“奧西里斯-雷克斯”采樣：吹氣+吸塵器式

文/ 遲惑

2016年，美國(guó)宇航局發(fā)射了奧西里斯-雷克斯探測(cè)器前往“貝努”小行星。與“隼鳥號(hào)”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(guó)宇航局為它設(shè)計(jì)了一種奇怪的采樣方式，簡(jiǎn)單說(shuō)就是“吹”加“吸”。

工作過(guò)程

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

在采樣期間，TAGSAM 沿著探測(cè)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(shí)，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(dòng)開(kāi)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(huì)啟動(dòng)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)鈴臍夤車姵觯怪贝档叫⌒行潜砻妫淹寥篮褪宇w粒吹起來(lái)，強(qiáng)迫它們頂開(kāi)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(guò)，但土石樣品無(wú)法通過(guò)。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(cè)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(guò)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(méi)有辦法直接通信，各種操作只能是由探測(cè)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(gè)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(lái)；11月14日，TAGSAM 首次完全伸展開(kāi)來(lái)，完成了各項(xiàng)測(cè)試。但這時(shí)距離真正的采樣還遠(yuǎn)。

對(duì)“貝努”小行星的探測(cè)工作總體上稱為“近距離作業(yè)”，采樣工作是其中的一部分。“近距離作業(yè)”階段于2018年11月開(kāi)始，包括以下子階段：初步勘測(cè)，軌道A 機(jī)動(dòng)，詳細(xì)勘測(cè)，軌道B 機(jī)動(dòng)，測(cè)繪，TAGSAM 采樣預(yù)演，TAGSAM 實(shí)施。測(cè)繪階段之前的所有階段，都是為了不斷深化對(duì)“貝努”表面的測(cè)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(méi)有補(bǔ)救的機(jī)會(huì)，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(guò)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(cè)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(dòng)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)降厍颍┤蝿?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(dòng)機(jī)開(kāi)啟，將探測(cè)器送入前往“貝努”表面的下降軌道，然后再次推進(jìn)，讓探測(cè)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(dòng)作后，探測(cè)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(duì)位置，以便在接觸采樣的那一天實(shí)施軌道偏離機(jī)動(dòng)，機(jī)動(dòng)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(dòng)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(guò)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(shí)，從采樣機(jī)械臂的一個(gè)高壓氣瓶中噴射高純度氮?dú)猓选柏惻北砻娴奈镔|(zhì)吹起來(lái)。噴射會(huì)持續(xù)5 秒，采集了足夠多樣品后，發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火，奧西里斯-雷克斯離開(kāi)“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(shí)候要實(shí)施兩次采樣稱重活動(dòng)，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(dòng)”，把機(jī)械臂高高舉過(guò)頭頂，讓陽(yáng)光照進(jìn)采樣盤里。然后對(duì)采樣盤內(nèi)部拍照，通過(guò)求陰影面積來(lái)測(cè)定采樣質(zhì)量。因?yàn)榕e起機(jī)械臂的動(dòng)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(yáng)光會(huì)不會(huì)對(duì)樣品造成破壞。計(jì)算表明，當(dāng)“貝努”距離太陽(yáng)不足1.15 個(gè)天文單位時(shí)，陽(yáng)光照射的升溫可能超過(guò)75 攝氏度，有一定風(fēng)險(xiǎn)。如果“貝努”距離太陽(yáng)1.15~1.25 個(gè)天文單位，升溫超過(guò)75 攝氏度的風(fēng)險(xiǎn)依然存在，但相對(duì)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(yáng)光會(huì)以30 度角入射采樣盤。此時(shí)，雖然“貝努”和太陽(yáng)的距離在1.15~1.25 個(gè)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(huì)超過(guò)75 攝氏度。如果“貝努”距離太陽(yáng)超過(guò)1.25 天文單位，那么無(wú)論什么入射角度，陽(yáng)光都不會(huì)造成升溫太多。

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

▲ 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(tái)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(lái)很像老款科幻動(dòng)漫的設(shè)計(jì)。為了確保這個(gè)過(guò)程正常，“奧西里斯-雷克斯”上還安裝了一個(gè)攝像機(jī)，監(jiān)視整個(gè)過(guò)程。樣品進(jìn)入返回艙后，探測(cè)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)返回地球軌道。

雖然設(shè)計(jì)了這么多看起來(lái)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(xiǎn)到底有多大，連設(shè)計(jì)師們都無(wú)法預(yù)測(cè)。因此，如果通過(guò)陽(yáng)光測(cè)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量發(fā)現(xiàn)沒(méi)有弄到樣品，就再試一次，一共有3 次機(jī)會(huì)。為此，探測(cè)器上設(shè)計(jì)了相關(guān)的燃料余量、時(shí)間余量和壽命余量，還設(shè)計(jì)了3 個(gè)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(dòng)已經(jīng)過(guò)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(cè)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(guó)宇航局負(fù)責(zé)科學(xué)的副局長(zhǎng)托馬斯g 祖爾布?xì)J說(shuō)：“我們非常激動(dòng)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。”

“奧西里斯-雷克斯”按計(jì)劃實(shí)施了第一次“伸展運(yùn)動(dòng)”。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(lái)采樣機(jī)構(gòu)工作正常。不過(guò)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嗔耍恍╊w粒把采樣器頭部的聚酯薄膜瓣略微頂開(kāi)，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(méi)有把樣品鎖住，那么動(dòng)作太大可能就會(huì)把樣品撒進(jìn)宇宙里，顆粒無(wú)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(cè)量活動(dòng)，也就是那個(gè)“轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)”的過(guò)程，還取消了原定于第二天進(jìn)行的制動(dòng)推進(jìn)，盡量減少對(duì)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(cè)試，為什么還是會(huì)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(dòng)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_(kāi)之后，吹起來(lái)的表面物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止60 克，超過(guò)了容納能力。或許，“奧西里斯-雷克斯”設(shè)計(jì)一個(gè)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(lái)了。“奧西里斯-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(kāi)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。★