“奧西里斯-雷克斯”采樣：吹氣+吸塵器式

文/ 遲惑

2016年，美國宇航局發射了奧西里斯-雷克斯探測器前往“貝努”小行星。與“隼鳥號”選擇的堅硬目標不同，“貝努”是一顆松散結構的小行星，質地不算很軟也不算很硬。于是美國宇航局為它設計了一種奇怪的采樣方式，簡單說就是“吹”加“吸”。

工作過程

“奧西里斯-雷克斯”的采樣過程，看起來充滿了上世紀六七十年代科幻動畫片的風格。在探測器上，除了各種遙感儀器之外，最重要的就是一個采樣機械臂。它有一個復雜的名字，叫做“接觸和前進樣品獲取機構”，簡稱TAGSAM。TAGSAM 長約11 英尺（3.35 米），有3 個關節，圓盤型的樣本采集頭在最前面。在飛行過程前期，TAGSAM 都處在收攏狀態。

在采樣期間，TAGSAM 沿著探測器的質心將采樣盤伸出去，距離有效載荷安裝面3 米左右。當采樣盤接觸到小行星表面時，機械臂內部的彈簧起到一定的緩沖作用，然后觸發機械臂上的微動開關，監控接觸加速度，共同確定采樣盤是不是與表面接觸了。一旦確認，計算機就會啟動氮氣瓶噴射。

采樣盤的結構是氣管在外、收集槽在內。氮氣從氣管噴出，垂直吹到小行星表面，把土壤和石子顆粒吹起來，強迫它們頂開收納槽表面的聚酯薄膜，進入收納槽內部。收納槽外圓周上設置了孔徑只有38 微米的不銹鋼篩網，氣體可以通過，但土石樣品無法通過。這樣可以有效收集塵埃尺寸的表土。

▲“奧西里斯-雷克斯”的采樣方式模擬圖

▲“奧西里斯-雷克斯”的采樣盤模擬圖

在地球上的試驗期間，人們發現，這種設計只要1 秒鐘就可以收集足夠的樣品。根據設計，TAGSAM 可以采集150 克樣品。其實科學家們只想要60 克就夠用了，因此TAGSAM 采樣成功的標準就是60 克。在地面測試期間，TAGSAM 達到的最大采集質量紀錄為1.9 千克。

▲“奧西里斯-雷克斯”的工程師在檢查采樣機械臂

▲“奧西里斯-雷克斯”的接近相機

采樣過程

因為距離遙遠，所以地面控制團隊和“奧西里斯-雷克斯”之間沒有辦法直接通信，各種操作只能是由探測器自主完成。在一些關鍵節點上，需要團隊發送指令，但是收到反饋要等很久。這也成為深空采樣的一個最主要困難。

2018年10月17日，“奧西里斯-雷克斯”丟掉了TAGSAM 的頂蓋；10月25日觸發了爆炸螺栓，將TAGSAM從收納狀態施放出來；11月14日，TAGSAM 首次完全伸展開來，完成了各項測試。但這時距離真正的采樣還遠。

對“貝努”小行星的探測工作總體上稱為“近距離作業”，采樣工作是其中的一部分。“近距離作業”階段于2018年11月開始，包括以下子階段：初步勘測，軌道A 機動，詳細勘測，軌道B 機動，測繪，TAGSAM 采樣預演，TAGSAM 實施。測繪階段之前的所有階段，都是為了不斷深化對“貝努”表面的測量，最終為TAGSAM 采樣服務。

因為距離地球遙遠，一旦失敗沒有補救的機會，所以在真正采樣之前，任務小組還是進行了一些預演。

▲“奧西里斯-雷克斯”發射升空

第一次預演被稱為“檢查點”，主要是把“奧西里斯-雷克斯”從繞飛軌道過渡到采樣軌道。具體內容包括獲取導航圖像、激光雷達測距和制導導航控制，將TAGSAM 部署到采樣位置，以及實現導航所需姿態。這次預演僅僅接近到“貝努”表面125 米的位置，然后發動機點火，返回繞飛軌道。之后，“奧西里斯-雷克斯”將所有導航數據傳輸到地球，供任務小組確認距離、速度、姿態、事件序列等是否正確。

第二次預演稱為“匹配點”，不但要重復“檢查點”預演的所有步驟，還要執行以下操作：發動機開啟，將探測器送入前往“貝努”表面的下降軌道，然后再次推進，讓探測器與小行星旋轉速率匹配，并緩慢下降到“貝努”表面。執行上述動作后，探測器再次推進，返回繞飛軌道。這項操作完成后，同樣需要把數據全都傳回地球。

兩次預演取得成功后，2020年10月13日和17日，“奧西里斯-雷克斯”進行了最后定相推進，微調自己和“貝努”的相對位置，以便在接觸采樣的那一天實施軌道偏離機動，機動速度僅有0.5 毫米/秒。10月19日，任務控制小組上傳了接觸采樣動作的最終命令。

按照計劃，“奧西里斯-雷克斯”按照預演的程序，先脫離繞飛軌道，進入下降軌道，接近“貝努”表面的過程中，利用激光雷達等手段實施制導導航控制。當采樣盤接觸到小行星表面時，從采樣機械臂的一個高壓氣瓶中噴射高純度氮氣，把“貝努”表面的物質吹起來。噴射會持續5 秒，采集了足夠多樣品后，發動機再次點火，奧西里斯-雷克斯離開“貝努”表面回到繞飛軌道。

▲“奧西里斯-雷克斯”拍攝到的“貝努”表面

按計劃，這時候要實施兩次采樣稱重活動，看看到底采集了多少樣本。

兩次稱重方法并不一樣，但都充滿了奇思妙想，看上去就像做廣播體操一樣。

第一次稱重是“伸臂運動”，把機械臂高高舉過頭頂，讓陽光照進采樣盤里。然后對采樣盤內部拍照，通過求陰影面積來測定采樣質量。因為舉起機械臂的動作很慢，人們倒是不擔心把樣品掄飛出去，而是比較擔心陽光會不會對樣品造成破壞。計算表明，當“貝努”距離太陽不足1.15 個天文單位時，陽光照射的升溫可能超過75 攝氏度，有一定風險。如果“貝努”距離太陽1.15~1.25 個天文單位，升溫超過75 攝氏度的風險依然存在，但相對較低。進一步分析表明，如果在2020年7月進行采樣，那么太陽光會以30 度角入射采樣盤。此時，雖然“貝努”和太陽的距離在1.15~1.25 個天文單位之間，但由于入射角很小、采樣盤邊緣可以起到一定遮擋作用，因此升溫不會超過75 攝氏度。如果“貝努”距離太陽超過1.25 天文單位，那么無論什么入射角度，陽光都不會造成升溫太多。

采集到的樣品如果太少，可能會完全處在采樣盤邊緣造成的陰影中，無法被有效測量。所以，任務小組還設計了一個“轉體運動”。

▲ 技術人員在檢查“奧西里斯-雷克斯”的返回艙

▲ 建造中的“奧西里斯-雷克斯”

一旦采樣完成，就要把樣品裝進返回艙里。“奧西里斯-雷克斯”的返回艙和多數載人飛船一樣，由圓臺形本體和防熱大底組成，但是它的防熱大底能夠向上掀起。機械臂把采樣盤直接放進返回艙里，然后大底合攏扣緊，看起來很像老款科幻動漫的設計。為了確保這個過程正常，“奧西里斯-雷克斯”上還安裝了一個攝像機，監視整個過程。樣品進入返回艙后，探測器就完成了工作，進入軌道飛行準備，運行到變軌點后啟動發動機返回地球軌道。

雖然設計了這么多看起來很完善的措施，但宇宙當中充滿了未知。采樣失敗的風險到底有多大，連設計師們都無法預測。因此，如果通過陽光測量和轉動慣量測量發現沒有弄到樣品，就再試一次，一共有3 次機會。為此，探測器上設計了相關的燃料余量、時間余量和壽命余量，還設計了3 個獨立的氮氣瓶。

吸得太多了？

2020年10月22日，“奧西里斯-雷克斯”的采樣活動已經過去兩天了，但是任務小組才剛剛收到有關圖像。結果是令人滿意的，采集到了至少60 克小行星表面材料，星際地質學家們已經迫不及待了。

▲ 正在測試的“奧西里斯-雷克斯”

▲ 準備發射的“奧西里斯-雷克斯”

▲ 設計師展示“奧西里斯-雷克斯”的采樣盤

美國宇航局負責科學的副局長托馬斯g 祖爾布欽說：“我們非常激動地看到，似乎有豐富的樣本，它們將在今后的幾十年里不斷激發科學的靈感?！?/p>

“奧西里斯-雷克斯”按計劃實施了第一次“伸展運動”。任務小組一共收到了3 幅圖像，顯示TAGSAM 頭部布滿了從“貝努”上收集的巖石和灰塵，看起來采樣機構工作正常。不過圖像顯示，新的麻煩出現了。其中一些樣品顆粒正在慢慢脫離采樣器頭部。這主要是因為采集的樣品太多了，一些顆粒把采樣器頭部的聚酯薄膜瓣略微頂開，漏出去了。這可能是因為樣品中有一些比較大的石子，薄膜鎖不住它們。

既然薄膜沒有把樣品鎖住，那么動作太大可能就會把樣品撒進宇宙里，顆粒無收。于是任務小組決定放棄原定于10月24日進行的樣品質量測量活動，也就是那個“轉體運動”的過程，還取消了原定于第二天進行的制動推進，盡量減少對航天器的任何加速度。全部工作重點集中到如何把樣品安全放進返回艙（SRC）上。只要放進去并且密封，這些樣品就算是安全了。

既然實施了那么多次地面測試，為什么還是會發生意外？根據任務團隊分析，這很有可能是因為“貝努”的結構比預想的要松散，采樣頭并不是浮在小行星表面進行吹吸動作的，而是直接插進土壤里好幾厘米。這樣，高壓氮氣瓶打開之后，吹起來的表面物質遠遠不止60 克，超過了容納能力。或許，“奧西里斯-雷克斯”設計一個抓斗就足夠了，不需要吹吸這么復雜的方式。

到2020年11月2日，任務小組總算可以放下心來了。“奧西里斯-雷克斯”返回的數據顯示，10月28日，它成功地把樣本送進返回艙并密封好，可以開始后續工作了。2021年3月，“奧西里斯-雷克斯”啟程返航，將于2023年9月24日把返回艙送回地球?！?/p>