“奧西里斯-雷克斯”采樣：吹氣+吸塵器式

文/ 遲惑

2016年，美國宇航局發(fā)射了奧西里斯-雷克斯探測器前往“貝努”小行星。與“隼鳥號”選擇的堅(jiān)硬目標(biāo)不同，“貝努”是一顆松散結(jié)構(gòu)的小行星，質(zhì)地不算很軟也不算很硬。于是美國宇航局為它設(shè)計(jì)了一種奇怪的采樣方式，簡單說就是“吹”加“吸”。

工作過程

“奧西里斯-雷克斯”的采樣過程，看起來充滿了上世紀(jì)六七十年代科幻動畫片的風(fēng)格。在探測器上，除了各種遙感儀器之外，最重要的就是一個采樣機(jī)械臂。它有一個復(fù)雜的名字，叫做“接觸和前進(jìn)樣品獲取機(jī)構(gòu)”，簡稱TAGSAM。TAGSAM 長約11 英尺（3.35 米），有3 個關(guān)節(jié)，圓盤型的樣本采集頭在最前面。在飛行過程前期，TAGSAM 都處在收攏狀態(tài)。

在采樣期間，TAGSAM 沿著探測器的質(zhì)心將采樣盤伸出去，距離有效載荷安裝面3 米左右。當(dāng)采樣盤接觸到小行星表面時，機(jī)械臂內(nèi)部的彈簧起到一定的緩沖作用，然后觸發(fā)機(jī)械臂上的微動開關(guān)，監(jiān)控接觸加速度，共同確定采樣盤是不是與表面接觸了。一旦確認(rèn)，計(jì)算機(jī)就會啟動氮?dú)馄繃娚洹?/p>

采樣盤的結(jié)構(gòu)是氣管在外、收集槽在內(nèi)。氮?dú)鈴臍夤車姵?，垂直吹到小行星表面，把土壤和石子顆粒吹起來，強(qiáng)迫它們頂開收納槽表面的聚酯薄膜，進(jìn)入收納槽內(nèi)部。收納槽外圓周上設(shè)置了孔徑只有38 微米的不銹鋼篩網(wǎng)，氣體可以通過，但土石樣品無法通過。這樣可以有效收集塵埃尺寸的表土。

▲“奧西里斯-雷克斯”的采樣方式模擬圖

▲“奧西里斯-雷克斯”的采樣盤模擬圖

在地球上的試驗(yàn)期間，人們發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)只要1 秒鐘就可以收集足夠的樣品。根據(jù)設(shè)計(jì)，TAGSAM 可以采集150 克樣品。其實(shí)科學(xué)家們只想要60 克就夠用了，因此TAGSAM 采樣成功的標(biāo)準(zhǔn)就是60 克。在地面測試期間，TAGSAM 達(dá)到的最大采集質(zhì)量紀(jì)錄為1.9 千克。

▲“奧西里斯-雷克斯”的工程師在檢查采樣機(jī)械臂

▲“奧西里斯-雷克斯”的接近相機(jī)

采樣過程

因?yàn)榫嚯x遙遠(yuǎn)，所以地面控制團(tuán)隊(duì)和“奧西里斯-雷克斯”之間沒有辦法直接通信，各種操作只能是由探測器自主完成。在一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，需要團(tuán)隊(duì)發(fā)送指令，但是收到反饋要等很久。這也成為深空采樣的一個最主要困難。

2018年10月17日，“奧西里斯-雷克斯”丟掉了TAGSAM 的頂蓋；10月25日觸發(fā)了爆炸螺栓，將TAGSAM從收納狀態(tài)施放出來；11月14日，TAGSAM 首次完全伸展開來，完成了各項(xiàng)測試。但這時距離真正的采樣還遠(yuǎn)。

對“貝努”小行星的探測工作總體上稱為“近距離作業(yè)”，采樣工作是其中的一部分?！敖嚯x作業(yè)”階段于2018年11月開始，包括以下子階段：初步勘測，軌道A 機(jī)動，詳細(xì)勘測，軌道B 機(jī)動，測繪，TAGSAM 采樣預(yù)演，TAGSAM 實(shí)施。測繪階段之前的所有階段，都是為了不斷深化對“貝努”表面的測量，最終為TAGSAM 采樣服務(wù)。

因?yàn)榫嚯x地球遙遠(yuǎn)，一旦失敗沒有補(bǔ)救的機(jī)會，所以在真正采樣之前，任務(wù)小組還是進(jìn)行了一些預(yù)演。

▲“奧西里斯-雷克斯”發(fā)射升空

第一次預(yù)演被稱為“檢查點(diǎn)”，主要是把“奧西里斯-雷克斯”從繞飛軌道過渡到采樣軌道。具體內(nèi)容包括獲取導(dǎo)航圖像、激光雷達(dá)測距和制導(dǎo)導(dǎo)航控制，將TAGSAM 部署到采樣位置，以及實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航所需姿態(tài)。這次預(yù)演僅僅接近到“貝努”表面125 米的位置，然后發(fā)動機(jī)點(diǎn)火，返回繞飛軌道。之后，“奧西里斯-雷克斯”將所有導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳輸?shù)降厍?，供任?wù)小組確認(rèn)距離、速度、姿態(tài)、事件序列等是否正確。

第二次預(yù)演稱為“匹配點(diǎn)”，不但要重復(fù)“檢查點(diǎn)”預(yù)演的所有步驟，還要執(zhí)行以下操作：發(fā)動機(jī)開啟，將探測器送入前往“貝努”表面的下降軌道，然后再次推進(jìn)，讓探測器與小行星旋轉(zhuǎn)速率匹配，并緩慢下降到“貝努”表面。執(zhí)行上述動作后，探測器再次推進(jìn)，返回繞飛軌道。這項(xiàng)操作完成后，同樣需要把數(shù)據(jù)全都傳回地球。

兩次預(yù)演取得成功后，2020年10月13日和17日，“奧西里斯-雷克斯”進(jìn)行了最后定相推進(jìn)，微調(diào)自己和“貝努”的相對位置，以便在接觸采樣的那一天實(shí)施軌道偏離機(jī)動，機(jī)動速度僅有0.5 毫米/秒。10月19日，任務(wù)控制小組上傳了接觸采樣動作的最終命令。

按照計(jì)劃，“奧西里斯-雷克斯”按照預(yù)演的程序，先脫離繞飛軌道，進(jìn)入下降軌道，接近“貝努”表面的過程中，利用激光雷達(dá)等手段實(shí)施制導(dǎo)導(dǎo)航控制。當(dāng)采樣盤接觸到小行星表面時，從采樣機(jī)械臂的一個高壓氣瓶中噴射高純度氮?dú)?，把“貝努”表面的物質(zhì)吹起來。噴射會持續(xù)5 秒，采集了足夠多樣品后，發(fā)動機(jī)再次點(diǎn)火，奧西里斯-雷克斯離開“貝努”表面回到繞飛軌道。

▲“奧西里斯-雷克斯”拍攝到的“貝努”表面

按計(jì)劃，這時候要實(shí)施兩次采樣稱重活動，看看到底采集了多少樣本。

兩次稱重方法并不一樣，但都充滿了奇思妙想，看上去就像做廣播體操一樣。

第一次稱重是“伸臂運(yùn)動”，把機(jī)械臂高高舉過頭頂，讓陽光照進(jìn)采樣盤里。然后對采樣盤內(nèi)部拍照，通過求陰影面積來測定采樣質(zhì)量。因?yàn)榕e起機(jī)械臂的動作很慢，人們倒是不擔(dān)心把樣品掄飛出去，而是比較擔(dān)心陽光會不會對樣品造成破壞。計(jì)算表明，當(dāng)“貝努”距離太陽不足1.15 個天文單位時，陽光照射的升溫可能超過75 攝氏度，有一定風(fēng)險。如果“貝努”距離太陽1.15~1.25 個天文單位，升溫超過75 攝氏度的風(fēng)險依然存在，但相對較低。進(jìn)一步分析表明，如果在2020年7月進(jìn)行采樣，那么太陽光會以30 度角入射采樣盤。此時，雖然“貝努”和太陽的距離在1.15~1.25 個天文單位之間，但由于入射角很小、采樣盤邊緣可以起到一定遮擋作用，因此升溫不會超過75 攝氏度。如果“貝努”距離太陽超過1.25 天文單位，那么無論什么入射角度，陽光都不會造成升溫太多。

采集到的樣品如果太少，可能會完全處在采樣盤邊緣造成的陰影中，無法被有效測量。所以，任務(wù)小組還設(shè)計(jì)了一個“轉(zhuǎn)體運(yùn)動”。

▲ 技術(shù)人員在檢查“奧西里斯-雷克斯”的返回艙

▲ 建造中的“奧西里斯-雷克斯”

一旦采樣完成，就要把樣品裝進(jìn)返回艙里。“奧西里斯-雷克斯”的返回艙和多數(shù)載人飛船一樣，由圓臺形本體和防熱大底組成，但是它的防熱大底能夠向上掀起。機(jī)械臂把采樣盤直接放進(jìn)返回艙里，然后大底合攏扣緊，看起來很像老款科幻動漫的設(shè)計(jì)。為了確保這個過程正常，“奧西里斯-雷克斯”上還安裝了一個攝像機(jī)，監(jiān)視整個過程。樣品進(jìn)入返回艙后，探測器就完成了工作，進(jìn)入軌道飛行準(zhǔn)備，運(yùn)行到變軌點(diǎn)后啟動發(fā)動機(jī)返回地球軌道。

雖然設(shè)計(jì)了這么多看起來很完善的措施，但宇宙當(dāng)中充滿了未知。采樣失敗的風(fēng)險到底有多大，連設(shè)計(jì)師們都無法預(yù)測。因此，如果通過陽光測量和轉(zhuǎn)動慣量測量發(fā)現(xiàn)沒有弄到樣品，就再試一次，一共有3 次機(jī)會。為此，探測器上設(shè)計(jì)了相關(guān)的燃料余量、時間余量和壽命余量，還設(shè)計(jì)了3 個獨(dú)立的氮?dú)馄俊?/p>

吸得太多了？

2020年10月22日，“奧西里斯-雷克斯”的采樣活動已經(jīng)過去兩天了，但是任務(wù)小組才剛剛收到有關(guān)圖像。結(jié)果是令人滿意的，采集到了至少60 克小行星表面材料，星際地質(zhì)學(xué)家們已經(jīng)迫不及待了。

▲ 正在測試的“奧西里斯-雷克斯”

▲ 準(zhǔn)備發(fā)射的“奧西里斯-雷克斯”

▲ 設(shè)計(jì)師展示“奧西里斯-雷克斯”的采樣盤

美國宇航局負(fù)責(zé)科學(xué)的副局長托馬斯g 祖爾布?xì)J說：“我們非常激動地看到，似乎有豐富的樣本，它們將在今后的幾十年里不斷激發(fā)科學(xué)的靈感?！?/p>

“奧西里斯-雷克斯”按計(jì)劃實(shí)施了第一次“伸展運(yùn)動”。任務(wù)小組一共收到了3 幅圖像，顯示TAGSAM 頭部布滿了從“貝努”上收集的巖石和灰塵，看起來采樣機(jī)構(gòu)工作正常。不過圖像顯示，新的麻煩出現(xiàn)了。其中一些樣品顆粒正在慢慢脫離采樣器頭部。這主要是因?yàn)椴杉臉悠诽嗔?，一些顆粒把采樣器頭部的聚酯薄膜瓣略微頂開，漏出去了。這可能是因?yàn)闃悠分杏幸恍┍容^大的石子，薄膜鎖不住它們。

既然薄膜沒有把樣品鎖住，那么動作太大可能就會把樣品撒進(jìn)宇宙里，顆粒無收。于是任務(wù)小組決定放棄原定于10月24日進(jìn)行的樣品質(zhì)量測量活動，也就是那個“轉(zhuǎn)體運(yùn)動”的過程，還取消了原定于第二天進(jìn)行的制動推進(jìn)，盡量減少對航天器的任何加速度。全部工作重點(diǎn)集中到如何把樣品安全放進(jìn)返回艙（SRC）上。只要放進(jìn)去并且密封，這些樣品就算是安全了。

既然實(shí)施了那么多次地面測試，為什么還是會發(fā)生意外？根據(jù)任務(wù)團(tuán)隊(duì)分析，這很有可能是因?yàn)椤柏惻钡慕Y(jié)構(gòu)比預(yù)想的要松散，采樣頭并不是浮在小行星表面進(jìn)行吹吸動作的，而是直接插進(jìn)土壤里好幾厘米。這樣，高壓氮?dú)馄看蜷_之后，吹起來的表面物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止60 克，超過了容納能力。或許，“奧西里斯-雷克斯”設(shè)計(jì)一個抓斗就足夠了，不需要吹吸這么復(fù)雜的方式。

到2020年11月2日，任務(wù)小組總算可以放下心來了?！皧W西里斯-雷克斯”返回的數(shù)據(jù)顯示，10月28日，它成功地把樣本送進(jìn)返回艙并密封好，可以開始后續(xù)工作了。2021年3月，“奧西里斯-雷克斯”啟程返航，將于2023年9月24日把返回艙送回地球。★