“奥西里斯-雷克斯”采样：吹气+吸尘器式

文/ 迟惑

2016年，美国宇航局发射了奥西里斯-雷克斯探测器前往“贝努”小行星。与“隼鸟号”选择的坚硬目标不同，“贝努”是一颗松散结构的小行星，质地不算很软也不算很硬。于是美国宇航局为它设计了一种奇怪的采样方式，简单说就是“吹”加“吸”。

工作过程

“奥西里斯-雷克斯”的采样过程，看起来充满了上世纪六七十年代科幻动画片的风格。在探测器上，除了各种遥感仪器之外，最重要的就是一个采样机械臂。它有一个复杂的名字，叫做“接触和前进样品获取机构”，简称TAGSAM。TAGSAM 长约11 英尺（3.35 米），有3 个关节，圆盘型的样本采集头在最前面。在飞行过程前期，TAGSAM 都处在收拢状态。

在采样期间，TAGSAM 沿着探测器的质心将采样盘伸出去，距离有效载荷安装面3 米左右。当采样盘接触到小行星表面时，机械臂内部的弹簧起到一定的缓冲作用，然后触发机械臂上的微动开关，监控接触加速度，共同确定采样盘是不是与表面接触了。一旦确认，计算机就会启动氮气瓶喷射。

采样盘的结构是气管在外、收集槽在内。氮气从气管喷出，垂直吹到小行星表面，把土壤和石子颗粒吹起来，强迫它们顶开收纳槽表面的聚酯薄膜，进入收纳槽内部。收纳槽外圆周上设置了孔径只有38 微米的不锈钢筛网，气体可以通过，但土石样品无法通过。这样可以有效收集尘埃尺寸的表土。

▲“奥西里斯-雷克斯”的采样方式模拟图

▲“奥西里斯-雷克斯”的采样盘模拟图

在地球上的试验期间，人们发现，这种设计只要1 秒钟就可以收集足够的样品。根据设计，TAGSAM 可以采集150 克样品。其实科学家们只想要60 克就够用了，因此TAGSAM 采样成功的标准就是60 克。在地面测试期间，TAGSAM 达到的最大采集质量纪录为1.9 千克。

▲“奥西里斯-雷克斯”的工程师在检查采样机械臂

▲“奥西里斯-雷克斯”的接近相机

采样过程

因为距离遥远，所以地面控制团队和“奥西里斯-雷克斯”之间没有办法直接通信，各种操作只能是由探测器自主完成。在一些关键节点上，需要团队发送指令，但是收到反馈要等很久。这也成为深空采样的一个最主要困难。

2018年10月17日，“奥西里斯-雷克斯”丢掉了TAGSAM 的顶盖；10月25日触发了爆炸螺栓，将TAGSAM从收纳状态施放出来；11月14日，TAGSAM 首次完全伸展开来，完成了各项测试。但这时距离真正的采样还远。

对“贝努”小行星的探测工作总体上称为“近距离作业”，采样工作是其中的一部分。“近距离作业”阶段于2018年11月开始，包括以下子阶段：初步勘测，轨道A 机动，详细勘测，轨道B 机动，测绘，TAGSAM 采样预演，TAGSAM 实施。测绘阶段之前的所有阶段，都是为了不断深化对“贝努”表面的测量，最终为TAGSAM 采样服务。

因为距离地球遥远，一旦失败没有补救的机会，所以在真正采样之前，任务小组还是进行了一些预演。

▲“奥西里斯-雷克斯”发射升空

第一次预演被称为“检查点”，主要是把“奥西里斯-雷克斯”从绕飞轨道过渡到采样轨道。具体内容包括获取导航图像、激光雷达测距和制导导航控制，将TAGSAM 部署到采样位置，以及实现导航所需姿态。这次预演仅仅接近到“贝努”表面125 米的位置，然后发动机点火，返回绕飞轨道。之后，“奥西里斯-雷克斯”将所有导航数据传输到地球，供任务小组确认距离、速度、姿态、事件序列等是否正确。

第二次预演称为“匹配点”，不但要重复“检查点”预演的所有步骤，还要执行以下操作：发动机开启，将探测器送入前往“贝努”表面的下降轨道，然后再次推进，让探测器与小行星旋转速率匹配，并缓慢下降到“贝努”表面。执行上述动作后，探测器再次推进，返回绕飞轨道。这项操作完成后，同样需要把数据全都传回地球。

两次预演取得成功后，2020年10月13日和17日，“奥西里斯-雷克斯”进行了最后定相推进，微调自己和“贝努”的相对位置，以便在接触采样的那一天实施轨道偏离机动，机动速度仅有0.5 毫米/秒。10月19日，任务控制小组上传了接触采样动作的最终命令。

按照计划，“奥西里斯-雷克斯”按照预演的程序，先脱离绕飞轨道，进入下降轨道，接近“贝努”表面的过程中，利用激光雷达等手段实施制导导航控制。当采样盘接触到小行星表面时，从采样机械臂的一个高压气瓶中喷射高纯度氮气，把“贝努”表面的物质吹起来。喷射会持续5 秒，采集了足够多样品后，发动机再次点火，奥西里斯-雷克斯离开“贝努”表面回到绕飞轨道。

▲“奥西里斯-雷克斯”拍摄到的“贝努”表面

按计划，这时候要实施两次采样称重活动，看看到底采集了多少样本。

两次称重方法并不一样，但都充满了奇思妙想，看上去就像做广播体操一样。

第一次称重是“伸臂运动”，把机械臂高高举过头顶，让阳光照进采样盘里。然后对采样盘内部拍照，通过求阴影面积来测定采样质量。因为举起机械臂的动作很慢，人们倒是不担心把样品抡飞出去，而是比较担心阳光会不会对样品造成破坏。计算表明，当“贝努”距离太阳不足1.15 个天文单位时，阳光照射的升温可能超过75 摄氏度，有一定风险。如果“贝努”距离太阳1.15~1.25 个天文单位，升温超过75 摄氏度的风险依然存在，但相对较低。进一步分析表明，如果在2020年7月进行采样，那么太阳光会以30 度角入射采样盘。此时，虽然“贝努”和太阳的距离在1.15~1.25 个天文单位之间，但由于入射角很小、采样盘边缘可以起到一定遮挡作用，因此升温不会超过75 摄氏度。如果“贝努”距离太阳超过1.25 天文单位，那么无论什么入射角度，阳光都不会造成升温太多。

采集到的样品如果太少，可能会完全处在采样盘边缘造成的阴影中，无法被有效测量。所以，任务小组还设计了一个“转体运动”。

▲ 技术人员在检查“奥西里斯-雷克斯”的返回舱

▲ 建造中的“奥西里斯-雷克斯”

一旦采样完成，就要把样品装进返回舱里。“奥西里斯-雷克斯”的返回舱和多数载人飞船一样，由圆台形本体和防热大底组成，但是它的防热大底能够向上掀起。机械臂把采样盘直接放进返回舱里，然后大底合拢扣紧，看起来很像老款科幻动漫的设计。为了确保这个过程正常，“奥西里斯-雷克斯”上还安装了一个摄像机，监视整个过程。样品进入返回舱后，探测器就完成了工作，进入轨道飞行准备，运行到变轨点后启动发动机返回地球轨道。

虽然设计了这么多看起来很完善的措施，但宇宙当中充满了未知。采样失败的风险到底有多大，连设计师们都无法预测。因此，如果通过阳光测量和转动惯量测量发现没有弄到样品，就再试一次，一共有3 次机会。为此，探测器上设计了相关的燃料余量、时间余量和寿命余量，还设计了3 个独立的氮气瓶。

吸得太多了？

2020年10月22日，“奥西里斯-雷克斯”的采样活动已经过去两天了，但是任务小组才刚刚收到有关图像。结果是令人满意的，采集到了至少60 克小行星表面材料，星际地质学家们已经迫不及待了。

▲ 正在测试的“奥西里斯-雷克斯”

▲ 准备发射的“奥西里斯-雷克斯”

▲ 设计师展示“奥西里斯-雷克斯”的采样盘

美国宇航局负责科学的副局长托马斯g 祖尔布钦说：“我们非常激动地看到，似乎有丰富的样本，它们将在今后的几十年里不断激发科学的灵感。”

“奥西里斯-雷克斯”按计划实施了第一次“伸展运动”。任务小组一共收到了3 幅图像，显示TAGSAM 头部布满了从“贝努”上收集的岩石和灰尘，看起来采样机构工作正常。不过图像显示，新的麻烦出现了。其中一些样品颗粒正在慢慢脱离采样器头部。这主要是因为采集的样品太多了，一些颗粒把采样器头部的聚酯薄膜瓣略微顶开，漏出去了。这可能是因为样品中有一些比较大的石子，薄膜锁不住它们。

既然薄膜没有把样品锁住，那么动作太大可能就会把样品撒进宇宙里，颗粒无收。于是任务小组决定放弃原定于10月24日进行的样品质量测量活动，也就是那个“转体运动”的过程，还取消了原定于第二天进行的制动推进，尽量减少对航天器的任何加速度。全部工作重点集中到如何把样品安全放进返回舱（SRC）上。只要放进去并且密封，这些样品就算是安全了。

既然实施了那么多次地面测试，为什么还是会发生意外？根据任务团队分析，这很有可能是因为“贝努”的结构比预想的要松散，采样头并不是浮在小行星表面进行吹吸动作的，而是直接插进土壤里好几厘米。这样，高压氮气瓶打开之后，吹起来的表面物质远远不止60 克，超过了容纳能力。或许，“奥西里斯-雷克斯”设计一个抓斗就足够了，不需要吹吸这么复杂的方式。

到2020年11月2日，任务小组总算可以放下心来了。“奥西里斯-雷克斯”返回的数据显示，10月28日，它成功地把样本送进返回舱并密封好，可以开始后续工作了。2021年3月，“奥西里斯-雷克斯”启程返航，将于2023年9月24日把返回舱送回地球。★