小天體采樣探測技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望

于登云 張興旺 張明 殷參 賴小明 趙曾

(1 中國航天科技集團有限公司，北京 100048)(2 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

開展深空探測活動是人類探索宇宙奧秘、尋求長久發(fā)展的必然途徑，是近地空間到更廣闊太陽系空間的必然拓展[1]。目前，我國深空探測正由月球挺進更深遠的宇宙，未來深空探測工程主要以火星和小行星探測為代表。而在月球、火星、小行星乃至未來其他星體的深空探測任務中，星體表面或表面下土壤及巖石樣品的采集對研究星體環(huán)境、資源、地質構造及物質組成等具有重要意義[2]。

太陽系內的小天體是比行星小但又不屬于矮行星的天體統(tǒng)稱，主要包括小行星、彗星及流星體等。獲取小天體上物質主要是為了科學研究和資源獲取[3]。小天體由于演化程度小，較大程度地保留了早期形成和演化的特征，是人類研究太陽系及其行星和生命的起源及演化等重大科學問題的重要載體[4]。同時，初步探測表明，小天體可能蘊藏著豐富的貴重金屬和稀有元素等礦產(chǎn)資源，具有巨大的潛在價值。因此，小天體采樣探測及其技術研究具有重要的科學與工程意義。與其他天體探測一樣，小天體探測也是一項多學科交叉、技術高度集成的系統(tǒng)工程，其采樣探測技術的突破有助于更加深入地研究地外天體特性，進而推動基礎領域及前沿領域的科技進步。

本文總結了小天體探測40余年中采樣探測技術的發(fā)展歷程，分析了現(xiàn)有采樣探測技術的種類、特點和適用性，提出了采樣探測技術未來可能的發(fā)展趨勢和研究重點，可為后續(xù)我國小天體探測提供參考。

1 小天體采樣探測發(fā)展

與其他地外天體探測相比，小天體探測起步較晚。20世紀80年代，哈雷彗星的到來使得各主要航天國家開始關注小天體探測。經(jīng)過近40年的發(fā)展，小天體探測已實現(xiàn)飛越、環(huán)繞、撞擊、著陸及采樣返回多種探測方式，探測程度和目標進一步加深[5]。截至目前，全球共直接或間接實施了22次小天體探測活動[6]，不同探測方式統(tǒng)計如圖1所示。其中，飛越探測有2次失敗，著陸任務中有2次為環(huán)繞+著陸探測，采樣返回任務中有2次任務仍在進行中。

圖1 不同探測方式統(tǒng)計Fig.1 Statistics of different exploration modes

在22次探測活動中，5次為采樣探測任務。其中：“羅塞塔-菲萊”(Rosetta-Philae)探測器為著陸就位采樣探測任務，并未返回；“星塵”(Stardust)、“隼鳥”(Hayabusa)、隼鳥-2(Hayabusa-2)及“源光譜釋義資源安全風化層辨認探測器”(OSIRIS-Rex，簡稱“歐西里斯”)等探測器為采樣返回探測任務。此外，馬可波羅-R(MarcoPolo-R)采樣返回和“彗核采樣返回”(Fresh From the Fridge，Triple F)探測任務正在積極籌備中。7次采樣探測任務如圖2所示。

上述任務涉及的采樣探測技術主要包括飛越吸附、射彈濺射、錨固鉆取、氣體激勵、輪刷+巖鑿器，以及取芯管沖擊貫入等，其技術特點及適用性如表1所示。

表1 小天體采樣探測技術特點及適用性

2 小天體采樣探測技術進展

小天體特性較為復雜，具有微弱引力、形狀不規(guī)則、環(huán)境因素和表面構造及其成分特性不確定等特點。因此，實現(xiàn)小天體采樣探測，除滿足采樣收集過程不能改變物質組成(分子、元素或同位素)、物理性質、礦物及其相的比例和粒度分布等約束，還必須使采樣探測技術滿足低反作用力、環(huán)境適應性及不同表面適應性等工程約束要求，同時還需要考慮可重復取樣及樣品污染防護等要求，如圖3所示。

圖3 采樣探測技術特點

目前，綜合國內外研究現(xiàn)狀，小天體采樣探測技術主要可概括為吸附捕獲、射彈濺射、螺旋鉆進、切割、輪刷、撞擊取芯、氣動、鏟挖，以及沖擊和振動鉆進采樣技術[7-8]。其主要技術特點和適用性分述如下。

2.1 吸附捕獲采樣技術

吸附捕獲采樣技術根據(jù)采樣方式的不同，主要分為飛越吸附捕獲采樣技術和接觸吸附捕獲采樣技術2類。

飛越吸附捕獲技術是探測器以一定速度飛越小天體，通過多孔的固體凝膠吸附捕獲星際或小天體周圍的塵埃及揮發(fā)物等微小顆粒。其主要以美國的“星塵”探測器為代表，利用具有低密度、惰性、低熱導率、高透明度及多孔等特性的硅基固體材料氣凝膠作為主要捕獲介質進行吸附捕獲[9]。其中，高透明度使得捕獲顆粒的軌跡定位和測量相對容易。氣凝膠呈小塊狀(面積2 cm×4 cm，厚3 cm)，共132塊，通過柔軟的鋁箔片(Al 1100)固定在網(wǎng)球拍狀的金屬框架中[10]。其每個氣凝膠模塊采用變密度設計，密度從正面的5 kg/m3一直變化到背面的50 kg/m3。顆粒撞擊氣凝膠后將被捕獲在材料內，形成相應的軌跡，實現(xiàn)對空間揮發(fā)物及星際塵埃的捕獲收集。最后，氣凝膠固定裝置被收回，密封在主航天器末端的返回艙中帶回地球。

接觸吸附捕獲采樣技術是采用與小天體接觸的方式，利用膠粘劑等粘取吸附小天體表層細小顆粒。文獻[11]中研究的接觸即走吸附采樣機構，包括一個機械臂和一個直徑30 cm的具有膠粘劑的托盤。當采樣器到達小天體表面上方一定高度后，機械臂展開使其末端的膠粘劑托盤接觸小天體表面，在1～2 s內完成小天體表層顆粒的膠粘吸附，可獲取1～2 cm的碎屑。最后，機械臂收回并將粘接有樣品的托盤放入返回艙帶回地球。

吸附捕獲技術具有簡單易行、活動部件較少且耗能少等優(yōu)點，尤其飛越吸附捕獲技術因不考慮著陸、起飛等因素，相對更為簡單，耗能更少。該采樣技術主要適用于太空飄浮的塵埃及小天體表層碎屑等微小顆粒，采樣所需作用力很小，采樣量取決于顆粒的多少，可控性較低。為了增加太空顆粒的數(shù)量，進而提高采樣量，可以采用快速撞擊采樣返回(RISR)技術。由距離小天體表面1～2 m高度掠飛的采樣器釋放單獨的撞擊器撞擊小天體表面(如圖4所示)，從而使小天體上空產(chǎn)生大量塵埃及碎屑羽流，隨后采樣器在羽流中吸附捕獲與其大致同速的粒子或碎屑，并將其收集在金屬容器或收集袋(Kevlar或內襯Nextel制成)中，由探測器帶回地球[12]。采用這種吸附捕獲方式會讓樣品層理信息受到影響。巖石等材料將承受很大的壓力，且會因沖擊波的變形而被加熱，從而可能造成巖石的原始特性丟失。

圖4 快速撞擊采樣返回技術采樣過程Fig.4 RISR technique sampling process

2.2 射彈濺射采樣技術

射彈濺射采樣技術是在探測器與小天體表面接觸后，通過火工裝置等發(fā)射射彈撞擊小天體表面，使得表層土壤或大型巖塊發(fā)生顆粒濺射，濺射顆粒通過一定的導流裝置(如錐形罩等)進入樣品容器，從而完成采樣[13]。此項技術以日本的“隼鳥”系列探測器為代表，探測器主要由拋射器、錐形罩、可擴展編織罩及金屬罩等組成[14]，如圖5所示。拋射器通過發(fā)射質量為5 g的金屬鉭射彈高速(300 m/s)撞擊小天體表面[15]，表層的巖土微顆粒在射彈撞擊下以一定的速度濺射，并通過金屬罩、擴展編織罩和錐形罩構成的通道進入樣品罐，最后通過轉移機構轉移至樣品容器。

射彈濺射采樣技術可采用接觸即走的著陸、采樣及起飛返回的探測方式，不需要考慮微重力下的著陸錨固技術，采樣無需電機且所需作用力較小，同時可以降低燃料消耗，技術實現(xiàn)相對容易。但是，這種技術主要適用于表層采樣及采樣量較少的探測任務，采樣量取決于濺起顆粒數(shù)量，具有一定的不可控性。此外，與RISR技術類似，高速撞擊對樣品層理特性的保持具有一定的影響。

2.3 螺旋鉆進采樣技術

螺旋鉆進采樣技術一般是通過取芯鉆頭和帶有螺旋的空心鉆桿旋轉鉆進實現(xiàn)樣品采集和轉移。目前，該技術無論是在月球或火星探測上都應用廣泛，相對較為成熟。在小天體探測方面，ESA的“羅塞塔”(Rosetta)任務、Honeybee Robotics公司研發(fā)的樣品采集和傳送機構(SATM)，以及文獻[16-17]中提出的一種多功能小行星采樣器，都主要采用螺旋鉆進采樣技術。螺旋鉆進采樣技術的執(zhí)行系統(tǒng)通常主要由鉆進取樣機構及樣品轉移機構等組成[18]。其中，鉆進取樣機構由旋轉電機、取芯鉆具(取芯鉆頭和螺旋鉆桿、取樣管等)、斷芯機構、進給傳動機構(鋼絲繩或絲杠螺母等)及直線導軌等組成。鉆桿一般采用強度和剛度較高的空心外螺旋結構；鉆頭采用鑲有硬質合金片或金剛石復合片等材料的刀片，以有效切削小天體土壤或巖石等樣品及鉆進排屑。此外，為實現(xiàn)自主操作和分析，鉆頭還可以安裝測量力和扭矩等的傳感器；為了實現(xiàn)原位探測，在樣品室內還可以設計可靠的樣品彈出機構，將樣品傳送到原位分析儀器進行分析[19-20]。由于小天體的微重力特點，要通過螺旋鉆進采樣技術實現(xiàn)小天體采樣，必須先完成采樣器在小天體表面的錨固，因此還需要配備相應的錨固裝置，如“羅塞塔-菲萊”主要利用冰螺栓、冷氣推力器及魚叉裝置等組合實現(xiàn)錨固[21-22]。冰螺栓首先依靠著陸器的沖擊力刺入彗星表面，冷氣推力器隨即噴氣反推，確保冰螺栓進一步刺入彗星表面，隨后火工裝置驅動魚叉裝置動作，多點刺入彗星表面，完成著陸器與彗星的錨固[23]。

螺旋鉆進采樣技術實現(xiàn)了鉆采一體的功能，同時可滿足鉆取采樣返回及原位探測等不同任務。它能很好地適應小天體不同的表面構造，實現(xiàn)表層、次表層甚至深層等不同深度的土壤及巖石等對象的鉆進采樣，深入探測小天體內部結構；而且，其采樣量大，并能夠較好地保持采樣對象的層理信息，有效避免交叉污染。該采樣技術可控性強，能夠集成各種傳感器實時在線分析檢測，通過鉆進參數(shù)和規(guī)程的調整實現(xiàn)樣品大小的連續(xù)調節(jié)(如樣品采集和傳送機構)，從而滿足原位探測各種分析儀器的要求。常規(guī)的螺旋鉆進采樣技術所需的鉆進力大，在鉆進采樣前首先需要完成采樣器在小天體表面的錨固和附著等，而微弱引力下的著陸及其不同表面的錨固技術相對復雜，而且著陸、錨固及起飛等的燃料消耗相對較大。

2.4 切割采樣技術

切割采樣技術主要是Honeybee Robotics公司為“接觸即走表層采樣器”(TGSS)開發(fā)的采樣技術，主要由展開機構、采樣頭及樣品容納子系統(tǒng)組成[24]。展開機構通過將吊桿伸展到小天體表面進而展開采樣頭。采樣頭包含5個高速切割器(中心鉆安裝在齒輪側邊)，由單個馬達驅動，在切割器頂部裝有一個可移動的樣品室。采樣時，采樣頭以5000～8000 r/min的速度與切割器反向旋轉，消耗20～30 W的功率。這些高速切割器在接觸小天體表面時會拋出表層材料，安裝在切割器上方的2個導軌將拋出的顆?；蛩樾家龑У娇梢苿拥臉悠肥抑校S后樣品容納子系統(tǒng)對樣品進行轉移并密封。

切割采樣技術能夠采集表面下1 cm到4 cm深的重碎石(體積最高50 cm3)或弱固結材料(單軸抗壓強度(UCS)小于10 MPa)的樣品，可重復使用，能對多個位置進行采樣；而且，能將樣品存儲在單獨的容器中以進行原位分析或樣品返回，交叉污染小。

2.5 輪刷采樣技術

輪刷采樣技術是一種接觸即走方式的采樣技術，NASA噴氣推進實驗室(JPL)及ESA均對此技術開展過研究。輪刷采樣機構主要由機械臂、輪刷和樣品收集器等組成。輪刷采用一對具有柔性的電輪刷，這樣在采樣遇到比預期更堅硬的土壤時，輪刷可簡單地偏斜，進而使得電動機繼續(xù)轉動，避免其卡住和過載[25]。當探測器降低到距離小天體表面一定高度時，機械臂展開至與小天體表面接觸，隨后輪刷會以相對較高的速度反向旋轉，將表層樣品掃入收集器。除此之外，為了能夠適應一定的巖石表面，ESA在此基礎上集成了一種巖鑿器[26-27]，以破碎一定硬度的小天體表面，增強采樣技術的適應性。

輪刷采樣技術采用具有足夠柔性的電輪刷，可以相應地使電動機更輕并且耗電更少，降低能源消耗。同時，電輪刷的剛度、電機轉矩和轉速可做適應性調整，以最大程度地提高對特定預期硬度土壤的采樣效率。但是，該采樣技術只適用于表層比較松散的顆粒采樣，而且采樣收集可控性較弱。

2.6 撞擊取芯采樣技術

撞擊取芯采樣技術是利用取芯裝置以一定速度撞擊并插入小天體表面下一定深度，樣品由取芯管收集完成后轉移到樣品容器并返回探測器。目前，主要有探針撞擊取樣、魚叉取樣及著陸取芯管撞擊取樣3種取樣方式。

探針撞擊取樣技術[28]通過搭載幾個探針的探測器實現(xiàn)。探測器到達選擇好的小天體表面采樣點，探針與探測器分離，利用姿態(tài)控制系統(tǒng)自旋穩(wěn)定，并將其自身推向小天體表面。撞擊后，探針收集樣品并將其輸送到上級收集器，隨后進行密封。帶有樣品的收集器與探針主體的其余部分分離，并使用與下落時相同的姿態(tài)控制系統(tǒng)從表面起飛，與探測器對接后移交密封的樣品，最終由探測器將樣品帶回地球。該技術的主要優(yōu)點是采樣系統(tǒng)完全獨立于探測器，從而消除探測器與小天體表面接近時的相關危險，燃料消耗也相對較小。

魚叉取樣技術是探測器在距離小天體表面一定高度時通過發(fā)射帶有系繩的魚叉取樣器迅速收集來自小天體的樣品。高度不同，魚叉取樣器發(fā)射形式也不同。高度較高時，可直接從搭載有魚叉取樣器的探測器上投下；高度較低時，可采用壓縮空氣或存儲的機械能或化學能來發(fā)射。魚叉取樣器被發(fā)射到小天體表面后，在穿透表面的過程中捕獲、采集樣品，然后使用系繩將其卷回到探測器中。如果表面非常柔軟，且發(fā)射功率較高，魚叉取樣器會比預期穿透深度要深很多，這樣樣品取回就具有一定的挑戰(zhàn)性。

著陸取芯管撞擊取樣技術采用著陸后的取芯管撞擊小天體表面，從而實現(xiàn)樣品獲取?！昂缟裥?7 Iris)探測”(A Main Belt Asteroid Seismic study and Sample Acquisition to Determine meteorite ORigins,AMBASSADOR)任務[29]和“彗核采樣返回”任務[30]均采用此項技術。取芯器是固定的圓柱形容器，固定在著陸到小天體表面的剛性臂末端。當炸藥點火(或彈簧釋放)將取芯器向下方發(fā)射時，芯管會埋到小天體表面里，隨后通過芯管底部的阻擋機構將樣品收集到芯管里。最后，利用反沖力將取芯器和樣品送回著陸器返回地球(“虹神星探測”任務)或直接從小天體表面起飛返回地球(“彗核采樣返回”任務)。

2.7 氣動采樣技術

氣動采樣技術在空間應用的概念早已被提出。20世紀90年代，NASA約翰遜航天中心(JSC)就提出了用于月球采礦的氣動采樣技術[31]。如圖6所示，氣動采樣技術主要有2種方法：①將壓縮氣體從中心管注入到風化層下幾厘米處，向外逸散的氣體將中心管周圍的土壤顆粒吹入輸送管，并沿其向上運動到樣品收集器；②將帶有噴射氣孔的自封閉管插入風化層中，管的前端由于風化層顆粒的進入形成封閉系統(tǒng)，然后注入氣體，管內的風化層顆粒會隨著氣體的流動進入樣品收集器。

圖6 2種氣動采樣技術示意Fig.6 Two pneumatic sampling techniques

目前，NASA的“歐西里斯”任務就采用了氣動采樣技術[32]。當采樣器接觸小天體表面后，指向表面的氮氣環(huán)形射流使表層松散風化層流化[33]，帶有粉塵的氣流通過圓形采樣器內的過濾器元件，其中的氣體逸散，碎石及粉塵等顆粒會被過濾器捕獲，隨后接觸盤中的聚酯薄膜材料收集流動的表層樣品。在此期間，表面接觸墊還會收集細顆粒材料。采樣完成后，機械臂彈簧反彈，發(fā)動機點火飛離小天體表面[34]。此外，馬可波羅-R任務在輪刷和巖鑿器的基礎上也集成了氣動收集樣品技術，以更好地獲得樣品。我國也開展了小天體氣體激勵采樣技術研究，在氣體激勵模塊的基礎上增加了破巖機構，提高了對小天體不同表面構造的破碎程度，增強了采樣技術的適應性[35]。

氣動采樣技術非常適合于獲取用于科學分析的小樣品及用于資源開采和處理的大樣品。氣動采樣系統(tǒng)一般由固定的噴嘴和一系列的管子組成，它沒有諸如電動機、軸承等移動部件，因此非常適合多塵環(huán)境。同時，通過調節(jié)壓力和流速，可以區(qū)分顆粒大小，從而實現(xiàn)針對特定任務量身定制或優(yōu)化采樣系統(tǒng)[36]。此外，如果只為采集少量樣品進行科學分析，還可以將氣動采樣系統(tǒng)集成到著陸器的每個腳墊內。采樣管可以固定在腳墊內，也可以在腳墊內展開，與腳墊齊平或粘在腳墊下方。但是，單一的氣動采樣技術只適合表層比較松散的風化層和碎石采樣，為更好地適應多成分采樣，需集成其他采樣技術。

2.8 鏟挖采樣技術

鏟挖采樣技術是NASA肯尼迪航天中心(KSC)開發(fā)的“風化層表面高級系統(tǒng)操作機器人”(RASSOR)[37]采用的技術。該機器人(如圖7所示)可以在極低重力的環(huán)境中運行，能夠在陡峭的斜坡和較為松軟的風化層地形上行走，并且具有可逆的操作模式，因此若發(fā)生傾翻也可重新恢復正常工作。其挖掘系統(tǒng)是一個可移動平臺，該平臺帶有履帶，可以與輪式系統(tǒng)配合使用。2個反向旋轉的鏟斗滾筒由旋轉懸臂機構固定在移動平臺的前端和后端，通過控制懸臂的角度可以改變鏟挖切削深度。該平臺具有裝載、運輸和卸載3種操作模式。在裝載過程中，安裝在鏟斗滾筒外部的鏟子會以20 r/min的速度依次切割多塊土壤或碎石。在運輸過程中，通過旋轉懸臂使鏟斗滾筒升高，離開挖掘表面，然后移動平臺移動，過程中土壤或碎石會留在鏟斗滾筒中。最后，當移動平臺到達卸載位置時，鏟斗滾筒會以與鏟挖旋轉方向相反的方向旋轉，從而使收集的樣品從每個連續(xù)的鏟斗中排出。此外，為了從樣品中回收礦石，還可以將鏟斗設計為樣品提取回收裝置，即當捕獲碎石后，將滾筒密封，隨后加熱筒內的碎石以回收有價值的揮發(fā)物，例如水冰。

圖7 “風化層表面高級系統(tǒng)操作機器人”Fig.7 RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot)

“風化層表面高級系統(tǒng)操作機器人”具有可逆操作模式，任一側朝上都可以將自身翻轉過來。因此，它可以直接從著陸器的甲板上駛下，靠低重力自行展開，不需要額外的展開機構，能降低裝置復雜性，減小質量，并提高可靠性。另外，對稱的反向旋轉的鏟斗滾筒能讓2個挖掘力相互抵消，即水平作用力為零。但是，該技術主要適用于表層松散的風化層和較小碎石采樣，對大塊巖石或整巖的采樣能力有待增強。

2.9 沖擊和超聲振動鉆進采樣技術

小天體的極低重力環(huán)境使得降低采樣作用力至關重要，而沖擊和振動鉆進采樣技術可以滿足此要求[38-41]。該技術主要通過凸輪彈簧、擒縱機構、電磁、壓電等方式實現(xiàn)，包括沖擊鉆進采樣技術和超聲振動鉆進采樣技術等。其中，沖擊鉆進采樣技術是指在探測器安全著陸后利用電能等驅動，采用類沖擊錘打樁原理對沖擊錘進行周期性儲能，利用沖擊錘釋放后獲得的動能沖擊采樣器本體，以獲得沖擊作用力侵徹小天體巖石或土壤，通過“侵徹擠密”效應實現(xiàn)采樣器的周期性間歇鉆進，直至完成鉆進取芯采樣。超聲振動鉆進采樣技術包括超聲輔助鉆進取芯采樣技術及超聲沖擊鉆進取芯采樣技術。超聲輔助鉆進技術是將常規(guī)鉆頭或取芯鉆頭安裝到超聲波換能器中，實現(xiàn)在常規(guī)回轉鉆進行切削運動時施加高頻(超聲波)振動，從而實現(xiàn)小作用力下巖石等的鉆進采樣。在此基礎上，超聲鉆進采樣技術通過一定的機構傳遞，將超聲高頻振動轉換成低頻錘擊運動[42]，以實現(xiàn)小天體的鉆進采樣。

沖擊和振動鉆進采樣技術是低功耗、強適應性的鉆探技術，所需采樣作用力很小，可以克服小天體采樣時鉆頭鉆進需要作用力大的局限性，能夠使用相對較輕的鉆進設備以較小的作用力執(zhí)行硬巖、冰塊和土壤的鉆進取芯任務。此外，新型超聲鉆進采樣器結構簡單、體積小、質量小，方便安裝在輕質靈巧的工作平臺(如漫游車、機械臂)上[43]，也便于航天員進行人工操作，其動力源為壓電驅動，能更好地適應復雜空間環(huán)境(高低溫、真空及輻射等)，在探索適合深空探測的科學鉆探新技術和新方法的過程中備受矚目。

3 未來小天體采樣探測關鍵技術

縱觀小天體采樣探測的發(fā)展歷程和特點，小天體采樣探測已進入采樣返回并進行詳盡研究的階段。而探測器資源約束及小天體表面和內部構造等特性對采樣返回任務的實施具有重要的影響。為更好地實現(xiàn)我國小行星“探、控、用”(小行星探測“三步走”[44])發(fā)展策略，進一步深入研究小天體的內部構成，探測水和有機物質的分布等，未來探測任務將逐步向難度更大的長期著陸并采樣返回的方式邁進，所以長期著陸、采樣量大及適應不同地質構造等的采樣探測技術將是研究重點。作為對未知宇宙的探索活動，探測的小天體及其環(huán)境往往具有不確定性，固有的風險性較高，但無論采用何種技術，采樣機構及其采樣控制器均應盡可能地減小質量，降低功耗，優(yōu)化布局[45]。因此，兼具表面適應性強、可重復性強、輕量化、能耗低及效率高等特點的采樣返回技術將成為研究重點。

3.1 低反力高效碎巖技術

目前，已探明的小天體表面物質構造按類型可大致分為表面土壤、鵝卵石、巨石及隕擊坑等[46]。已有采樣探測器(如吸附捕獲、射彈濺射及氣動采樣)大多以表面土壤為對象進行研究分析，為更深入研究小天體構造及成分，需要開展小天體深層物質鉆進及碎巖技術研究，得到具有深層采樣能力的多功能、低功耗、輕小型巖石采樣機構[47]。不同于月球、火星等其他地外天體，小天體具有微弱的引力環(huán)境，因此針對月球和火星等的螺旋鉆進采樣技術不能完全適用于小天體采樣探測，必須開展微弱引力環(huán)境下的低反力高效碎巖技術研究。為此，需要重點開展包括超聲鉆取碎巖技術、熱輔助破巖技術、爆破碎巖技術、電磁沖擊碎巖技術及激光碎巖技術等的研究和攻關。除此之外，為提高碎巖效率和任務可靠性，還需要深入開展超聲、熱輔助及爆破等作用下碎巖機理及其仿真和試驗研究，分析影響巖石破碎程度的主要因素，充分認識不同技術在碎巖中的特性，得到適用于小天體采樣探測的低反力、低功耗、高效碎巖技術。

3.2 不同表面錨固技術

除“羅塞塔-菲萊”探測器外，現(xiàn)有其他小天體采樣探測器主要基于繞飛或接觸即走的短期著陸采樣方式，并未考慮著陸錨固技術。而縱觀國外已規(guī)劃的彗星采樣返回、小行星采礦及載人登陸小行星等任務，長期著陸探測將在后續(xù)小天體探測任務中起到至關重要的作用。小天體的微弱引力環(huán)境使探測器在著陸及進行采樣、原位探測等操作時，必須開展相應的錨固技術設計，以保證探測器與小天體表面具有較好的固聯(lián)狀態(tài)。小天體表面及其巖石硬度和脆性等的不確定性[48]，使錨固困難極大且?guī)в胁淮_定性，所采用的錨固技術必須同時適用于各種表面[49]。因此，開展高可靠的錨固技術研究對小天體長期著陸探測及采樣返回具有重要意義。錨固機構主要包括發(fā)射裝置、錨和纜繩，其中，發(fā)射裝置的可靠性決定了探測器能否在小天體表面進行錨固[50]，錨的結構影響著錨固的可靠性。為可靠地完成錨固，需要針對風化層、碎石堆及巨石(不同硬度和脆性)等不同表面開展發(fā)射裝置和錨結構等錨固技術的適應性研究，使其能夠在不同小天體表面安全可靠地錨固。

3.3 復合高可靠采樣探測技術

由于小天體種類繁多，地況復雜，且目前很難通過地面望遠鏡判定小天體類別，只能通過探測器對其進行近距離繞飛觀測或對來自小天體的隕石進行研究來推測小天體表面構造或成分特性，對其地質狀況的認識還十分有限。因此，采樣器在著陸采樣前對采樣對象的具體特性并不完全了解，采樣具有一定的盲目性。這就要求采樣器具有很強的適應性，能夠對不同特性的地質進行采樣，使采樣探測能力覆蓋松軟土壤、碎石顆粒、巖石、金屬巖石及冰層等不同對象，同時還能具備樣品保存、分選及處理甚至分析的能力。目前，已有采樣技術主要針對土壤或碎石等一種或兩種對象進行適應性研究。未來，綜合有超聲、微波、激光、電磁沖擊、爆破、鉆取、鉗取及氣體激勵等兩種或多種功能的復合采樣技術將會成為小天體采樣探測的主要發(fā)展方向之一。同時，還需要開展小天體表面自適應鉆進規(guī)程研究，有效控制鉆進力載，提高鉆進效率及取樣率[51]。此外，小型化多物理量耦合系統(tǒng)綜合采樣技術，也是未來小天體采樣探測技術的研究重點。

3.4 微重力高真空模擬技術

利用采樣收集機構獲取樣品并對樣品進行收集、轉移和分析研究，是小天體采樣探測任務的關鍵技術。在采樣探測及返回任務中，無論是樣品采集技術還是樣品回收技術，都需要充分考慮小天體的環(huán)境因素。相比于地面的大氣和重力環(huán)境，由于小天體微弱引力和高真空環(huán)境，采樣技術和樣品傳輸及回收技術與地面重力下的行為會存在較大的差異，氣流及顆粒的運動可能有所不同，這些都直接影響采樣任務的成敗。目前，國內外已有的采樣探測技術對微重力高真空環(huán)境下的樣品運動和轉移研究尚有待深入。為確保采樣返回任務的順利完成，必須在地面研究小天體微重力高真空采樣環(huán)境下的等效模擬技術及此環(huán)境下樣品采集作用行為驗證技術，深入了解微重力高真空環(huán)境下氣流和顆粒的分布與運動，充分進行地面驗證，提高采樣任務的安全性和可靠性。

此外，采樣實時探測集成技術、采樣就位探測與分析及提取利用技術等，也將是后續(xù)小天體采樣探測技術的研究重點。

4 結束語

小天體采樣探測是研究太陽系形成與演化、探索宇宙奧秘、搜集地球安全防御信息及尋找地外稀有資源等的重要手段，已成為未來一段時間內深空探測任務的熱點領域之一，同時也是一項高技術、高風險、高投入的航天活動。國外雖然結合小天體探測任務開展了不少小天體采樣技術研究，甚至有的已在工程任務中得到較好的應用，但大多仍處在概念研究或初步研究階段，可靠性更高、適應性更強的采樣技術亟需攻關，以適應未來的小天體采樣返回探測發(fā)展需求。

我國在小天體采樣探測技術研究方面起步較晚，目前，部分高校和研究機構結合未來小天體采樣探測需求開展了相關技術研究，并取得了一定進展，但與國際先進水平相比仍存在一定差距。面對目前國際小天體采樣探測熱潮，我國應大力開展小天體采樣探測關鍵技術研究，提高小天體采樣探測能力，為進一步推動空間技術、空間科學和空間應用等領域的創(chuàng)新發(fā)展和未來小天體探測活動提供支撐。