小天體表面采樣技術綜述

劉德赟，賴小明，王露斯，劉曉慶，趙曾，張加波，全齊全

（1. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；2. 哈爾濱工業(yè)大學 機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

0 引 言

小天體是人類了解太陽系起源演變的重要載體，承載著豐富的科學信息，同時小天體含有豐富的貴金屬及稀有元素，具有巨大的利用價值，對小天體進行采樣探測具有重要的科學與工程意義。目前，各國已爭相開展了小天體采樣任務以及相關研究工作，并成功應用于“羅塞塔號”“隼鳥號”等探測任務，小天體采樣已成為國內(nèi)外深空探測的研究熱點。

1 小天體特性分析

在太陽系中，比行星小而又不屬于矮行星的天體稱為小天體。小天體包括小行星、彗星、流星體，繞太陽旋轉(zhuǎn)沒有氣體揮發(fā)和大氣活動的固體小天體稱為小行星。彗星一般由彗頭和彗尾組成，彗頭包括彗核和彗發(fā)兩部分，彗尾則是彗星靠近太陽時彗核物質(zhì)被蒸發(fā)、噴發(fā)而形成。體積很小，不符合小行星或彗星標準的小天體稱為流星體[1-2]。小天體探測通常是指小行星和彗星探測，其中近地小行星探測最具有科學價值與工程可行性，本文重點對小行星采樣技術進行分析。

衡量小行星表面性質(zhì)的一個重要參數(shù)——反照率（albedo），代表反射與入射到小行星表面的能量之比在所有頻率范圍的積分，它與小行星表面物質(zhì)的性質(zhì)（成分、顆粒大小、表面結構等）有關。最初小行星被劃分為反照率小的碳質(zhì)（C型）小行星和反照率大的石質(zhì)（S型）小行星。隨后又結合反射光譜等特征而分為多類（C、B、F、G、P、D、T、S、M、E、A、Q、R、V型等）。最新的分類研究應用反射光譜和反照率，把小行星分為S群、C群、X群3大類以及一些次要的異常類型（托連分類），每個大類下面又分出亞類，共26個光譜型[3-4]。

小行星表面的反射光譜反映了其本身的物質(zhì)組成。如C型的化學成分與太陽大氣的平均組成很相似（揮發(fā)性組分除外），富含碳質(zhì)和有機質(zhì)成分，類似于碳質(zhì)球粒隕石。S型小行星的表面主要成分為硅酸鹽與金屬鐵，類似于普通球粒隕石與石鐵隕石；M型主要為金屬鐵；不同類型的小行星是由于其內(nèi)部發(fā)生了不同程度的熔融分異的結果，反映了太陽系的演化歷史。

小行星采樣作業(yè)主要是針對星體表層物質(zhì)進行，目前已探明的小行星表面物質(zhì)按類型大致包括表壤、鵝卵石、巨石及隕擊坑等類型。

1）表壤，大多數(shù)小行星表面（或部分表面）存儲一層表壤層，形成的原因主要為“空間風化”，包括天體撞擊、太陽風離子輸入、物質(zhì)濺射和微隕石轟擊等，會使小行星原始物質(zhì)碎裂后產(chǎn)生大量大小不一、形態(tài)各異的碎屑和砂粒。另外，太陽輻照、太陽風和空間離子都會在小行星表面空間產(chǎn)生靜電場，使得直徑較小的顆粒產(chǎn)生懸浮層，在引力作用下逐漸沉積形成表壤。

2）鵝卵石，許多小行星表面都會有類似于地球表面鵝卵石大小的石塊存在，其大小為幾十厘米，體積較小的小行星表面鵝卵石分布可能更多一些。

3）巨石：大多數(shù)小行星表面都存在巨石，尤其是體積較小的小行星表面覆蓋的巨石比例更高（如Itokawa），這些巨石大小從幾米至幾十米，甚至上百米。

4）隕擊坑：小行星大多表面存在不規(guī)則的隕擊坑，小行星經(jīng)歷的無數(shù)次隕擊也使表面不同程度的形成了表土層。灶神星表面有大量隕擊坑，最顯著的是南極附近的雷爾西爾維亞（Rhea Silvia）隕擊坑（也稱為盆地），其直徑為505 km。該坑的底部比地面約低13 km。哈勃望遠鏡所攝灶神星光譜分析表明，該坑穿過灶神星外殼好幾層，可能深到幔。另外，許多巖石覆蓋的小行星表面存在許多空隙，Itokawa孔隙率約為40%，Eros孔隙率約為25%。

2 國內(nèi)外小天體采樣研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 國內(nèi)外采樣研究現(xiàn)狀

到目前為止，國內(nèi)外共發(fā)射了近20顆與小天體相關的探測器，這些探測器或者飛越小天體，或者繞飛小天體，或者在小天體上著陸，或者采樣返回，以不同形式對小天體進行科學探測。在后續(xù)的深空探測規(guī)劃中，美國、歐洲均積極推進小天體采樣返回任務的實施，主要包括美國于2016年發(fā)射的歐西里斯（OSIRIS-REx）小行星采樣返回探測器以及歐洲的馬可波羅–R小行星采樣返回探測器[5-6]。

1）“星塵號”（Stardust）

“星塵號”是美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）探索計劃任務之一，于1999年2月9日發(fā)射升空?！靶菈m號”探測器由主結構和返回艙組成，主任務是采集wild-2彗星的彗發(fā)物質(zhì)和飛行過程中的宇宙物質(zhì)，是首次成功完成彗星采樣返回任務的探測器。

Stardust樣品采集器（Stardust Sample Collection，SSC）采用氣凝膠進行設計，實現(xiàn)對彗星、星際塵埃進行收集，氣凝膠是一種低密度、惰性、低熱導率、低傳聲性能、多孔的硅基固體材料，氣凝膠的密度僅為玻璃的千分之一，由硅石與液體混合產(chǎn)生凝膠，曾作為輕質(zhì)隔熱材料用于火星探險者（Pathfinder）的索杰納巡視器（Sojourner rover）。氣凝膠材料質(zhì)量輕，十分適用于捕獲空間微小粒子。

圖1 SSC示意圖Fig. 1 The picture of SSC

圖2 星塵探測器采集Wild 2彗星塵埃物質(zhì)時的構形側(cè)視圖Fig. 2 The structure of Stardust sampler

SSC呈網(wǎng)球拍狀態(tài)，如圖1所示，每面包含130個矩形氣凝膠模塊（2 cm × 4 cm）和2個稍小的菱形模塊，各個氣凝膠模塊安裝在鋁質(zhì)柵格中，單面可采集面積大于1 000 cm2。SSC彗星物質(zhì)采集面的氣凝膠厚度為3 cm，星際物質(zhì)采集面厚度為1 cm，SSC氣凝膠模塊的密度采用了分級設計，粒子入口處密度相對較低，隨著深度的增加密度增大。SSC采集彗星塵埃過程如圖2所示。

在粒子捕獲過程中，沖擊速度可達6.1 km/s，粒子的外形、化學結構可能被破壞，或者被完全汽化。為不破壞粒子特性，氣凝膠樣品采集器使用多孔結構的硅基固體材料，99.8%的空間為空隙，當顆粒撞上氣凝膠時，將被埋在材料內(nèi)，并形成長長的軌跡，軌跡長度最大可達粒子長度的200倍。

由于氣凝膠透明度高，捕獲的高速粒子產(chǎn)生的錐形孔可以通過立體顯微鏡很容易找到，錐形的最大開口位于入口處，粒子則完整地保存在錐尖處。根據(jù)這一原理，研究人員可以由此確定顆粒的入射方向，這是采用單氣凝膠模塊雙面采集彗星物質(zhì)和星際物質(zhì)可行的原因。SSC設計的粒子采集范圍約為1 μm～1 mm，將主要對粒徑15 μm的顆粒進行研究[7]。

2006年1月15日，第1次成功完成彗星采樣的Stardust返回艙著陸地球，隨后樣品容器被轉(zhuǎn)移至潔凈間中存放。研究人員初步估計SSC可在顯微鏡中看到的斑點顆粒不少于100萬個，其中大于0.1 mm的顆粒約10個，最大粒徑顆粒接近1 mm，在星際物質(zhì)采集面，發(fā)現(xiàn)約45個顆粒。樣品粒子在氣凝膠中的軌跡如圖3所示。

圖3 粒子在氣凝膠中的軌跡示意圖Fig. 3 The trajectories of particles in aerogel

2）“隼鳥號”（Hayabusa）

“隼鳥號”（又名Muses-C）是日本宇宙航空研究開發(fā)機構（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）研制的一顆近地無人采樣返回小行星探測器，2005年11月20日、26日對Itokawa小行星進行了2次樣品采集。

如圖4所示，“隼鳥號”是人類第一個小行星采樣返回探測器，也是首次實施小行星軟著陸與起飛任務的探測器，接觸即走（Touch and Go，TAG）的著陸、采樣、起飛模式具有開創(chuàng)意義。

圖4 Hayabusa采樣原理示意圖Fig. 4 Working principle of Hayabusa sampler

由于Itokawa小行星體積、表面重力均較小，在任務實施前也難以確定其表面是堅硬的巖石還是柔軟的塵土，JAXA認為Hayabusa要實現(xiàn)長期著陸非常困難，而采用挖掘等采樣方式施加的力可能將探測器推離小行星，因此Hayabusa采用濺射采樣方式，探測器與小行星表面接觸過程中，通過射彈撞擊小行星表面，造成表層土壤或大型巖塊發(fā)生顆粒濺射，濺射顆粒通過錐形罩進入樣品容器進行存儲[8]。

Hayabusa采樣裝置主要由拋射器、錐形罩、可擴展編織罩、金屬罩組成，如圖5所示。拋射器構型如圖6所示，可發(fā)射金屬射彈撞擊小行星表面，為提高可靠性，拋射器采用了三管設計，Hayabusa金屬射彈采用稀有金屬鉭作為材料（可以很容易從樣品中分析出），質(zhì)量約為5 g，運行最大速度可達300 m/s，射彈與小行星表面接觸面為半球形，如圖7所示，射彈誘發(fā)土壤顆粒濺射，射彈射出后的殘余氣體將收集在拋射器中。

Hayabusa采樣裝置與小行星表面接觸時，通過罩形結構形成封閉環(huán)境，在防護探測器受塵土污染的同時，濺射的顆粒物質(zhì)只能在金屬罩、擴展編織罩、錐形罩內(nèi)運動，進入樣品罐內(nèi)，并通過探測器內(nèi)的轉(zhuǎn)移機構將樣品轉(zhuǎn)移至樣品容器中。Hayabusa配置的樣品容器如圖8所示，其安裝在質(zhì)量為17 kg、直徑為400 mm，高200 mm的返回艙中。Hayabusa樣品罐存放在樣品容器內(nèi)，樣品容器通過鎖緊機構與壓縮彈簧實現(xiàn)與筒體的封閉，并通過雙密封圈設計保持樣品容器內(nèi)部的純凈度，返回地球后（1個大氣壓下）100 h可保證內(nèi)部氣壓不大于1.33 Pa[9-10]，如圖9所示。樣品容器安裝位置如圖10所示。

圖5 Hayabusa采樣裝置示意圖Fig. 5 Hayabusa sampler

圖6 Hayabusa拋射裝置示意圖Fig. 6 Catapult device of Hayabusa sampler

圖7 Hayabusa射彈形狀示意圖Fig. 7 The bullet shape of Hayabusa

圖8 Hayabusa樣品容器示意圖Fig. 8 The sample container of Hayabusa

圖9 Hayabusa樣品容器密封示意圖Fig. 9 Abdichtprinzip of Hayabusa container

圖10 Hayabusa樣品容器安裝位置示意圖Fig. 10 Installation of Hayabusa container

由于著陸前，Hayabusa無法確定采樣點狀態(tài)，采樣裝置設計為可獨立于地面控制，自主完成樣品采集。Hayabusa在小行星采樣返回任務中為采樣任務定義的成功判據(jù)為：從目標天體表面獲取部分表層樣品返回地球，可供小行星表面組成研究，可供與地球樣品進行碳同位素比較分析。

Hayabusa樣品艙返回地球后，研究人員發(fā)現(xiàn)樣品容器內(nèi)的顆粒十分微小，通過CT掃描發(fā)現(xiàn)未采集到粒徑大于1 mm的樣品，顆粒粒徑約0.01 mm。根據(jù)JAXA的分析，樣品容器內(nèi)顆粒為小行星物質(zhì)，總共約帶回1 500顆從小行星的微粒。研究人員通過對帶回的微粒進行研究，主要研究結果為：微粒中存在橄欖石、斜長石等巖石的大型結晶，這些巖石可能曾經(jīng)歷高溫；微粒與地球上發(fā)現(xiàn)的一種隕石特征一致，而且微粒受熱后產(chǎn)生的氣體不具備地球物質(zhì)特征；在對巖石的檢測中未檢出有機物、碳元素等與生命有關的物質(zhì)[11-12]。

3）羅塞塔（ROSETTA）

“羅塞塔”是歐洲空間局（European Space Agency，ESA）實施的一次彗星探測任務。“羅塞塔號”探測器由軌道器和一個“菲萊”（Philae）著陸器組成?！傲_塞塔號”的發(fā)射重量約為3 000 kg，其中菲萊著陸器的質(zhì)量約為100 kg。2014年11月12日成功著陸彗星，是人類歷史上首次彗星軟著陸任務。“羅塞塔號”探測器的主要目標是對目標彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko）進行著陸探測，探索46億年前太陽系的起源之謎，以及彗星是否為地球“提供”了生命誕生時所必須的水分和有機物質(zhì)。Philae著陸器成功實現(xiàn)彗星軟著陸后，將利用配置的采樣裝置SD2（Sampler Drill and Distribution subsystem）開展彗星土壤樣品采集，其可在極低重力、極低溫環(huán)境下采集樣品，采樣過程中通過魚叉式裝置把著陸器錨定在彗星表面，防止它在微弱的彗星引力下逃逸[13]，Philae采樣設備如圖11所示。

圖11 Philae采樣裝置示意圖Fig. 11 The sampler of Philae

SD2采樣裝置由電控單元和采樣機構組成，總質(zhì)量約5.1 kg，其中采樣機構3.7 kg，電控單元1 kg，線纜0.4 kg。待機過程中，平均功耗約1.5 W；鉆進或采樣過程中，平均功耗約6 W，最大功耗14.5 W。

采樣前，Philae著陸器的全景相機、探測儀對著陸點進行探測，根據(jù)獲取的地形情況，轉(zhuǎn)動著陸器主體結構，使采樣機構到達相對理想的鉆探點，鉆桿進行下探采樣，采樣完成后鉆桿回縮進行樣品分發(fā)，開展原位科學試驗。SD2采樣機構安裝在著陸器上，采用碳纖維作為采樣器的保護結構，避免外部污染物進入活動機構中。螺旋鉆集成了鉆進和采樣功能，可在確定的、可測量的深度下完成樣品采集，并避免鉆孔毀壞，采樣管（如圖12所示）依靠接觸壓力完成樣品采集，SD2采樣機構的最大采樣深度為0.23 m，采樣過程如圖12所示。

SD2采樣機構獲取樣品后，體積檢查計可對分裝樣品體積進行檢測，每份樣品體積約10～40 mm3，并配以振動裝置，使樣品進入樣品容器中進行密封加熱，然后采樣系統(tǒng)將生成的氣體導入分析儀中進行分析，并將有價值的數(shù)據(jù)傳回地球。

Rosetta任務中，Philae著陸器為開展在彗星表面的采樣及其它原位探測工作，采用了錨定技術進行配合。Philae著陸器的錨定主要由冰螺栓、冷氣推力器、魚叉裝置組合完成，如圖13所示，冰螺栓與魚叉裝置存在一定的冗余備份作用。著陸沖擊過程中，首先與彗面接觸的冰螺栓依靠著陸器的沖擊力刺入彗星表面，冷氣推力器同時噴氣反推，保證3個冰螺栓刺入彗星表面，然后魚叉裝置發(fā)射，形成對彗星表面的多點刺入，實現(xiàn)著陸器與彗星的固定。Philae魚叉裝置長190 mm，寬104 mm，高71 mm，重量為440 g，利用火工裝置驅(qū)動，可完成著陸器的錨定、彗星表面溫度測量、材料特性分析等工作[14]。

圖12 SD2采樣及放樣過程示意Fig. 12 Working process of SD2 sampler

圖13 Philae冰螺栓、冷氣反推、魚叉裝置示意圖Fig. 13 The bolt，airbackstepping and harpoon of Philae

2014年11月13日Philae完成著陸，ESA確認用于固定Philae的魚叉裝置未發(fā)射，目前僅有各著陸腿上的冰螺栓完成了彗星表面刺入動作。

4）福布斯–土壤（Phobos-Grunt）

Phobos-Grunt于2011年11月9日發(fā)射升空，原計劃針對火衛(wèi)1（Phobos）實施采樣返回任務，其選定著陸點位于緯度–5°～5°、經(jīng)度230°～235°范圍內(nèi)，著陸后開展為期2～7天的采樣任務。

Phobos-Grunt配置采樣裝置如圖14所示，采樣機械臂可實現(xiàn)直徑約1.3 cm的樣品采集，機械臂末端管狀采樣器可形成爪狀。采樣器內(nèi)活塞可將樣品推入柱形容器中，光敏二極管可確認樣品采集是否成功。為獲取85～160 g土壤樣品，將進行15～20次采樣，樣品裝至容器后，通過加壓彈性包將其轉(zhuǎn)移至返回器中。樣品轉(zhuǎn)移完成后，轉(zhuǎn)移通道管將展開，為返回器起飛避讓空間[15]。

圖14 Phobos-Grunt采樣裝置示意圖Fig. 14 The sampler of Phobos-Grunt

探測器由于主發(fā)動機故障，未能進入轉(zhuǎn)移軌道，任務失敗。

5）“隼鳥2號”（Hayabusa 2）

“隼鳥2號”（Hayabusa 2）是“隼鳥號”小行星探測器的后續(xù)機型，繼承了“隼鳥號”的設計?！蚌励B2號”探測器的總重約為600 kg，將飛往小行星“1999JU3”，該小行星位于“隼鳥號”曾著陸的糸川小行星附近，距地球約3億千米，據(jù)稱該小行星具有豐富的含水礦物和有機物，這些都將有助于人類了解太陽系的生命起源。預計2018年將到達小行星，進行小行星全球觀測，并釋放罐式機器人與新增加的小型著陸探測器，2019年將釋放撞擊器，并實施小行星采樣任務，2020年返回地球。

Hayabusa 2在采樣方式上繼承了Hayabusa設計，但在樣品采集與封裝方面進行了改進設計。在樣品采集方面，JAXA研究人員認為1999JU3是多巖石的C類小行星，在主要設計方面仍采用拋射體濺射采樣，但將射彈的形狀由原來的半球形，調(diào)整為帶90°錐角的錐體，如圖15所示[16]。

圖15 射彈形狀對比示意圖Fig. 15 The comparison of bullet shape between Hayabusa and Hayabusa 2

圖16 Hayabusa 2射彈濺射土壤過程示意圖Fig. 16 The working process of bullet of Hayabusa 2

2014年12月5日，JAXA確認采樣裝置在軌成功展開，目前Hayabusa 2仍在前往1999JU3的路途中。

6）歐西里斯（Osiris-Rex）

“歐西里斯”是NASA計劃實施的一項小行星采樣返回任務，全名為“起源、光譜釋義、資源識別、安全、風化層”，“歐西里斯”探測器由洛克希德馬丁公司研制，于2016年9月通過Atlas V發(fā)射升空，2017年地球借力，2019年10月到達Bennu小行星（1999 RQ36）進行探測，預計2023年返回地球。

圖17 Hayabusa 2樣品容器示意圖Fig. 17 The sample container of Hayabusa 2

“歐西里斯”探測器的總體構型圖如圖18所示。探測器采用承力筒作為主結構（繼承自MRO），頂板上布置了返回艙和科學載荷。共配置兩塊8.5 m2的太陽帆板，具有二維驅(qū)動功能。側(cè)面布有直徑2 m的高增益天線和中增益天線，底面布置了2個200 N的主發(fā)動機。

圖18 Osiris-Rex采樣裝置示意圖Fig. 18 The sampler of Osiris-Rex

根據(jù)前期觀測研究，Osiris-Rex項目組認為Bennu小行星存在疏松的風化層顆粒的可能性較大，曾考慮粘性板、爪式蛤殼采樣器、驅(qū)動管、螺旋鉆、巖芯鉆、鏟、耙子、氣體激勵等多種采樣方式，最終選擇了氣體激勵采樣方式。氣體激勵采樣方式的優(yōu)點在于可通過較少的活動部件獲取可觀的樣品量，保持其原位性能，并且采樣器無需采用電機。Osiris-Rex配置的采樣裝置（Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism，TAGSAM）由采樣器和機械臂組成，采樣器同時作為樣品容器，采樣完成后采樣器及樣品存儲在返回艙中返回地球，其返回艙繼承了Stardust探測器的設計。當樣品獲得機械接觸到小行星表面時，取樣器向小行星的風化層吹高壓氮氣，在氣流的作用下，使小行星表面碎屑流體化，隨氣流一起被吹進取樣器，取樣可在大約5 s內(nèi)完成[18-19]。

Osiris-Rex采樣前，將以0.1 m/s的速度緩慢接近小行星表面，為滿足末端需求，探測器下降的垂直速度不能大于0.12 m/s。采樣裝置從收攏狀態(tài)開始展開，為避免受到污染采樣器在展開前處于收納盒中，收納盒如圖19所示。著陸最后階段機械臂上的彈簧將進行壓縮儲存能量，相機組件以1 fps記錄采樣過程。

圖19 Osiris-Rex采樣裝置收攏及收納盒示意圖Fig. 19 The sample container of Osiris-Rex

采樣過程中，通過探測器環(huán)形氮氣流使表層樣品流動，并利用接觸盤中的聚酯薄膜材料收集流動的表層樣品，如圖20所示，Osiris-Rex可通過機械臂上攜帶氮氣瓶可支持至少3次采樣過程，整個采樣過程將在5 s內(nèi)完成，將獲取60～2 000 g樣品，可采集2 cm以下的顆粒物質(zhì)。

圖20 Osiris-Rex N2激勵采樣示意圖Fig. 20 Working principle of Osiris-Rex sampler

根據(jù)Osiris-Rex任務設計，當探測器著陸點偏離范圍小于25 m時，Osiris-Rex采樣裝置1次采樣成功（＞ 60 g）的概率達到了98.3%。連接采樣器的活動關節(jié)設計，使得Osiris-Rex采樣裝置可適應不大于15°的傾斜角度。采樣完成后機械臂彈簧反彈，發(fā)動機點火離開小行星表面，當?shù)竭_安全距離后，將通過探測器慣量的變化確定樣品質(zhì)量（該方法曾被用于“卡西尼”探測器推進劑監(jiān)測），然后TAGSAM采樣器運動至寬視場相機SamCam（如圖21所示）的視場中，通過圖像信息確認樣品采集成功（比如采樣器外部沾染了土壤顆粒），一旦確認樣品采集量滿足科學需求，機械臂將運動至樣品返回艙（繼承Stardust）上方進行對準對準環(huán)（如圖22所示）釋放，微動開關和小型相機StowCam將對對準情況進行確認，對準后完成采樣器與機械臂分離，機械臂重新收攏，返回艙關閉并進行密封，隨后返回地球。Osiris-Rex采樣器將在真空和微重力環(huán)境下開展了采樣試驗，試驗表明該采樣器可在該類環(huán)境約束下獲取大于60 g的樣品[20]，地面采樣試驗如圖23所示。

圖21 Osiris-Rex封裝過程及返回地球示意圖Fig. 21 Sampler packaging process and container return of Osiris-Rex

圖22 Osiris-Rex采樣器對準環(huán)示意圖Fig. 22 Alignment ring of Osiris-Rex

圖23 Osiris-Rex地面采樣試驗示意Fig. 23 Alignment ring of Osiris-Rex

7）馬可波羅（MarcoPolo-R）

本施工段采用的襯砌類型主要是復合型襯砌，其主要參數(shù)為：襯砌類型：Ⅲa型復合式襯砌；噴射混凝土類型及厚度：C25,12cm；鋼筋網(wǎng)及系統(tǒng)錨桿：25cm×25cm；1.2m×1.5m，φ6mm；二次襯砌厚度：40cm；仰拱厚度：50cm。

“馬可波羅”（Marco Polo）是ESA“宇宙愿景項目”中的一項候選任務，旨在獲取小行星表面物質(zhì)并安全返回地球。科學家相信，小行星上攜帶有太陽系最初形成時的物質(zhì)，有助于研究約46億年前太陽系的形成過程。MarcoPolo-R計劃針對近地C型小行星2008 EV5開展采樣返回，預計采集樣品量約100 g，于2029年左右返回地球[21]。

Marco Polo-R采用TAG方式，采樣裝置也主要由機械臂與采樣器組成，樣品存儲方面則考慮樣品容器與返回艙的集成設計。采樣裝置考慮了如下約束：①可獲得最少100 g左右的樣品，并能返回地球；②可選擇性地獲取厘米級的碎塊以及大量的小顆粒（微米到毫米級）。

在采樣器方面，研制了多套輪刷式采樣器樣機，均具有如下特點：①采用對轉(zhuǎn)輪減少與探測器的相互作用；②采用柔性刷減少堵塞；③采用一個樣品罐收集樣品；④樣品罐轉(zhuǎn)移前，進行采樣器分離[22]。

在著陸之前，污染防護罩從BWS上脫落。采樣前輪刷轉(zhuǎn)動，樣品罐擋門打開，允許樣品進入。轉(zhuǎn)動的刷子與表面接觸，將風化層土壤掃入開口3 cm的樣品罐中。樣品罐設計形狀可產(chǎn)生漩渦流緩釋粒子動能，并困住樣品。BWS設計和測試表明，其可在不到1 s時間內(nèi)獲得所需的樣品（0.35～2.1 kg）。樣品罐內(nèi)部容積約700 ml，返回質(zhì)量在0.35～2.1 kg，具體數(shù)值取決于樣品密度。

如果小行星表面不存在疏松的土壤，巖石切鑿器將被啟用，在采樣之前地面將根據(jù)現(xiàn)場信息進行決定，并上注指令。在與小行星接觸2 s后，樣品罐擋門將關閉，BWS在后續(xù)的樣品采集過程中可以重用。BWS已在大氣環(huán)境、真空環(huán)境、地球重力、低重力（利用波音KC-135A飛機）下進行了試驗，并針對多種風化層模擬物進行了試驗，其中一種為調(diào)整粒徑分布的月面風化層土壤。巖石切鑿器試驗表明，單個巖石切鑿器工作時每次可產(chǎn)生和收集到15 g樣品（班德利爾凝灰?guī)r），樣品收集時需兩個切鑿器都工作。由于小行星表面特性、接觸條件（相對速度、位置）存在不確定性，BWS攜帶的巖石切鑿器被認為是可靠的獲取方式。Marco Polo-R著陸及采樣過程如圖24所示，巖石切鑿器和輪刷式采樣器如圖25所示。

2012年7月開始，ESA針對TAG采樣機構進行了獨立的技術研究，包括粘性板、巖芯管、螺旋鉆、拋射體濺射（Hayabusa）、切割輪、小鏟、集材索、氣體傳送設備等。目前已提出了兩種可替代的采樣方案TAS版和Astrium版，如圖26所示。

探測器與小行星表面接觸時間只維持幾秒，因此取消了反推推力器，著陸腿也沒有吸能功能，采樣裝置（TAS版）為一個方形推板，著陸時的接觸作用將帶動彈簧觸發(fā)推板，快閉器可將樣品留在樣品容器中，如圖27所示。采樣后，著陸腿回縮，并將采樣工具轉(zhuǎn)移到樣品容器中作為一個整體，通過2自由度升降機構轉(zhuǎn)移到返回艙中，另兩個著陸腿上安裝了采樣器以備后續(xù)著陸使用。

圖24 Marco Polo-R著陸及采樣設計示意Fig. 24 The landing and sampling process of Marco Polo-R

圖25 巖石切鑿器和輪刷式采樣器采樣示意圖Fig. 25 Rock chisel and wheel brush sampler

圖26 Marco Polo-R采樣器示意圖Fig. 26 Samplers of Marco Polo-R

圖27 MPRISM采樣裝置及巖鑿器Fig. 27 The sampler of MPRISM

Marco Polo-R同時考慮了采用Osiris-Rex任務設計的采樣裝置（TAGSAM）進行改進設計，在利用氣體激勵進行樣品采集的同時，與Osiris-Rex任務不同之處在于，Marco Polo-R任務采用的MPRISM在已有的TAGSAM基礎上添加3個巖鑿器，如圖27所示。

MPRISM也可進行3次采樣任務，可獲得上百克的土壤樣品，并可對厘米級樣品進行選取，同時可獲取微米至毫米粒徑的顆粒，采集獲得的樣品不會被大于1 μm的塵埃或液體粒子污染，返回地球后樣品的含水量等級低于0.1 ppm。

當探測器與小行星表面接觸時，巖鑿器將點火，所有高壓氮氣進行激勵，巖鑿器將移開、破碎小行星硬質(zhì)表面或大的風化層顆粒，在高壓氮氣作用下MPRISM的頭部將收集樣品至托盤中。MPRISM采樣器的轉(zhuǎn)移、對準、釋放過程與Osiris-Rex任務類似。

2013年，MPRISM采樣器（僅含1個巖鑿器）先后多次針對Osiris-Rex TAGSAM采樣裝置的采樣模擬對象（玄武巖）等在地球重力與大氣環(huán)境下開展了相關測試，如圖28所示。測試表明，在巖鑿器不點火情況下，MPRISM采樣器具有Osiris-Rex TAGSAM采樣器的能力，在增加巖鑿器可進一步提高采樣量，并提升了對采樣點土壤的適應能力[23-25]。

圖28 MPRISM采樣測試Fig. 28 Sampling test of MPRISM

8）彗核采樣返回（Triple F）

彗核采樣返回任務Triple F（Fresh From the Fridge）是ESA宇宙夢想計劃項目中提出的項目之一，計劃于2018年4月發(fā)射，由于各種原因，仍未發(fā)射，先后利用月球、地球借力，2023年中期到達79P/du Toit-Hartley彗星，實施采樣返回任務，預計2028年返回地球，探測器如圖29所示。

Triple F任務擬在彗星表面不同的位置獲取至少3份樣品，其各個采樣位置具有不同的活動水平及地形特點，冰層覆蓋區(qū)域或活動區(qū)域作為首選采樣點，然后將采集非活動區(qū)域樣品，以便與活動區(qū)域樣品進行對比，最后將對光照較少區(qū)域（如極區(qū)）進行采樣。此外，Triple F任務采樣點選擇時還將考慮采集類似Tempel 1彗星的平坦區(qū)域，研究認為這類區(qū)域的物質(zhì)很可能源于次表層噴發(fā)。

圖29 Triple F探測器示意圖Fig. 29 Triple F detector

Triple F任務認為采樣方式應重點保護樣品的結構、組成不發(fā)生變化，在采樣過程中施加的作用力應不超過大多數(shù)樣品的張力、壓縮強度和抗剪強度，因此該任務采用了具有非擴散特性的薄壁采樣軟管，如圖30所示是采用內(nèi)徑7.5 mm，壁厚0.25 mm的塑料管采集得到的彗星模擬物樣品。試驗表明盡管樣品的壓縮強度小于500 Pa，但距采樣器壁大于1 mm的孔洞結構沒有發(fā)生改變。

圖30 Triple F采樣裝置示意圖Fig. 30 Triple F sampler

在采樣機構的采樣能力設計方面，Triple F任務結合深度撞擊Tempel 1彗星情況及理論分析認為，彗星的張力或抗剪強度約為1～10 kPa，抗壓縮強度約為10～100 kPa，其采樣機構可適應強度為1 MPa的樣品物質(zhì)。

Triple F任務探測器也采用TAG方式進行采樣，采樣時間不大于2 s，該任務擬采用香港理工大學的設計，該設計也繼承了Beagle 2的設計。Triple F采樣裝置有3個芯管，可完成3個不同區(qū)域的彗核樣品采集，芯管直徑為5 cm、長度為50 cm、壁厚0.5 mm，質(zhì)量為200 g。通過彈簧機構（繼承Philae的彈射機構）刺入彗星表面，彈簧可將芯管速度加速至12 m/s（為提高刺入速度，也考慮采用Philae魚叉的投射氣體發(fā)生器，可使其速度達到90 m/s）。由于芯管在采樣過程中，下端為開敞設計，為防止轉(zhuǎn)移過程中樣品灑落，在芯管底部設計了阻擋機構。

樣品采集完成后，樣品直接被轉(zhuǎn)移到返回艙中的冷藏樣品容器中，由于樣品采用完全獨立的冷藏爐，可以避免樣品的交叉污染。Triple F任務認為在活動區(qū)域，樣品采集深度達到50 cm就可以找到水冰，考慮樣品密度約為500 kg/m3，采用高度為50 cm、直徑為5 cm的圓柱體樣品容器，可獲得約500 g彗星物質(zhì)。為保證樣品的微觀結構部發(fā)生變化，任務返回過程中對樣品進行密封，并對溫度進行嚴格控制，樣品將處于133 K的溫度環(huán)境下，返回地球2 h內(nèi)溫度將升至163 K左右[26]。

比較有代表性的7次小天體采樣任務主要指標和采樣方式設計匯總?cè)绫?和表2所示。

表1 國外小天體采樣與表面操作主要指標對標Table 1 Main indexes of sampling and surface operation of foreign small celestial bodies missions

表2 采樣方式匯總Table 2 Summary of Sampling methods

根據(jù)對各國小天體探測任務的調(diào)研來看，小天體采樣探測主要有以下形式：①掠飛捕獲。由于捕獲粒子的速度可能較大，需對采樣裝置以至于整個探測器進行特殊的防護設計或選用特殊材料進行樣品采集；②短期著陸采樣。主要采用TAG方式，如“隼鳥號”“隼鳥2號”“歐西里斯”“馬可波羅”；③長期著陸獲采樣品。如“菲萊”著陸器，由于小天體表面低重力影響，需通過特殊方式進行固定。

從未來小天體探測任務發(fā)展趨勢來看，采樣返回將是后續(xù)小天體探測任務的主要形式，相比于飛越探測和著陸就位探測采樣返回探測的技術難度最大，由于可以利用地面實驗室對樣品進行充分的分析研究，所以科學價值最高，可以獲得的信息和科學成果最多，探測效益和科學回報最大[27-28]。

3 小天體環(huán)境及采樣技術需求分析

小天體特性較為復雜，存在較大的不確定性[29]，通過小天體特性與前期采樣任務調(diào)研可以分析得出以下影響采樣作業(yè)的主要因素。

1）微重力：小天體體積與質(zhì)量很小，致使表面重力很小，約比地球小4～5個數(shù)量級。在幾乎沒有重力的小天體上，要實現(xiàn)長期著陸非常困難，而采樣施加的力可能將探測器推離小天體。因此，這一特征決定了傳統(tǒng)的鉆孔取樣、挖掘取樣等方法難以應用，需要采用新型的取樣方式，且要求采樣作用力小。

2）地質(zhì)情況復雜且不確定：小天體種類繁多，不同小行星的地質(zhì)情況也有很大不同，有的表面覆蓋土壤，有的表面是巨大的金屬質(zhì)巖石或堅硬的玄武巖，有的表面碎石松散地堆集，孔隙極多，有的表面覆蓋冰層或冰土混合物。即使確定探測目標小天體，在取樣器著陸取樣前并不完全了解地質(zhì)特性，取樣對象具有不確定性。因此，要求取樣器具有很強的適應性，能夠?qū)哂胁煌匦缘牡刭|(zhì)進行取樣。

3）探測器著陸方式不確定：探測器著陸方式分為短期著陸（TAG）與長期著陸，短期著陸要求采樣時間較短，長期著陸要求可靠錨定。目前著陸方式尚未確定，因此采樣設計需兼顧兩種著陸方式。另外，小天體表面形狀不規(guī)則，存在隕擊坑、陡坡或隆起，因此要求采樣器設計靈活，能適應不同著陸姿態(tài)，并具有多點多次采樣能力。

4）表面低溫環(huán)境：根據(jù)已知數(shù)據(jù)，多數(shù)小天體太陽直射區(qū)在0 ℃左右，冬季極區(qū)在–100 ℃左右，可以暫定采樣器熱設計指標–120 ℃～50 ℃，可覆蓋大多數(shù)小天體表面溫度。

5）真空環(huán)境：小天體表面沒有大氣的存在，無法利用空氣對流進行冷卻。因此許多機構進行真空潤滑以及冷卻熱設計。

6）通信距離遠：小天體距離地球較遠，在采樣執(zhí)行過程中，與地面指控中心存在較長時間的通信延遲（例如“隼鳥號”16 min的時延，“羅塞塔號”需要約28 min的延遲）。因此小天體采樣過程中，需具備在軌實時處理的能力，并高度自主地控制，有序完成采樣任務。

基于以上分析，在進行小天體采樣技術工程研究中，將采樣關鍵技術進行了分析，如表3所示。

4 分析與啟示

結合目前已實施或計劃實施的小天體采樣探測任務情況，我國在小天體采樣技術研究中應關注如下要素：

1）新型、異構、多樣化復合的采樣技術研究

小天體采樣方式的確定和預定的科學目標具有重要關聯(lián)，對于掠飛捕獲，由于被捕獲粒子的速度可能較大，需對采樣裝置和整個探測器進行特殊保護設計確保安全；對于一觸即走的采樣方式，需對探測器逼近、接觸過程進行合理的設計，采樣裝置應具有高效可靠的瞬時采樣能力；對于長期著陸，應在著陸作業(yè)前通過地面觀測及環(huán)繞探測，確定目標天體的基本情況，盡可能減少采樣的不確定性。

表3 采樣關鍵技術Table 3 Key techniques of sampling technology

我國目前針對月球采樣開展鉆探、鏟挖兩種采樣方式的研究，形式相對單一，需結合小天體環(huán)境特點，開展低功耗、輕量化、高可靠、快速的多種采樣技術研究。

2）不確定性星表的包絡化采樣設計

未來小天體探測目標可能涉及S型小行星、M型小行星、C型小行星、彗星等，目標天體特性存在差異性。由于地面觀測能力的限制，探測器抵達目標前可能目標狀態(tài)都具有很大的未知性。因此在關鍵技術攻關過程中，應采用包絡性設計思想，使采樣作業(yè)能力覆蓋松軟土壤、碎石顆粒、巖石、金屬巖石、冰層等不同對象。

3）表面自主控制技術研究

小天體探測目標距離地球一般較遠，探測儀器和采樣裝置工作過程中，與地面指控中心存在較長時間的通信延遲，容易引發(fā)意外事故。例如，Hayabusa在開展采樣之前，釋放了Minerva納巡視器，但由于16 min的時延，導致著陸失敗、設備損壞。因此，小天體采樣過程中，需具備在軌狀態(tài)實時處理的能力，高度自主且有序地完成各項作業(yè)操作。

4）高可靠著陸固定技術研究

小天體采樣探測任務中，一般有3種形式：①是掠飛，如Stardust、Genesis；②是一觸即走，如Hayabusa 1、Hayabusa 2、Osiris-Rex、Marco Polo-R；③是長期著陸采樣，如Rosetta。從國外正在規(guī)劃的未來任務來看，長期著陸采樣將扮演更重要的角色。由于小天體表面低重力特點，可靠的固聯(lián)方式是保證采樣成功的前提條件。Rosetta任務采用冷氣反推、魚叉裝置、著陸腿冰螺栓組合方式固定，實施結果并不理想，冷氣推力器出現(xiàn)故障，魚叉裝置發(fā)射失敗，僅有冰螺栓實現(xiàn)了一定程度的固定，導致著陸器發(fā)生了兩次彈跳，3次才著陸的情況，最終偏離預定著陸點約3 km，致使太陽光照時間大幅下降，引發(fā)備用蓄電池供電不足風險。可見，高可靠的探測器固定方案對小天體采樣探測成功至關重要。

本文通過調(diào)研小天體表面特性以及國外小天體采樣技術研究現(xiàn)狀與成果，總結了小天體環(huán)境對采樣探測的特殊要求，歸納了小天體表面弱引力條件下采樣探測具有低反作用力、輕量化、小型化、低能耗化，需適應附著與接觸探測模式等特點，提出了對小天體采樣探測的技術需求，為對小天體采樣探測技術深入研究提供支撐。