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(xué) 機器人技術(shù)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(xué)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(xué)與工程意義。目前，各國已爭相開展了小天體采樣任務(wù)以及相關(guān)研究工作，并成功應(yīng)用于“羅塞塔號”“隼鳥號”等探測任務(wù)，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(biāo)準(zhǔn)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(xué)價值與工程可行性，本文重點對小行星采樣技術(shù)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(jié)構(gòu)等）有關(guān)。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(jié)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(yīng)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(xué)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(jié)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(fēng)化”，包括天體撞擊、太陽風(fēng)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(fēng)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(guān)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(xué)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(wù)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(wù)之一，于1999年2月9日發(fā)射升空?！靶菈m號”探測器由主結(jié)構(gòu)和返回艙組成，主任務(wù)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(wù)的探測器。

Stardust樣品采集器（Stardust Sample Collection，SSC）采用氣凝膠進行設(shè)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(dǎo)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(gòu)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(shè)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(xué)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的硅基固體材料，99.8%的空間為空隙，當(dāng)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(shè)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(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）研制的一顆近地?zé)o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(wù)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(wù)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(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)與壓縮彈簧實現(xiàn)與筒體的封閉，并通過雙密封圈設(shè)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(shè)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(wù)中為采樣任務(wù)定義的成功判據(jù)為：從目標(biāo)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(jié)果為：微粒中存在橄欖石、斜長石等巖石的大型結(jié)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(guān)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(wù)?！傲_塞塔號”探測器由軌道器和一個“菲萊”（Philae）著陸器組成。“羅塞塔號”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(wù)?！傲_塞塔號”探測器的主要目標(biāo)是對目標(biāo)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(shè)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(gòu)組成，總質(zhì)量約5.1 kg，其中采樣機構(gòu)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(jié)構(gòu)，使采樣機構(gòu)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(xué)試驗。SD2采樣機構(gòu)安裝在著陸器上，采用碳纖維作為采樣器的保護結(jié)構(gòu)，避免外部污染物進入活動機構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(dǎo)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(wù)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(shù)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(wù)，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(wù)。

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(wù)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(shè)計。“隼鳥2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(yù)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(wù)，2020年返回地球。

Hayabusa 2在采樣方式上繼承了Hayabusa設(shè)計，但在樣品采集與封裝方面進行了改進設(shè)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(shè)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(wù)，全名為“起源、光譜釋義、資源識別、安全、風(fēng)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(yù)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(gòu)型圖如圖18所示。探測器采用承力筒作為主結(jié)構(gòu)（繼承自MRO），頂板上布置了返回艙和科學(xué)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(fēng)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(shè)計。當(dāng)樣品獲得機械接觸到小行星表面時，取樣器向小行星的風(fēng)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(wù)設(shè)計，當(dāng)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(guān)節(jié)設(shè)計，使得Osiris-Rex采樣裝置可適應(yīng)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(dāng)?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(xué)需求，機械臂將運動至樣品返回艙（繼承Stardust）上方進行對準(zhǔn)對準(zhǔn)環(huán)（如圖22所示）釋放，微動開關(guān)和小型相機StowCam將對對準(zhǔn)情況進行確認，對準(zhǔn)后完成采樣器與機械臂分離，機械臂重新收攏，返回艙關(guān)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(zhǔn)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(fù)合型襯砌，其主要參數(shù)為：襯砌類型：Ⅲa型復(fù)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(wù)，旨在獲取小行星表面物質(zhì)并安全返回地球?？茖W(xué)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(yù)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(shè)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(fēng)化層土壤掃入開口3 cm的樣品罐中。樣品罐設(shè)計形狀可產(chǎn)生漩渦流緩釋粒子動能，并困住樣品。BWS設(shè)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(guān)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(fēng)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(fēng)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(gòu)進行了獨立的技術(shù)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(shè)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(gòu)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(shè)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(wù)設(shè)計的采樣裝置（TAGSAM）進行改進設(shè)計，在利用氣體激勵進行樣品采集的同時，與Osiris-Rex任務(wù)不同之處在于，Marco Polo-R任務(wù)采用的MPRISM在已有的TAGSAM基礎(chǔ)上添加3個巖鑿器，如圖27所示。

MPRISM也可進行3次采樣任務(wù)，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(dāng)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(fēng)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(zhǔn)、釋放過程與Osiris-Rex任務(wù)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(guān)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(yīng)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(wù)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(wù)，預(yù)計2028年返回地球，探測器如圖29所示。

Triple F任務(wù)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(wù)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(wù)認為采樣方式應(yīng)重點保護樣品的結(jié)構(gòu)、組成不發(fā)生變化，在采樣過程中施加的作用力應(yīng)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(wù)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(jié)構(gòu)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(gòu)的采樣能力設(shè)計方面，Triple F任務(wù)結(jié)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(gòu)可適應(yīng)強度為1 MPa的樣品物質(zhì)。

Triple F任務(wù)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(wù)擬采用香港理工大學(xué)的設(shè)計，該設(shè)計也繼承了Beagle 2的設(shè)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(gòu)（繼承Philae的彈射機構(gòu)）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(shè)計，為防止轉(zhuǎn)移過程中樣品灑落，在芯管底部設(shè)計了阻擋機構(gòu)。

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(wù)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(jié)構(gòu)部發(fā)生變化，任務(wù)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(wù)主要指標(biāo)和采樣方式設(shè)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(biāo)對標(biāo)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(wù)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(shè)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(wù)發(fā)展趨勢來看，采樣返回將是后續(xù)小天體探測任務(wù)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(shù)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(xué)價值最高，可以獲得的信息和科學(xué)成果最多，探測效益和科學(xué)回報最大[27-28]。

3 小天體環(huán)境及采樣技術(shù)需求分析

小天體特性較為復(fù)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(wù)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(yīng)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(fù)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(biāo)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(yīng)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(shè)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(shè)計靈活，能適應(yīng)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(shè)計指標(biāo)–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(gòu)進行真空潤滑以及冷卻熱設(shè)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(wù)。

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

4 分析與啟示

結(jié)合目前已實施或計劃實施的小天體采樣探測任務(wù)情況，我國在小天體采樣技術(shù)研究中應(yīng)關(guān)注如下要素：

1）新型、異構(gòu)、多樣化復(fù)合的采樣技術(shù)研究

小天體采樣方式的確定和預(yù)定的科學(xué)目標(biāo)具有重要關(guān)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(shè)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(shè)計，采樣裝置應(yīng)具有高效可靠的瞬時采樣能力；對于長期著陸，應(yīng)在著陸作業(yè)前通過地面觀測及環(huán)繞探測，確定目標(biāo)天體的基本情況，盡可能減少采樣的不確定性。

表3 采樣關(guān)鍵技術(shù)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(jié)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(shù)研究。

2）不確定性星表的包絡(luò)化采樣設(shè)計

未來小天體探測目標(biāo)可能涉及S型小行星、M型小行星、C型小行星、彗星等，目標(biāo)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(biāo)前可能目標(biāo)狀態(tài)都具有很大的未知性。因此在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)過程中，應(yīng)采用包絡(luò)性設(shè)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(shù)研究

小天體探測目標(biāo)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(dǎo)致著陸失敗、設(shè)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(shù)研究

小天體采樣探測任務(wù)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(wù)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(wù)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(jié)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(dǎo)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(yù)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(fēng)險?？梢姡呖煽康奶綔y器固定方案對小天體采樣探測成功至關(guān)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(shù)研究現(xiàn)狀與成果，總結(jié)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(yīng)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(shù)需求，為對小天體采樣探測技術(shù)深入研究提供支撐。