小行星上“挖土”3个探测器各有各的道

文/ 杜骏豪

▲ “隼鸟号”与糸川小行星艺术想象图

▲ “隼鸟2号”与龙宫小行星艺术想象图

好奇心是人类的天性，探索万物是我们的本能。茫茫宇宙有无数的星系等待人类探索，但是受限于人类航天技术的局限性，人类目前唯一的工具——化学燃料火箭与航天器，还不足以支撑人类去探索光年之外无尽的宇宙。目前，人类所能够接近的只有太阳系内的太阳、8大行星、已知的470颗卫星、4143颗彗星和100万余颗小行星。

截至嫦娥五号任务，人类对这些天体通过飞掠、环绕、着陆、巡视、采样返回等方式展开过362次探测，这其中，能够获取所研究天体的样本是最直截了当的研究方式，而这往往也是难度最高的。

相比122次月球探测（截至“嫦娥五号”任务）和52次火星探测任务（截至“毅力号”任务），针对这接近100万颗小行星的探测任务屈指可数，而小行星采样返回任务只有3个，分别是日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的“隼鸟号”“隼鸟2号”和美国宇航局（NASA）的“奥西里斯-雷克斯”。

3个探测器探测目标都属于“阿波罗小行星”，这一类小行星轨道的远日点在小行星带，近日点在地球轨道内部，因此与地球轨道相交，相对于其他小行星更容易探访，也更容易实现取样返回。

经过这3个探测器的实地考察，发现“糸川”“龙宫”“贝努”这3个小行星质量小且密度低，换句话说就是一堆积攒起来的碎石渣，这为取样返回增加了不少难度。首先，引力过小意味着探测器不能像登月着陆一样稳稳地落在星体表面，因为站不稳，很容易“翻车”。其次，结构松散意味着与小行星接触时会激起碎石、粉末，若是与探测器本身的关键部位发生碰撞，后果不堪设想。所以，这3个探测器的取样装置都是一根长长的采样臂，与小行星接触时“点到为止”，碰一下就迅速撤离，在碰触的一瞬间进行采样工作。在短时间内采取正常的“挖土”方式是不现实的，所以JAXA和NASA的工程师们为探测器设计了精巧的取样装置，我们一一道来。

▲ “奥西里斯-雷克斯”在贝努小行星表面采样想象图

三个探测器的主要参数如下表所示

采样前的准备

▲ “隼鸟号”拍摄的糸川小行星，距离约7 千米

小行星距离地球过于遥远，即使用最好的望远镜观测，看到的也只是一个暗淡的移动亮点，在探测器近距离观察小行星前，我们对小行星的尺寸、地形、地表形貌、组成成分一无所知。它是规则的球体吗？表面是细碎的沙砾还是大块的岩石？表面平坦还是沟壑纵横？自转速度快还是慢？这些未知的因素在无形中影响着小行星采样的难度，是“薛定谔的猫”般的存在。科学家和工程师只能遵从兼容性较高的探测器设计方案，以将采样成功率最大化。同时，他们也只能祈求选择的这颗小行星的条件适合着陆采样了。

▲ “隼鸟2号”拍摄的龙宫小行星，距离约20 千米

▲ 左：“奥西里斯-雷克斯”拍摄的贝努小行星，距离约13 千米右：项目组精心挑选出的四块预定着陆采样点，采样条件依然一般，难度较大

在到达小行星附近后，这3个探测器都先为所探索的小行星拍摄地表全图，并通过激光高度计（LIDER）为小行星建立三维模型，以供科研人员初步了解这颗小行星的信息，计算小行星的重力场分布，同时筛选并初步确定着陆采样的位置。其中，“隼鸟号”和“隼鸟2号”都是采取伴飞的方式，看起来就像悬停在小行星的某个方位上；而“奥西里斯-雷克斯”采取难度更高的环绕的方式，绕飞高度仅为2千米左右，这也是人造卫星首次长时间环绕如此小的天体运行。因为“奥西里斯-雷克斯”环绕高度比两代“隼鸟”的伴飞高度低，所以“奥西里斯-雷克斯”获得的“贝努”表面全图更加清晰，分辨率甚至达到了5厘米。

幸运的是，这3颗小行星尺寸都在预期内，自转速度完全可以采样。但是，“隼鸟号”的“糸川”并不是一个球形，而是一个不规则的“土豆”，这为建立其重力场模型带来了难度。“奥西里斯-雷克斯”的“贝努”表面分布着密密麻麻的大石块，难以下手。科研人员反复对比、考察，最终才选出来4块相对安全、最适宜采样的地形。

为了能在着陆前近距离观察小行星表面的地质构造、颗粒尺寸，“隼鸟号”还携带了一台地面观测漫游车“密涅瓦”（MINERVA），它是一个直径120毫米、高100毫米的圆柱体，重约590克。计划降落后在“糸川”的表面跳跃移动，以拍摄预期分辨率为1毫米的表面彩色图像，并测量“糸川”的表面温度。遗憾的是，“隼鸟号”投放“密涅瓦”时，由于距离“糸川”太远，“糸川”引力又过于微弱，“密涅瓦”未能成功着陆，而是逃逸到了无垠的太空中。

▲ 左：ROVER 1B第一次着陆时拍摄的地表图像；右：ROVER 1B跳跃一次后拍摄的地表图像

▲ 左：“隼鸟号”释放的标记球反射出耀眼的光，与“隼鸟号”的影子相映成趣右：“隼鸟2号”底部的5个标记球，中心的白色圆柱体是上文提到的爆炸-撞击器

“隼鸟2号”吸取“隼鸟号”的经验，一口气带了3部“密涅瓦-2”小型漫游车（MINERVA-II1 ROVER 1A、MINERVA-II1 ROVER 1B和MINERVA-II2 ROVER 2），以及1部小着陆器“吉祥物”（MASCOT）。这一次任务中的漫游车和着陆器全部成功着陆，并且传回了非常清晰的表面图像，为接下来的表面采样工作提供了很有价值的信息。

采样第一步

采样是整个小行星取样返回任务最激动人心的时刻，同时也是风险最大的时刻。探测器在采样之前已经做了几百天的前期准备工作，把小行星表面的致命大石块等不利地形悉数摸清，目的就是在下降采样过程中能够避开它们。但是，下降时没有参照物，依然会有撞上石块的危险，这可怎么办？“隼鸟号”“隼鸟2号”与“奥西里斯-雷克斯”的设计者们给出了不同的，但都异常巧妙的方法。

▲ 左：“隼鸟号”采样示意图；右：“隼鸟2号”采样示意图（图源：JAXA，图片经过修改、翻译）

▲ 上：“隼鸟2号”的爆炸-撞击器在撞击前后的对比图下：为防止被爆炸飞溅物撞击，“隼鸟号”在爆炸装置分离后就飞到了小行星另一侧躲避，只分离了一台叫做DCAM3的相机观察撞击过程。左右分别为撞击前14 秒和撞击后3 秒拍摄的照片

▲ “奥西里斯-雷克斯”自然特征追踪技术示意图

“隼鸟号”和“隼鸟2号”分别携带了3个和5个标记球，由聚酰亚胺制作，表面贴有反光膜。这样的球反射光在小行星表面非常显眼，像是一座小小的灯塔，指引“隼鸟号”和“隼鸟2号”降落。

工具相同，“隼鸟号”和“隼鸟2号”的用法可不太一样。“隼鸟号”为了防止在下降过程中迷失在乱石堆中，在下降过程中释放一个标记球，然后开始跟踪它，保持标记球位于视野中央，一同不断降低高度，直到接触小行星表面，完成采样。因此，“隼鸟号”一次只能追踪一颗标记球，且标记球的着陆精度决定了“隼鸟号”的着陆精度。

“隼鸟2号”早在几个月前就已向预定着陆区附近扔下标记球，然后计算好预定着陆区和标记球的相对位置。在锁定标记球后下降到标记球正上方的较低高度，再按照计算值平移到预定着陆区上方，然后继续下降，完成着陆、采样。这样的方式可以同时部署多个标记球，但是“隼鸟2号”在实际采样过程中仅用到了一个标记球就达到了很高的着陆精度。

“奥西里斯-雷克斯”没有携带类似的标记球，它是如何确定自身在着陆过程中的相对位置呢？聪明的工程师就地取材，设计了自然特征追踪技术（NFT）。换句话说，就是以“贝努”表面的特征石块为地标，在下降过程中不断与已经绘制好的小行星表面图像进行对比，匹配石块位置，就能够确定“奥西里斯-雷克斯”的具体位置、速度与加速度，也达到了非常高的着陆精度。

相比“隼鸟号”和“隼鸟2号”，“奥西里斯-雷克斯”的这种定位方式不需要携带额外的标记球，把宝贵的载荷质量分配给其他科研仪器。但是，“隼鸟号”和“隼鸟2号”的标记球也有其优点，在投掷它们的过程中，通过观察定位球轨迹的变化，可以优化小行星的重力分布，使着陆更加胸有成竹。

除此之外，“隼鸟2号”还携带了上文提到的爆炸-撞击器，它成功地在“龙宫”表面炸出了一个直径10多米的人造撞击坑，暴露出来内部深色的深层物质。这使“隼鸟2号”成功采集到了小行星较深层的矿石样品。“隼鸟号”和“奥西里斯-雷克斯”却只能采集小行星表面的样品，对较深的物质只能束手无策。

采样第二步

在接近并触碰小行星后，便是紧张刺激的采样阶段。在整个接近10年的任务跨度中，最令人期待的便是这短短的几秒钟，成败在此一举。

▲ “隼鸟2号”第二次采样，左：采样4秒前，右：采样4秒后，表面由钽质子弹激起大量碎石

▲ “奥西里斯-雷克斯”唯一一次采样，左：采样前，右：采样后，表面由高压氮气激起大量碎石

“隼鸟号”和“隼鸟2号”采取相同的取样方式：在接触的一两秒钟内向小行星表面发射一枚金属钽子弹，激起小行星表面的碎石，部分飞起的碎石溅入收容舱内，完成采样，然后迅速起飞撤离。选取金属钽的目的是避免子弹本身物质与小行星表面物质混淆，钽质子弹射出速度可以达到300 米/秒，可以激起足够的表面样品，表面的样品经过采样臂内壁的反射，少量的样品可以成功上升到样品收容舱的高度，进入反射板完成采样。

▲ “隼鸟号”与“隼鸟2号”采样原理示意图 杜骏豪/图

▲ “奥西里斯-雷克斯”采样原理示意图 杜骏豪/图

▲ 左：“奥西里斯-雷克斯”采样前的采样盘；右：“奥西里斯-雷克斯”采样后的采样盘，可以看到不断有样品颗粒泄漏

“奥西里斯-雷克斯”与“隼鸟号”类似，也需要工具将表面的碎石激起，并使之落入样品收容舱。相比“隼鸟号”的“子弹”，“奥西里斯-雷克斯”没有这么暴力，而是选择了使用高压氮气将样本吹起。选择氮气的目的与选择钽金属的目的是相同的，都是避免向样品中引入其他人为杂质。“奥西里斯-雷克斯”进行了一次成功的采样，直径30 厘米的采样盘与“贝努”表面接触了短短的6秒，在高压氮气的吹拂下，表面样品飞起，积攒在圆盘外边缘的样品收集处，然后迅速起飞离开，避免自身被碎石损坏。

采样后的“打包”

采样后，探测器都会迅速远离小行星，避免被激起的碎石损坏。在安全撤离后，剩下的工作就是确定是否成功采样，然后将样品封装起来。

相比“奥西里斯-雷克斯”的氮气吹拂方法，“隼鸟号”与“隼鸟2号”的采样方式获取的样本质量较小。“隼鸟号”仅获得了极微量的微粒，“隼鸟2号”获得了5.4 克样品，而“奥西里斯-雷克斯”计划得到60 克样品，实际采集到的样品远远多于60 克，甚至样品在采样头内满到不断地溢出来。一大原因是“奥西里斯-雷克斯”的采样头与样品收容舱都在小行星表面，人工设计的氮气通路使吹起的大部分样品都飞向样品收容舱，从而积累大量样品；对比来看，“隼鸟号”与“隼鸟2号”的样品收容舱距离小行星表面还有一定的距离，只有极少量幸运的样品能够经过多次反弹上升到这一高度，进入样品收容舱，大量被激起的样品没有机会被收集到，有的落回小行星表面，有的飞向幽暗无际的空间。

▲ 左：“隼鸟号”的采样臂，最上端是样品收容舱，最下端接触小行星表面右：显微镜下“隼鸟号”采集到的样本，只有红色箭头所指的微粒是小行星样本，蓝色箭头所指的是探测器本身的人造物质微粒

▲ “隼鸟2号”的样品分离贮存原理（图源：JAXA，图片经过修改、翻译）

“奥西里斯-雷克斯”可以进行多次采样，以获得足量的样本。原本计划在每次采样后，都会测量探测器本身旋转时的惯性矩分布变化来计算获得样品的质量。但是“奥西里斯-雷克斯”经过这一次采样后，科学家们可以断定“奥西里斯-雷克斯”已经获得了足够量的样本，无需进行样本质量的测量。如果进行测量，旋转起来还可能会泄漏更多的样品，因此他们直接取消了这一步骤，并取消了接下来几次取样，直接进行样本的封装，采样成功，干脆利落，等待返航。

“隼鸟号”“隼鸟2号”的样品封装过程与“奥西里斯-雷克斯”有所不同。“奥西里斯-雷克斯”不能进行样品的分类，也就是说如果“奥西里斯-雷克斯”进行多次采样的话，所有样品都会混杂在一起，难以区分。“隼鸟2号”前后两次分别采集到了“龙宫”表面、深层的样品，倘若混杂，其科研价值将会大大降低。对此，JAXA的科研人员巧妙地设计了具有分区功能的收纳舱。“隼鸟号”有2个分区，“隼鸟2号”有3个分区。在每次采样时，样品只能进入开启的分区，从而实现不同样品的分离贮存，设计精巧，令人叫绝。

▲ “奥西里斯-雷克斯”样品封装的过程，整个封装过程稳扎稳打，按部就班地持续了两天。当返回舱严丝合缝地关闭时，每一个人都如释重负

回“家”

余下的工作，就是与小行星说再见，然后带着宝贵的样本回归地球的怀抱。“隼鸟号”已经于2010年6月13日成功着陆澳大利亚南部的沙漠中。“隼鸟2号”于2020年12月6日着陆于同一沙漠。“奥西里斯-雷克斯”也已经圆满完成采样工作，它将在2021年3月离开 “贝努”，返回地球，预计在2023年9月24日在美国犹他州的沙漠着陆。

“隼鸟号”“隼鸟2号”与“奥西里斯-雷克斯”的探索故事都是一段传奇，他们的性能各有千秋。

作为世界上第一个小行星取样返回任务，在本世纪初设计、建造的“隼鸟号”以其大胆的设计理念、超前的任务规划与数次绝处逢生的顽强精神给人以深刻的印象，它的故事也被拍成了电影《隼鸟号：遥远的归来》，至今依旧给人以精神上的鼓舞。

“隼鸟2号”吸收了“隼鸟号”的经验，它也使用标记球作为“灯塔”，用“炮弹”轰击小行星以获取深层样本，以及不同样本分离贮存的巧妙方法都是人们智慧的结晶，在整个任务过程中尽情直行、无往不利、一帆风顺，是一个性价比非常高的成功任务。

▲“隼鸟2号”返回照片，工作人员穿着防爆服，因为返回舱分离时可能残留有火药

▲“隼鸟2号”返回舱实物

“奥西里斯-雷克斯”借助更加强大的运载火箭，体积与质量更胜一筹，因此携带了数量更多、性能更强大的仪器。它独特的自然特征追踪技术使着陆精度极高，高压氮气吹拂采样的方式极有效率，获得了远多于前两个任务的小行星样本，是目前为止小行星探测领域的高峰。

预计在2022年5月，中国自己的小行星探测器（初步命名为“郑和号”）将要前往小行星2016HO3执行取样返回任务。预计2024年11月会带回中国人自己的小行星样本。之后探测器还会飞向主带彗星133P展开绕飞探测。这一激动人心的任务细节我们暂不得知，但是我们相信这将是一次史无前例的小行星探测任务。待来日，去星辰大海，九天翱翔！