小行星表面采樣研究分析

程 麗 肖道林， 張 超， 張趙威

（1.沈陽大學機械工程學院，遼寧沈陽110044；2.中國科學院沈陽自動化研究所空間技術(shù)研究室，遼寧沈陽110016）

0 引言

隨著深空探測技術(shù)的發(fā)展，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量的小行星。然而，人類并不滿足于對小行星的遠距離觀測，而是希望能采集行星表面的土壤樣品進行研究。目前，采用的探測方式主要有飛越、撞擊、繞飛、表面原位探測和巡視探測，以及小行星的采樣返回等。

本文對小行星表面特性與國內(nèi)外的小行星采樣器研究現(xiàn)狀進行了調(diào)研，總結(jié)了國內(nèi)外現(xiàn)有采樣器的特點，并細致對比了各類采樣器之間的差異。

1 國外小行星采樣器研究現(xiàn)狀

1999年2月9日，美國航空航天局（NASA）發(fā)射“星塵號”（Stardust），其主要任務(wù)是采集wild-2彗星的揮發(fā)物質(zhì)和彗星附近的太空物質(zhì)。Stardust由采集器和返回艙組成，其采集器是類似網(wǎng)球拍形狀的結(jié)構(gòu)[1]，如圖1所示。氣凝膠附著在網(wǎng)球拍形狀的結(jié)構(gòu)上，在Stardust高速靠近彗星時收集粒子，采集器兩面的粒子會在氣凝膠中形成圓錐軌跡，使高速運動的粒子減速并逐漸停止，以確定粒子的來源（太空還是彗星）。Stardust于2006年1月15日返航，成功在地球著陸。

圖1 Stardust上的采集器結(jié)構(gòu)

NASA針對火星的探測研發(fā)了火星采樣系統(tǒng)（SAM）。SAM（The Sample Analysis at Mars）對火星上的土壤進行實時分析，其搭載的SMS（Sample Manipulation System）系統(tǒng)是一種搭載了74個采樣容器的欠驅(qū)動三自由度機器人系統(tǒng)，兩個旋轉(zhuǎn)自由度由中心輪轂執(zhí)行器提供[2]，如圖2所示。此外，整套系統(tǒng)不論是在裝配還是在其他方面，都十分注重防范樣品容器的污染問題。

圖2 SMS采樣機構(gòu)

2005年，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)發(fā)射了“隼鳥號”（Hayabusa）對Itokawa小行星進行采樣。Hayabusa采用的是接觸即走（Touch and Go，TAG）的采樣方式[3]，將探測器彈射到小行星表面并捕捉噴射物。當喇叭形圓筒的底端接近小行星表面時，拋射器通過火藥的點火，把質(zhì)量為5 g的鉭彈加速到300 m/s。鉭彈射向小行星表面后，星壤被迫濺射，被濺射起來的星壤只能在喇叭形圓筒這個密閉空間內(nèi)運動，從而被收集進喇叭形圓筒中的樣品儲藏室。采樣原理如圖3所示。

2014年，日本再次發(fā)射采樣返回任務(wù)探測器——“隼鳥2 號（Hayabusa 2）”對小行星“1999JU3”進行采樣。Hayabusa 2于2018年到達目標小行星，計劃于2020年帶著樣品返回地球。它的采樣方式與Hayabusa完全一樣，只不過是將樣品儲藏室由2個空腔改為3個空腔[4]，如圖4所示。

雖然增加了樣品儲藏室的空腔，但仍然攜帶了3個拋射器，進行3次采樣?！蚌励B號”與“隼鳥2號”采樣任務(wù)所使用的射彈彈頭形狀不同，將半球形彈頭改為90°圓錐式彈頭[4]，彈頭90°的設(shè)計會濺射出更多的星壤，有助于收集到更多的樣品。

圖4 樣品儲藏室對比示意圖

2004年歐洲空間局將Rosetta探測器發(fā)射升空，Rosetta搭載了一個Philae著陸器，于2014年11月成功在彗星表面著陸。Philae上帶有錨定裝置，可防止著陸器在彗星表面微重力作用下翻倒或飄走。Rosetta的采樣裝置是一個鉆取機構(gòu)SD2（Sampler Drill and Distribution subsystem），該裝置由電控裝置和鉆取機構(gòu)組成。鉆取機構(gòu)集鉆取和采樣于一體[5]，最大鉆探深度為23 cm，在選定下鉆的深度并完成鉆探后，釋放采樣管進行采樣，同時鉆桿自轉(zhuǎn)，將鉆桿提起，完成采樣過程。采樣及其送樣原理如圖5所示。

圖5 SD2采樣及送樣過程示意圖

不同于Stardust與Hayabusa將樣品帶回地球，Rosetta直接在彗星表面完成分析，并將分析數(shù)據(jù)傳回地球。

歐西里斯（Osiris-Rex）是NASA的一項對Bennu小行星的探測采樣返回任務(wù)，其結(jié)構(gòu)包括飛行器、機械臂和采樣器，其中采樣器即樣品儲存器。Osiris-Rex的采樣器采用氣體激勵的方式[6]，用機械臂上攜帶的氮氣瓶對采樣器進行氣體噴射，經(jīng)由采樣器的導流管，吹起星體表面的土壤，完成采樣，如圖6所示。

在采樣過程中，飛行器以緩慢的速度靠近目標星體，放出采樣器并采集完樣品后，經(jīng)由機械臂帶動將采樣器放回返回艙中，由飛行器帶回地球。

Triple F是歐洲空間局針對彗星的采樣返回任務(wù)。計劃于2018年4月發(fā)射升空，并于2023年中期到達彗星。Triple F任務(wù)飛行器采用的是TAG的飛行形式，計劃在彗星表面不同的位置取樣3次，所以采樣器裝有3個采樣芯管[7]（圖7），并延續(xù)了Philae著陸器的特征，即通過芯管內(nèi)的彈簧裝置將彈射機構(gòu)刺入彗星表面，在取樣完成之后，芯管口有阻擋裝置防止樣品灑落，并將樣品轉(zhuǎn)移冷藏，最后送入返回艙。完成3次采樣后，飛行器攜帶樣品返回地球。

圖6 氮氣激勵采樣器原理示意圖

對世界上典型采樣任務(wù)的目標星體、飛行器的飛行方式、采樣方式等進行匯總，如表1所示。

2 國內(nèi)小行星采樣器研究現(xiàn)狀

我國的深空探測取樣任務(wù)相較于國外起步較晚，目前還處于樣機研發(fā)和理論研究的階段，尚未發(fā)射飛行器去采集小天體表面土壤的樣品。但國內(nèi)已有科研機構(gòu)和高校研發(fā)出采樣器。

北京航空航天大學丁希侖教授團隊研發(fā)了一種多功能的小行星采樣器，主要采用螺旋鉆進的方式對小行星表面松散的土壤和巖石進行采集[8]。鉆進機構(gòu)由旋轉(zhuǎn)電動機和進給電動機驅(qū)動，主要功能是切削土壤巖石，為取樣工作奠定基礎(chǔ)。其中，旋轉(zhuǎn)電動機主要負責控制鉆桿的旋轉(zhuǎn)，步進電動機主要負責控制鉆取的深度。土壤巖石鉆探好后，由安裝在鉆桿內(nèi)部的取樣管對樣品進行取樣，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

氣體激勵式的小行星采樣器是北京衛(wèi)星制造廠有限公司研制的采樣器，其主要由破巖機構(gòu)和氣體激勵采樣模塊組成，如圖9所示。

破巖機構(gòu)主要用于增加巖石的破碎程度，以方便取樣；氣體激勵模塊（圖10）則是利用高壓氣流將星體表面風化層的塵土與破巖碎屑吹進初級封裝容器。該采樣器的氣體激勵模塊是一個圓形空腔，由初級封裝主體、氣流入口和氣流出口組成。入口氣路為1路，流道采用近似一維通道設(shè)計，有利于氣流順暢流通，使收集簡單、可靠[9]。

表1 小天體采樣任務(wù)對比

圖8 鉆進機構(gòu)原理

圖9 氣體激勵式采樣器結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

圖10 氣體激勵模塊組成

綜合國內(nèi)外深空探測經(jīng)驗后發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外普遍采用射彈撞擊式、螺旋鉆取、氣體激勵和巖芯管刺入式等方式進行采樣。這幾種采樣方式需要降落在天體表面完成采樣，采樣時間較長，不能實現(xiàn)多點采樣，且需要將采集到的樣品轉(zhuǎn)移到樣品存儲罐中封裝保存，操作復雜，樣品可能會遺失。另外，目前國內(nèi)外的深空探測采樣器體積都比較大，且結(jié)構(gòu)復雜。隨著深空探測任務(wù)的推進，采樣器的發(fā)展會趨向于體積小、采樣方式簡單、采樣時間短、采樣量大的特點，同時還能實現(xiàn)同一小行星上不同地點的多點采樣模式的建立。