小行星上“挖土”3個探測器各有各的道

文/ 杜駿豪

▲ “隼鳥號”與糸川小行星藝術想象圖

▲ “隼鳥2號”與龍宮小行星藝術想象圖

好奇心是人類的天性，探索萬物是我們的本能。茫茫宇宙有無數的星系等待人類探索，但是受限于人類航天技術的局限性，人類目前唯一的工具——化學燃料火箭與航天器，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的太陽、8大行星、已知的470顆衛星、4143顆彗星和100萬余顆小行星。

截至嫦娥五號任務，人類對這些天體通過飛掠、環繞、著陸、巡視、采樣返回等方式展開過362次探測，這其中，能夠獲取所研究天體的樣本是最直截了當的研究方式，而這往往也是難度最高的。

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

3個探測器探測目標都屬于“阿波羅小行星”，這一類小行星軌道的遠日點在小行星帶，近日點在地球軌道內部，因此與地球軌道相交，相對于其他小行星更容易探訪，也更容易實現取樣返回。

經過這3個探測器的實地考察，發現“糸川”“龍宮”“貝努”這3個小行星質量小且密度低，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器不能像登月著陸一樣穩穩地落在星體表面，因為站不穩，很容易“翻車”。其次，結構松散意味著與小行星接觸時會激起碎石、粉末，若是與探測器本身的關鍵部位發生碰撞，后果不堪設想。所以，這3個探測器的取樣裝置都是一根長長的采樣臂，與小行星接觸時“點到為止”，碰一下就迅速撤離，在碰觸的一瞬間進行采樣工作。在短時間內采取正常的“挖土”方式是不現實的，所以JAXA和NASA的工程師們為探測器設計了精巧的取樣裝置，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

三個探測器的主要參數如下表所示

采樣前的準備

▲ “隼鳥號”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，即使用最好的望遠鏡觀測，看到的也只是一個暗淡的移動亮點，在探測器近距離觀察小行星前，我們對小行星的尺寸、地形、地表形貌、組成成分一無所知。它是規則的球體嗎？表面是細碎的沙礫還是大塊的巖石？表面平坦還是溝壑縱橫？自轉速度快還是慢？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。科學家和工程師只能遵從兼容性較高的探測器設計方案，以將采樣成功率最大化。同時，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”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：項目組精心挑選出的四塊預定著陸采樣點，采樣條件依然一般，難度較大

在到達小行星附近后，這3個探測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（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，計算小行星的重力場分布，同時篩選并初步確定著陸采樣的位置。其中，“隼鳥號”和“隼鳥2號”都是采取伴飛的方式，看起來就像懸停在小行星的某個方位上；而“奧西里斯-雷克斯”采取難度更高的環繞的方式，繞飛高度僅為2千米左右，這也是人造衛星首次長時間環繞如此小的天體運行。因為“奧西里斯-雷克斯”環繞高度比兩代“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，分辨率甚至達到了5厘米。

幸運的是，這3顆小行星尺寸都在預期內，自轉速度完全可以采樣。但是，“隼鳥號”的“糸川”并不是一個球形，而是一個不規則的“土豆”，這為建立其重力場模型帶來了難度。“奧西里斯-雷克斯”的“貝努”表面分布著密密麻麻的大石塊，難以下手。科研人員反復對比、考察，最終才選出來4塊相對安全、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構造、顆粒尺寸，“隼鳥號”還攜帶了一臺地面觀測漫游車“密涅瓦”（MINERVA），它是一個直徑120毫米、高100毫米的圓柱體，重約590克。計劃降落后在“糸川”的表面跳躍移動，以拍攝預期分辨率為1毫米的表面彩色圖像，并測量“糸川”的表面溫度。遺憾的是，“隼鳥號”投放“密涅瓦”時，由于距離“糸川”太遠，“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”釋放的標記球反射出耀眼的光，與“隼鳥號”的影子相映成趣右：“隼鳥2號”底部的5個標記球，中心的白色圓柱體是上文提到的爆炸-撞擊器

“隼鳥2號”吸取“隼鳥號”的經驗，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值的信息。

采樣第一步

采樣是整個小行星取樣返回任務最激動人心的時刻，同時也是風險最大的時刻。探測器在采樣之前已經做了幾百天的前期準備工作，把小行星表面的致命大石塊等不利地形悉數摸清，目的就是在下降采樣過程中能夠避開它們。但是，下降時沒有參照物，依然會有撞上石塊的危險，這可怎么辦？“隼鳥號”“隼鳥2號”與“奧西里斯-雷克斯”的設計者們給出了不同的，但都異常巧妙的方法。

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

▲ 上：“隼鳥2號”的爆炸-撞擊器在撞擊前后的對比圖下：為防止被爆炸飛濺物撞擊，“隼鳥號”在爆炸裝置分離后就飛到了小行星另一側躲避，只分離了一臺叫做DCAM3的相機觀察撞擊過程。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”自然特征追蹤技術示意圖

“隼鳥號”和“隼鳥2號”分別攜帶了3個和5個標記球，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”和“隼鳥2號”降落。

工具相同，“隼鳥號”和“隼鳥2號”的用法可不太一樣。“隼鳥號”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標記球，然后開始跟蹤它，保持標記球位于視野中央，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”一次只能追蹤一顆標記球，且標記球的著陸精度決定了“隼鳥號”的著陸精度。

“隼鳥2號”早在幾個月前就已向預定著陸區附近扔下標記球，然后計算好預定著陸區和標記球的相對位置。在鎖定標記球后下降到標記球正上方的較低高度，再按照計算值平移到預定著陸區上方，然后繼續下降，完成著陸、采樣。這樣的方式可以同時部署多個標記球，但是“隼鳥2號”在實際采樣過程中僅用到了一個標記球就達到了很高的著陸精度。

“奧西里斯-雷克斯”沒有攜帶類似的標記球，它是如何確定自身在著陸過程中的相對位置呢？聰明的工程師就地取材，設計了自然特征追蹤技術（NFT）。換句話說，就是以“貝努”表面的特征石塊為地標，在下降過程中不斷與已經繪制好的小行星表面圖像進行對比，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，也達到了非常高的著陸精度。

相比“隼鳥號”和“隼鳥2號”，“奧西里斯-雷克斯”的這種定位方式不需要攜帶額外的標記球，把寶貴的載荷質量分配給其他科研儀器。但是，“隼鳥號”和“隼鳥2號”的標記球也有其優點，在投擲它們的過程中，通過觀察定位球軌跡的變化，可以優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”還攜帶了上文提到的爆炸-撞擊器，它成功地在“龍宮”表面炸出了一個直徑10多米的人造撞擊坑，暴露出來內部深色的深層物質。這使“隼鳥2號”成功采集到了小行星較深層的礦石樣品。“隼鳥號”和“奧西里斯-雷克斯”卻只能采集小行星表面的樣品，對較深的物質只能束手無策。

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。在整個接近10年的任務跨度中，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”第二次采樣，左：采樣4秒前，右：采樣4秒后，表面由鉭質子彈激起大量碎石

▲ “奧西里斯-雷克斯”唯一一次采樣，左：采樣前，右：采樣后，表面由高壓氮氣激起大量碎石

“隼鳥號”和“隼鳥2號”采取相同的取樣方式：在接觸的一兩秒鐘內向小行星表面發射一枚金屬鉭子彈，激起小行星表面的碎石，部分飛起的碎石濺入收容艙內，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與小行星表面物質混淆，鉭質子彈射出速度可以達到300 米/秒，可以激起足夠的表面樣品，表面的樣品經過采樣臂內壁的反射，少量的樣品可以成功上升到樣品收容艙的高度，進入反射板完成采樣。

▲ “隼鳥號”與“隼鳥2號”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”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”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氣將樣本吹起。選擇氮氣的目的與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。“奧西里斯-雷克斯”進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，在高壓氮氣的吹拂下，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，探測器都會迅速遠離小行星，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”的氮氣吹拂方法，“隼鳥號”與“隼鳥2號”的采樣方式獲取的樣本質量較小。“隼鳥號”僅獲得了極微量的微粒，“隼鳥2號”獲得了5.4 克樣品，而“奧西里斯-雷克斯”計劃得到60 克樣品，實際采集到的樣品遠遠多于60 克，甚至樣品在采樣頭內滿到不斷地溢出來。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，人工設計的氮氣通路使吹起的大部分樣品都飛向樣品收容艙，從而積累大量樣品；對比來看，“隼鳥號”與“隼鳥2號”的樣品收容艙距離小行星表面還有一定的距離，只有極少量幸運的樣品能夠經過多次反彈上升到這一高度，進入樣品收容艙，大量被激起的樣品沒有機會被收集到，有的落回小行星表面，有的飛向幽暗無際的空間。

▲ 左：“隼鳥號”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”采集到的樣本，只有紅色箭頭所指的微粒是小行星樣本，藍色箭頭所指的是探測器本身的人造物質微粒

▲ “隼鳥2號”的樣品分離貯存原理（圖源：JAXA，圖片經過修改、翻譯）

“奧西里斯-雷克斯”可以進行多次采樣，以獲得足量的樣本。原本計劃在每次采樣后，都會測量探測器本身旋轉時的慣性矩分布變化來計算獲得樣品的質量。但是“奧西里斯-雷克斯”經過這一次采樣后，科學家們可以斷定“奧西里斯-雷克斯”已經獲得了足夠量的樣本，無需進行樣本質量的測量。如果進行測量，旋轉起來還可能會泄漏更多的樣品，因此他們直接取消了這一步驟，并取消了接下來幾次取樣，直接進行樣本的封裝，采樣成功，干脆利落，等待返航。

“隼鳥號”“隼鳥2號”的樣品封裝過程與“奧西里斯-雷克斯”有所不同。“奧西里斯-雷克斯”不能進行樣品的分類，也就是說如果“奧西里斯-雷克斯”進行多次采樣的話，所有樣品都會混雜在一起，難以區分。“隼鳥2號”前后兩次分別采集到了“龍宮”表面、深層的樣品，倘若混雜，其科研價值將會大大降低。對此，JAXA的科研人員巧妙地設計了具有分區功能的收納艙。“隼鳥號”有2個分區，“隼鳥2號”有3個分區。在每次采樣時，樣品只能進入開啟的分區，從而實現不同樣品的分離貯存，設計精巧，令人叫絕。

▲ “奧西里斯-雷克斯”樣品封裝的過程，整個封裝過程穩扎穩打，按部就班地持續了兩天。當返回艙嚴絲合縫地關閉時，每一個人都如釋重負

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”已經于2010年6月13日成功著陸澳大利亞南部的沙漠中。“隼鳥2號”于2020年12月6日著陸于同一沙漠。“奧西里斯-雷克斯”也已經圓滿完成采樣工作，它將在2021年3月離開 “貝努”，返回地球，預計在2023年9月24日在美國猶他州的沙漠著陸。

“隼鳥號”“隼鳥2號”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。

作為世界上第一個小行星取樣返回任務，在本世紀初設計、建造的“隼鳥號”以其大膽的設計理念、超前的任務規劃與數次絕處逢生的頑強精神給人以深刻的印象，它的故事也被拍成了電影《隼鳥號：遙遠的歸來》，至今依舊給人以精神上的鼓舞。

“隼鳥2號”吸收了“隼鳥號”的經驗，它也使用標記球作為“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晶，在整個任務過程中盡情直行、無往不利、一帆風順，是一個性價比非常高的成功任務。

▲“隼鳥2號”返回照片，工作人員穿著防爆服，因為返回艙分離時可能殘留有火藥

▲“隼鳥2號”返回艙實物

“奧西里斯-雷克斯”借助更加強大的運載火箭，體積與質量更勝一籌，因此攜帶了數量更多、性能更強大的儀器。它獨特的自然特征追蹤技術使著陸精度極高，高壓氮氣吹拂采樣的方式極有效率，獲得了遠多于前兩個任務的小行星樣本，是目前為止小行星探測領域的高峰。

預計在2022年5月，中國自己的小行星探測器（初步命名為“鄭和號”）將要前往小行星2016HO3執行取樣返回任務。預計2024年11月會帶回中國人自己的小行星樣本。之后探測器還會飛向主帶彗星133P展開繞飛探測。這一激動人心的任務細節我們暫不得知，但是我們相信這將是一次史無前例的小行星探測任務。待來日，去星辰大海，九天翱翔！