shù)示意圖

“隼鳥號(hào)”和“隼鳥2號(hào)”分別攜帶了3個(gè)和5個(gè)標(biāo)記球，由聚酰亞胺制作，表面貼有反光膜。這樣的球反射光在小行星表面非常顯眼，像是一座小小的燈塔，指引“隼鳥號(hào)”和“隼鳥2號(hào)”降落。

工具相同，“隼鳥號(hào)”和“隼鳥2號(hào)”的用法可不太一樣?！蚌励B號(hào)”為了防止在下降過程中迷失在亂石堆中，在下降過程中釋放一個(gè)標(biāo)記球，然后開始跟蹤它，保持標(biāo)記球位于視野中央，一同不斷降低高度，直到接觸小行星表面，完成采樣。因此，“隼鳥號(hào)”一次只能追蹤一顆標(biāo)記球，且標(biāo)記球的著陸精度決定了“隼鳥號(hào)”的著陸精度。

“隼鳥2號(hào)”早在幾個(gè)月前就已向預(yù)定著陸區(qū)附近扔下標(biāo)記球，然后計(jì)算好預(yù)定著陸區(qū)和標(biāo)記球的相對(duì)位置。在鎖定標(biāo)記球后下降到標(biāo)記球正上方的較低高度，再按照計(jì)算值平移到預(yù)定著陸區(qū)上方，然后繼續(xù)下降，完成著陸、采樣。這樣的方式可以同時(shí)部署多個(gè)標(biāo)記球，但是“隼鳥2號(hào)”在實(shí)際采樣過程中僅用到了一個(gè)標(biāo)記球就達(dá)到了很高的著陸精度。

“奧西里斯-雷克斯”沒有攜帶類似的標(biāo)記球，它是如何確定自身在著陸過程中的相對(duì)位置呢？聰明的工程師就地取材，設(shè)計(jì)了自然特征追蹤技術(shù)（NFT）。換句話說，就是以“貝努”表面的特征石塊為地標(biāo)，在下降過程中不斷與已經(jīng)繪制好的小行星表面圖像進(jìn)行對(duì)比，匹配石塊位置，就能夠確定“奧西里斯-雷克斯”的具體位置、速度與加速度，也達(dá)到了非常高的著陸精度。

相比“隼鳥號(hào)”和“隼鳥2號(hào)”，“奧西里斯-雷克斯”的這種定位方式不需要攜帶額外的標(biāo)記球，把寶貴的載荷質(zhì)量分配給其他科研儀器。但是，“隼鳥號(hào)”和“隼鳥2號(hào)”的標(biāo)記球也有其優(yōu)點(diǎn)，在投擲它們的過程中，通過觀察定位球軌跡的變化，可以優(yōu)化小行星的重力分布，使著陸更加胸有成竹。

除此之外，“隼鳥2號(hào)”還攜帶了上文提到的爆炸-撞擊器，它成功地在“龍宮”表面炸出了一個(gè)直徑10多米的人造撞擊坑，暴露出來內(nèi)部深色的深層物質(zhì)。這使“隼鳥2號(hào)”成功采集到了小行星較深層的礦石樣品?！蚌励B號(hào)”和“奧西里斯-雷克斯”卻只能采集小行星表面的樣品，對(duì)較深的物質(zhì)只能束手無策。

采樣第二步

在接近并觸碰小行星后，便是緊張刺激的采樣階段。在整個(gè)接近10年的任務(wù)跨度中，最令人期待的便是這短短的幾秒鐘，成敗在此一舉。

▲ “隼鳥2號(hào)”第二次采樣，左：采樣4秒前，右：采樣4秒后，表面由鉭質(zhì)子彈激起大量碎石

▲ “奧西里斯-雷克斯”唯一一次采樣，左：采樣前，右：采樣后，表面由高壓氮?dú)饧て鸫罅克槭?/p>

“隼鳥號(hào)”和“隼鳥2號(hào)”采取相同的取樣方式：在接觸的一兩秒鐘內(nèi)向小行星表面發(fā)射一枚金屬鉭子彈，激起小行星表面的碎石，部分飛起的碎石濺入收容艙內(nèi)，完成采樣，然后迅速起飛撤離。選取金屬鉭的目的是避免子彈本身物質(zhì)與小行星表面物質(zhì)混淆，鉭質(zhì)子彈射出速度可以達(dá)到300 米/秒，可以激起足夠的表面樣品，表面的樣品經(jīng)過采樣臂內(nèi)壁的反射，少量的樣品可以成功上升到樣品收容艙的高度，進(jìn)入反射板完成采樣。

▲ “隼鳥號(hào)”與“隼鳥2號(hào)”采樣原理示意圖 杜駿豪/圖

▲ “奧西里斯-雷克斯”采樣原理示意圖 杜駿豪/圖

▲ 左：“奧西里斯-雷克斯”采樣前的采樣盤；右：“奧西里斯-雷克斯”采樣后的采樣盤，可以看到不斷有樣品顆粒泄漏

“奧西里斯-雷克斯”與“隼鳥號(hào)”類似，也需要工具將表面的碎石激起，并使之落入樣品收容艙。相比“隼鳥號(hào)”的“子彈”，“奧西里斯-雷克斯”沒有這么暴力，而是選擇了使用高壓氮?dú)鈱颖敬灯?。選擇氮?dú)獾哪康呐c選擇鉭金屬的目的是相同的，都是避免向樣品中引入其他人為雜質(zhì)?！皧W西里斯-雷克斯”進(jìn)行了一次成功的采樣，直徑30 厘米的采樣盤與“貝努”表面接觸了短短的6秒，在高壓氮?dú)獾拇捣飨?，表面樣品飛起，積攢在圓盤外邊緣的樣品收集處，然后迅速起飛離開，避免自身被碎石損壞。

采樣后的“打包”

采樣后，探測(cè)器都會(huì)迅速遠(yuǎn)離小行星，避免被激起的碎石損壞。在安全撤離后，剩下的工作就是確定是否成功采樣，然后將樣品封裝起來。

相比“奧西里斯-雷克斯”的氮?dú)獯捣鞣椒?，“隼鳥號(hào)”與“隼鳥2號(hào)”的采樣方式獲取的樣本質(zhì)量較小?！蚌励B號(hào)”僅獲得了極微量的微粒，“隼鳥2號(hào)”獲得了5.4 克樣品，而“奧西里斯-雷克斯”計(jì)劃得到60 克樣品，實(shí)際采集到的樣品遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于60 克，甚至樣品在采樣頭內(nèi)滿到不斷地溢出來。一大原因是“奧西里斯-雷克斯”的采樣頭與樣品收容艙都在小行星表面，人工設(shè)計(jì)的氮?dú)馔肥勾灯鸬拇蟛糠謽悠范硷w向樣品收容艙，從而積累大量樣品；對(duì)比來看，“隼鳥號(hào)”與“隼鳥2號(hào)”的樣品收容艙距離小行星表面還有一定的距離，只有極少量幸運(yùn)的樣品能夠經(jīng)過多次反彈上升到這一高度，進(jìn)入樣品收容艙，大量被激起的樣品沒有機(jī)會(huì)被收集到，有的落回小行星表面，有的飛向幽暗無際的空間。

▲ 左：“隼鳥號(hào)”的采樣臂，最上端是樣品收容艙，最下端接觸小行星表面右：顯微鏡下“隼鳥號(hào)”采集到的樣本，只有紅色箭頭所指的微粒是小行星樣本，藍(lán)色箭頭所指的是探測(cè)器本身的人造物質(zhì)微粒

▲ “隼鳥2號(hào)”的樣品分離貯存原理（圖源：JAXA，圖片經(jīng)過修改、翻譯）

“奧西里斯-雷克斯”可以進(jìn)行多次采樣，以獲得足量的樣本。原本計(jì)劃在每次采樣后，都會(huì)測(cè)量探測(cè)器本身旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性矩分布變化來計(jì)算獲得樣品的質(zhì)量。但是“奧西里斯-雷克斯”經(jīng)過這一次采樣后，科學(xué)家們可以斷定“奧西里斯-雷克斯”已經(jīng)獲得了足夠量的樣本，無需進(jìn)行樣本質(zhì)量的測(cè)量。如果進(jìn)行測(cè)量，旋轉(zhuǎn)起來還可能會(huì)泄漏更多的樣品，因此他們直接取消了這一步驟，并取消了接下來幾次取樣，直接進(jìn)行樣本的封裝，采樣成功，干脆利落，等待返航。

“隼鳥號(hào)”“隼鳥2號(hào)”的樣品封裝過程與“奧西里斯-雷克斯”有所不同?！皧W西里斯-雷克斯”不能進(jìn)行樣品的分類，也就是說如果“奧西里斯-雷克斯”進(jìn)行多次采樣的話，所有樣品都會(huì)混雜在一起，難以區(qū)分?！蚌励B2號(hào)”前后兩次分別采集到了“龍宮”表面、深層的樣品，倘若混雜，其科研價(jià)值將會(huì)大大降低。對(duì)此，JAXA的科研人員巧妙地設(shè)計(jì)了具有分區(qū)功能的收納艙?！蚌励B號(hào)”有2個(gè)分區(qū)，“隼鳥2號(hào)”有3個(gè)分區(qū)。在每次采樣時(shí)，樣品只能進(jìn)入開啟的分區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)不同樣品的分離貯存，設(shè)計(jì)精巧，令人叫絕。

▲ “奧西里斯-雷克斯”樣品封裝的過程，整個(gè)封裝過程穩(wěn)扎穩(wěn)打，按部就班地持續(xù)了兩天。當(dāng)返回艙嚴(yán)絲合縫地關(guān)閉時(shí)，每一個(gè)人都如釋重負(fù)

回“家”

余下的工作，就是與小行星說再見，然后帶著寶貴的樣本回歸地球的懷抱。“隼鳥號(hào)”已經(jīng)于2010年6月13日成功著陸澳大利亞南部的沙漠中。“隼鳥2號(hào)”于2020年12月6日著陸于同一沙漠?！皧W西里斯-雷克斯”也已經(jīng)圓滿完成采樣工作，它將在2021年3月離開 “貝努”，返回地球，預(yù)計(jì)在2023年9月24日在美國猶他州的沙漠著陸。

“隼鳥號(hào)”“隼鳥2號(hào)”與“奧西里斯-雷克斯”的探索故事都是一段傳奇，他們的性能各有千秋。

作為世界上第一個(gè)小行星取樣返回任務(wù)，在本世紀(jì)初設(shè)計(jì)、建造的“隼鳥號(hào)”以其大膽的設(shè)計(jì)理念、超前的任務(wù)規(guī)劃與數(shù)次絕處逢生的頑強(qiáng)精神給人以深刻的印象，它的故事也被拍成了電影《隼鳥號(hào)：遙遠(yuǎn)的歸來》，至今依舊給人以精神上的鼓舞。

“隼鳥2號(hào)”吸收了“隼鳥號(hào)”的經(jīng)驗(yàn)，它也使用標(biāo)記球作為“燈塔”，用“炮彈”轟擊小行星以獲取深層樣本，以及不同樣本分離貯存的巧妙方法都是人們智慧的結(jié)晶，在整個(gè)任務(wù)過程中盡情直行、無往不利、一帆風(fēng)順，是一個(gè)性價(jià)比非常高的成功任務(wù)。

▲“隼鳥2號(hào)”返回照片，工作人員穿著防爆服，因?yàn)榉祷嘏摲蛛x時(shí)可能殘留有火藥

▲“隼鳥2號(hào)”返回艙實(shí)物

“奧西里斯-雷克斯”借助更加強(qiáng)大的運(yùn)載火箭，體積與質(zhì)量更勝一籌，因此攜帶了數(shù)量更多、性能更強(qiáng)大的儀器。它獨(dú)特的自然特征追蹤技術(shù)使著陸精度極高，高壓氮?dú)獯捣鞑蓸拥姆绞綐O有效率，獲得了遠(yuǎn)多于前兩個(gè)任務(wù)的小行星樣本，是目前為止小行星探測(cè)領(lǐng)域的高峰。

預(yù)計(jì)在2022年5月，中國自己的小行星探測(cè)器（初步命名為“鄭和號(hào)”）將要前往小行星2016HO3執(zhí)行取樣返回任務(wù)。預(yù)計(jì)2024年11月會(huì)帶回中國人自己的小行星樣本。之后探測(cè)器還會(huì)飛向主帶彗星133P展開繞飛探測(cè)。這一激動(dòng)人心的任務(wù)細(xì)節(jié)我們暫不得知，但是我們相信這將是一次史無前例的小行星探測(cè)任務(wù)。待來日，去星辰大海，九天翱翔！