小行星采樣返回面臨多道難關

小行星探測是非常復雜的航天活動，隨著航天技術的發(fā)展進步和30多年的探索實踐，人類小行星探測經歷了遠距離探測和表面原位探測，現在已進入到采樣返回并進行詳盡研究的階段。

采樣返回作用大

采樣返回是月球探測、火星探測、小行星探測等深空探測活動的重要環(huán)節(jié)，也是人類開展空間科學研究的重要手段。

小行星形成于太陽系早期，保留著太陽系起源、形成與演化的重要信息，可能蘊含生命與水起源的線索。現階段人類發(fā)射探測器，受重量、體積等運載能力與設備供電等方面限制，很多先進的儀器設備無法送到太空，即使能夠進入小行星軌道甚至降落表面，也完成不了過于復雜的分析工作。

如果只依靠地面望遠鏡或探測器飛掠觀察小行星，很難獲得非常詳細的探測結果，最好還是采集樣品送回地球。科學家們在實驗室里對樣品詳細研究，再比對望遠鏡的觀察結果，就可以獲得小行星演化歷史、礦物組成和化學成分等方面的詳細情況。

另一方面，根據小行星的反照率和光譜信息，可以把小行星分成碳質、巖質等多種類型，而在對地球隕石研究過程中，科學家們希望弄清隕石與小行星的聯系，區(qū)分各種隕石來自哪類小行星。建立好這種關系，可以為小行星研究和探測提供更多幫助。

3次成功的小行星采樣

小行星采樣主要是采集星體的表層物質。受微隕石轟擊、太陽風吹拂等空間風化作用，小行星表層物質逐漸碎裂形成碎屑土壤，不過這些物質并不容易采集，目前只有日本的“隼鳥”1號、2號和美國的“奧西里斯-雷克斯”成功采集了小行星樣本。

日本“隼鳥”的采集方式相當硬核，它們采樣的小行星“絲川”和“龍宮”都質地堅硬，表面碎屑少，同時小行星的引力非常微弱，探測器難以著陸，用鉆孔、挖掘等方式可能產生反作用力把探測器推開。所以“隼鳥”直接向小行星表面發(fā)射高速彈丸，轟碎表面，然后快速收集飛濺的石子塵土。

日本隼鳥2號探測器

“隼鳥”1號在2003年發(fā)射，飛抵“絲川”小行星后，在采樣點上空降落，發(fā)射1枚金屬球，然后收集樣品。2010年返回后，人們看到返回艙里空空如也，以為采樣失敗了，后來用顯微鏡才發(fā)現艙壁上附著約1500?；覊m。

“隼鳥”2號攜帶了一枚爆炸彈丸，它首先飛抵“龍宮”小行星，用1年半的時間伴飛探測，尋找最好的采樣地點，然后一炮轟碎“龍宮”表面，濺射出很多物質，成功采到5.4克樣品。

“奧西里斯-雷克斯”探測器則是用氣體吹拂的方式，采樣裝置更簡單，效果也很好。它的目的地“本努”位于地球和火星之間，是一顆碳型小行星，表面凹凸不平，碎石堆積。

采樣時，“奧西里斯-雷克斯”先以每小時0.3公里的緩慢速度靠近“本努”，到達采樣點上空后伸出機械臂，噴射加壓氮氣，吹起小行星表面的砂礫塵埃，機械臂上的采樣頭吸走樣本，同時“奧西里斯-雷克斯”點火離開，只花5秒鐘就完成任務。不過，這些樣品要到2023年才能送回地球，到時才能知道采集到多少。

奧西里斯-雷克斯探測器

采樣面臨很多問題

小行星采樣返回需要考慮的問題很多，技術難度很大。太陽系的小行星這么多，首先要考慮的是去采哪顆。

國際首次采樣任務“隼鳥”1號去了“絲川”小行星?！敖z川”本來是排第3的目標，但由于探測器設計和火箭接連出問題，發(fā)射任務兩次推遲，錯過了前兩個目標的發(fā)射窗口，就只有“絲川”合適了。“絲川”是一顆近地小行星，它的軌道與地球軌道相交，每隔一段時間就會近距離掠過地球，相對容易抵達。

“奧西里斯-雷克斯”探測器的采樣目標選擇“本努”，主要考慮三方面因素。一是容易到達。二是尺寸較大，自轉速度慢，探測器可以追上小行星速度，慢慢接近表面采樣。三是要碳質小行星，這類小行星在太陽系早期形成，且沒有經歷過劇烈變化，物質保持比較完整。最終“本努”脫穎而出。

采樣的難度還在于小行星情況的不確定，在探測器未抵達之前，小行星的基本信息都是從地面或天文望遠鏡獲取，對它的自轉特性、地形地貌、地質環(huán)境等情況主要通過模型分析、與其他小天體和地面隕石對比的方式推斷得出，與實際可能相差甚遠。

“隼鳥”和“奧西里斯-雷克斯”都遇到這方面問題，對此，一方面要有簡單可靠、適用性強的采樣裝置，另一方面就是邊飛行、邊探測、邊制定采樣策略，才可能達成預定目標。

除了這些，小行星的表面低溫環(huán)境、遠距離通信、高精度導航和控制能力，以及再入返回等，都是需要克服的難題。

我國小行星采樣計劃

我國在2019年公布小行星探測計劃，將在一次任務中完成對小行星的近距離探測、采樣返回和對一顆主帶彗星的繞飛探測。此次任務探測器命名為天問二號，預期在2025年發(fā)射，任務周期持續(xù)10年。

天問二號要到訪的是小行星2016 HO3和彗星133P。2016 HO3小行星是2016年由地面望遠鏡發(fā)現，它繞太陽公轉周期366天，距離地球大約38～100倍地月距離，發(fā)射和返回窗口靈活，適合開展采樣返回研究。

有意思的是，科學家們認為2016 HO3可能是一塊來自月球的巖石。每一顆小行星因為組成元素和塵埃粒徑等的差異，受太陽照射時，會形成獨特的反照率和行星光譜，就像每個人的指紋，可以反映小行星自身獨一無二的物質組成與結構特性。

2016 HO3小行星光譜曲線在近紅外波段的斜率與其他小行星都不相同，反而與月球巖石更為相似，而且它的軌道能量也與地月系統(tǒng)軌道能量接近，還是地球的一顆準衛(wèi)星?？茖W家猜測，這顆小行星可能是一塊月球碎塊，隨著某次撞擊進入環(huán)日軌道，經過復雜演化，最終變成現在的樣子，等天問二號從2016 HO3取回樣本，我們就能驗證這個猜想了。

天問二號探測器目前處于研制階段，它由主探測器和返回艙兩部分組成。天問二號將用1年時間抵達小行星2016 HO3，采用繞飛的方式進行詳細探測，獲取小行星地表特性信息，確定采樣區(qū)。

天問二號將在國際上首次嘗試一種“固定和連接”技術，使用4個機械臂在2016H03著陸，機械臂上的鉆頭將探測器固定在小行星表面，采集樣品，然后探測器返回地球釋放返回艙。

最后，主探測器將向地球、火星借力，用7年時間飛抵彗星133P，進行繞飛探測，研究主帶彗星形成和演化、氣體活動機制等問題。

小行星取樣返回任務取名天問二號，這是繼火星探測后，我國行星探測重大工程的下一個標志性項目，將樹立起建設航天強國的新里程碑。