走，去小行星取樣

2020年7月23日，天問一號火星探測器從海南文昌航天發射場順利發射升空。2021年5月15日成功實現我國首次火星著陸，標志著我國太空探索正式踏出地月系，向更遠的深空進發，我國也因此成為繼美國后第二個令探測器成功著陸火星的國家。2025年，我國即將進行第一次小行星取樣返回任務，該任務由天問二號執行，計劃實施近地小行星2016HO3取樣返回和小行星帶中的主帶彗星311P環繞探測任務。

2016HO3是一顆地球共軌天體，同時環繞太陽和地球運轉，雖然它僅有一個足球場大小，但過去百年甚至未來數百年內，它都會以現有模式在地球周圍運行，所以非常適合進行探測。311P是小行星帶中的主帶彗星，科學家推測，地球上的水可能來自小行星帶中的含水類彗星，因此天問二號探測任務將助力人們探索太陽系的演化和生命起源。

天問二號將通過一次發射、探測兩類目標（近地小行星探測與取樣返回，主帶彗星繞飛探測）、實現三種探測模式（近距離探測、附著、采樣），達成探測領域和核心技術的全面性突破，使我國小天體探測達到國際同期先進水平。

為何要去小行星探測和取樣

小天體包括小行星和彗星。小行星是指太陽系內類似行星環繞太陽運動，但體積和質量比行星小很多的天體。目前已確認的近地小行星有兩萬多顆。彗星是指進入太陽系內，亮度和形狀隨日距變化而變化的繞日運動天體；其中，主帶彗星是指運行在火星與木星軌道間的小行星帶內的彗星。小天體普遍形成于太陽系早期，由于沒有大氣層，小天體上的隕石坑和外來元素得以更好地保存，是研究太陽系起源的“活化石”，科研人員可以借此對太陽系的演化進行深入研究。

20世紀90年代前，人類實施的小天體探測任務均為飛越探測；90年代后，人類又實施了9次小天體（小行星6次，彗星3次）探測任務。這9次探測中，美國執行了6次、歐洲航天局執行了1次、日本執行了2次，其中3次為采樣返回。

小天體探測任務的主要目的有兩方面：一是通過研究小天體的結構獲取太陽系早期演化信息，探索太陽系形成的奧秘；二是研究如何應對可能對地球造成重大威脅的小行星撞擊事件。

不久前，“編號2024 YR4的小行星可能會在2032年撞擊地球”的消息在社交媒體廣為流傳。根據目前觀測，雖然小行星2024 YR4的大小與“殺手級”小行星相差甚遠，但其危害性仍不容忽視。由于小行星進入大氣層的速度非常快，即便是體積相對較小的小行星與地球相撞，也可能會造成區域性破壞。2013年，一顆直徑20米的小行星在俄羅斯車里雅賓斯克上空進入大氣層，并在空中爆炸，其釋放的能量損壞了當地7000多座建筑物，造成1000多人受傷。目前，人們還未掌握小行星2024 YR4的外形尺寸和運行軌跡，如果確認它是一顆巖石小行星，且直徑大于30米，那一旦與地球發生撞擊，影響范圍可能會擴展到數十千米。目前，不少國家都在著手組建近地小行星防御系統，以應對近地小行星撞擊威脅。

正是因為小天體探測意義重大，所以部分國家很早就開展了對地外小天體的探測任務。在我國制定小行星探測任務前，國際上小天體探測已有30多年歷程。不過，小天體探測任務周期長、技術難度高，需要解決航天器長時間飛行、器地長距離通信等問題，可謂挑戰巨大。

20世紀90年代后，人類實施了9次小天體探測任務，其中6次為小行星探測，探測模式主要有飛越、繞飛、撞擊、著陸和返回5種。1991年，美國發射的伽利略號木星探測器對小行星951 Gaspra進行了飛越探測，獲得了這顆小行星的第一張高分辨率照片，這是人類航天探測器探測到的第一顆小行星。2002年，發射于1999年的美國星塵號探測器曾飛越小行星5535 Anne Frank。2003年，日本成功發射隼鳥號探測器，經過兩年多的飛行，隼鳥號兩次短暫著陸小行星25143 Itokawa（小行星糸川）。2014年，日本成功發射隼鳥2號探測器，成功完成對小行星162173 Ryugu（小行星龍宮）的采樣返回任務。2007年，美國成功發射黎明號探測器，對小行星灶神星與矮行星谷神星進行了繞飛探測。2016年，美國成功發射歐西里斯號探測器，成功完成對小行星1999 Bennu（小行星貝努）的采樣返回任務。

在小行星探測和采樣領域，美國和日本已經走到了前列，如果天問二號成功執行任務，我國就會成為第三個完成小行星取樣返回的國家，這十分令人期待。

最初的“星塵”

1999年2月7日，美國國家航空航天局（NASA）成功發射星塵號探測器，主要探測目標是維爾特2號彗星。這是一顆運行在火星和木星之間、直徑約5.4千米的彗星，絕大部分原始塵埃和氣體保存完好，研究維爾特2號有助于推進太陽系起源等基礎性問題的研究。

星塵號的主體結構長1.6米、寬0.6米、高0.6米，全重約285千克。配備光學導航相機、塵埃通量監測器、塵埃光譜儀/粒子撞擊分析儀和振動聲學傳感器等載荷，裝載了一個直徑0.8米、重46千克的短錐形樣本返回艙。采樣期間，槳形樣本采集盤會從返回艙中伸出，并在不使用時收回到返回艙內。

在發射升空近三年后，星塵號首先于2002年11月2日飛越了小行星5535 Anne Frank。與這顆小行星“相遇”主要是為了對星塵號和地面操作進行工程測試，為后續探測維爾特2號做準備。2003年12月31日，星塵號進入維爾特2號的彗發區域，隨后于2004年1月2日在距離其約250千米處進行了飛越。飛越維爾特2號期間，星塵號部署了一個網狀采樣器，以收集彗發中的塵埃顆粒樣本。同時，星塵號上的光學傳感器拍攝了72張維爾特2號的圖像。

2006年1月15日，星塵號的樣本返回艙與探測器主體分離，順利進入地球大氣層。通過氣動減速和減速傘減速后，返回艙在位于美國猶他州沙漠的美國空軍試驗與訓練靶場內著陸。這是人類太空探測史上第一次獲取彗星物質和星際塵埃樣品。星塵號所采集到的樣本代表著太陽系形成時期的原始物質，科研人員將對這些樣本進行詳細的元素、同位素、礦物學、化學及生物成因特性等分析。

星塵號探測器在釋放返回艙后繼續執行拓展任務。2011年2月14日，它飛越坦普爾1號小行星。這顆小行星曾是深度撞擊號探測器的目標，該探測器于2005年7月4日向坦普爾1號表面發射了一個撞擊器。星塵號對坦普爾1號小行星的探測，旨在尋找撞擊坑變化的跡象，并進一步擴大測繪范圍。

飛向小行星的“隼鳥”

日本深空探測起步于20世紀80年代，先后發射了哈雷衛星探測器、飛天號月球探測器、希望號火星探測器。2003年5月9日，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）發射了隼鳥號小行星探測器。此次探測之旅歷盡坎坷：在發射升空4個月后，隼鳥號的一臺推進器因故障關閉；隨后，探測器遭遇太陽耀斑，導致太陽能電池板受損、發電能力下降；后又遇到姿態控制系統X軸動量輪失效問題。

經過兩年多的飛行，隼鳥號于2005年9月接近探測目標小行星糸川，隨后通過減速對糸川進行環繞飛行，逐步縮小與其的距離。經過兩個月的減速和繞飛，隼鳥號于11月20日進行首次著陸嘗試，但由于突然斷電、探測器失控而嘗試失敗。11月26日，隼鳥號進行第二次著陸嘗試，但僅僅與糸川短暫接觸了一秒，期間還出現推進器推力下降等問題。

和星塵號不與探測目標接觸、僅收集探測目標散發出的塵埃顆粒樣本不同，隼鳥號是通過物理碰撞來使小行星表面物質飛入采樣器中的。所以，雖然隼鳥號與糸川僅僅接觸了一秒，但已成功完成了采樣。

采樣完成后的幾日，隼鳥號與地球失聯又復聯。經過一系列調整后，終于于2007年4月25日踏上了返回地球的航程。2010年6月13日，隼鳥號與返回艙分離，探測器主體進入大氣層并燒毀，返回艙則順利降落在澳大利亞。

隼鳥號成功返回地球并帶回了采集自小行星的樣本，這一事件引起巨大轟動，對于開展后續探測任務的呼聲也越發高漲。2012年1月，JAXA批準了隼鳥2號的研發計劃，該任務目標是對小行星龍宮進行探測與取樣返回。

隼鳥2號的總體設計延續了隼鳥號，但對其科學探測能力進行了大幅改進，最主要的改進集中在可靠性方面。例如，由于隼鳥號的三組動量輪中有兩組遭受到損壞，因此隼鳥2號搭載了四組動量輪，且最后一組會留存備用直到著陸。根據隼鳥號的經驗，即使隼鳥2號只剩一組動量輪，也可以用它和太陽光壓進行姿態控制。另外，通過在現有的X波段天線中追加新的可進行Ka波段高速通信的平面天線，能夠提高隼鳥2號整體的高速通信速度。

隼鳥2號依然采用“一觸即離”的采樣方式。隼鳥號發射的射彈為子彈型；隼鳥2號的射彈改為圓錐型，因為圓錐型射彈能夠讓探測器更有效地采樣。與前代相比，隼鳥2號增加了即使不發射射彈也能鉤住、抬起樣品而完成采樣的結構，還配備了用來拍攝采樣管頂端的相機。

總的來說，作為一臺小行星探測器，隼鳥2號的科學載荷是比較多樣的，包括光學導航相機、近紅外相機、熱紅外相機、激光雷達、采樣裝置、撞擊器和分離相機以及四個小型巡視器。

2014年12月3日，隼鳥2號成功發射。2018年2月26日，隼鳥2號到達距離龍宮約130萬千米的位置，并為其拍攝了照片；6月27日，到達距離龍宮上空約20千米的位置，并進行環繞飛行觀測；9月21日，向龍宮成功投放了兩臺巡視器，巡視器落地后在龍宮地表跳躍移動，將拍攝的照片發回隼鳥2號，再回傳給地球。

2019年2月22日，隼鳥2號開始進行第一次采樣。在完成“一觸即離”方式著陸龍宮后，隼鳥2號將一顆鉭質子彈射向龍宮表面，撞擊產生的小行星表層碎屑被成功收集進采樣桿頂部的樣本收集器。

2019年4月5日，隼鳥2號開始進行第二次采樣。它向龍宮表面投下了一個載有炸藥的撞擊器，撞擊器在空中引爆炸藥，將一個“炮彈”高速撞向龍宮，巨大的撞擊在其表面留下了一個深約3米的撞擊坑。為躲避撞擊產生的碎片，隼鳥2號提前飛到龍宮背后的安全地帶，之后展開第二次采樣。此次采樣任務所使用的撞擊器，其原理源自用于攻擊坦克的末敏彈，這也是此類裝置首次被用于小行星探測。

2020年12月6日，隼鳥2號樣品返回艙成功在澳大利亞伍麥拉試驗場降落，獲得了總重約5克的龍宮樣本。這是人類首次采集到小行星次表層樣本，也是人類首次在小行星上成功完成多次著陸、采樣。由于隼鳥2號還剩余不少推進劑且科學載荷狀態良好，因此日本決定讓它繼續探索旅程，并計劃在2026年飛越小行星2001 CC21、在2031年抵達小行星1998 KY26。

小行星龍宮的直徑約為1千米，兼具C型小行星和B型小行星的性質，是一個體積較大、顏色黯淡的天體。龍宮圍繞太陽的公轉周期為474天，和地球的最小軌道距離僅有95400千米，兩者幾乎擦肩而過，這也是龍宮格外受人們關注的原因之一。與隼鳥號的觀測對象糸川不同，龍宮是一顆原始的碳質近地小行星，主要組成成分是碳和少量的硅酸鹽，表面地質年齡只有約890萬年，表面為多孔結構，地表的大量巨石是母體小行星曾經發生過災難性分裂的證據。JAXA的科學家認為，龍宮實際是一堆碎石，其體積的一半都是空腔。通過研究龍宮，人們可以獲得更多關于太陽系內行星形成和演化的知識，探究地球生命的起源。

歐西里斯號探測器

2016年9月8日，NASA成功發射歐西里斯號探測器，經過近兩年的飛行后，歐西里斯號成功抵達小行星貝努，開始對其進行環飛探測，并傳回了貝努的清晰圖像。

由于此次是美國首次對小行星進行直接采樣，因此NASA對于歐西里斯號與貝努接觸和采樣的過程十分慎重。在歐西里斯號經過一年多的伴飛、觀測后，NASA團隊最終從4個采樣點中選出了1個。2020年10月20日，歐西里斯號在貝努的南丁格爾采樣點成功著陸，探測器上搭載的機械臂收集到了約121克的貝努表面樣本。這是NASA首次成功從小行星上采集樣本。

在完成了姿態調整、樣本轉移和軌跡修正后，2023年9月24日，歐西里斯號返回艙成功降落在猶他州鹽湖城附近的沙漠。由于探測器主體仍有動力且科學載荷運行良好，所以歐西里斯號將繼續執行其他探測任務，一切順利的話，它將于2029年與小行星阿波菲斯相遇。

小行星貝努是一顆富含碳的“碳粒隕石”，形成于太陽系早期，距今已超過45億年，由于它一直沒有受到干擾，所以可能保留著太陽系形成初期的原始物質。貝努也被認為是有可能撞擊地球的小天體之一，了解它的物理特性，將有助于人們更好地組建小行星防御系統，應對潛在的天體撞擊危機。

目前，科研人員驚喜地發現，貝努樣本中不僅含有地球上構成DNA和RNA的全部5種堿基，還包含了14種氨基酸。此外，科研人員還在貝努樣本中發現了原始的“鹽”和甲醛。這些都表明，在遙遠的太空中，存在著適合孕育生命的環境。隨著研究的深入，人們將更好地了解太陽系的形成和演化，掌握更多地球生命起源的信息。

【責任編輯】諶 燕