太空採樣大盤點·隼鳥和冥王號

2021-01-19 haibaraemily

#知識分享獎學金第二期#

除了帶回星際塵埃和太陽風粒子，在人類短短六十多年的深空探測史上，迄今為止只完成過9次月球採樣返回，1次彗星採樣返回和2次小行星採樣返回。每一次，都伴隨著未知、艱險和挑戰，每一次，都是載入史冊的壯舉。

前兩期（太空採樣大盤點·阿波羅和月球號和 太空採樣大盤點·嫦娥五號和星塵號）我們盤點了月球和彗星採樣，這期我們繼續介紹小行星採樣返回任務：JAXA的隼鳥號和NASA的冥王號。

01歷經坎坷的隼鳥號

2003年，JAXA的隼鳥號探測器發射升空，目標是前往近地小行星絲川（Itokawa）展開探測並帶回樣品。

隼鳥號 | JAXA

小行星絲川是一顆阿波羅型近地小行星，光譜成分分類屬於S型（巖質），大小約535 米 × 294米 × 209米，每1.5年環繞太陽一周。

隼鳥號拍攝的小行星絲川 | JAXA

隼鳥號的旅程並不順利，還沒飛到目標就已經故障不斷，抵達小行星絲川後釋放著陸器和著陸採樣也沒能按預期進行，燃料洩露、發動機故障、滿身傷病，甚至長期陷入失聯和瀕死狀態…但它還是頑強克服了種種艱難和困境，在2010年6月奇蹟般地將來自絲川的樣品送回了地球。

工作人員在澳大利亞伍默拉試驗場回收隼鳥號返回艙 | JAXA

對於這類直徑不足1公裡的小型小行星，採集樣品又有新的難題。絕大多數小行星自己不會噴發「土特產」，不允許探測器像星塵號那樣不接觸表面就能完成採樣；小天體自身的引力也太小，探測器很難穩穩噹噹地安全著陸而不反覆彈跳；另一方面，前往小行星的探測器相比於月球和火星探測器也通常輕小得多，不具備在小行星上著陸再起飛的條件。

隼鳥號首次嘗試了「接觸即離開」（Touch and Go）的方式：探測器受控降落直到採樣杆觸碰到小天體表面，在接觸的幾秒鐘裡完成採樣，然後蜻蜓點水一般點火起飛離開。但這麼短的接觸時間帶來的結果是：接觸即離開式採樣難以像月球火星採樣那樣長時間停留在天體表面大把大把地鑽孔或者鏟土，直到填滿樣品容器；相反，每次採樣都成為了「一錘子買賣」，是否成功採到，採到了多少，很大程度上要「望天收」；如果沒採到，就只能重新降落採樣或者放棄採樣，沒有補救辦法；而到底採集了多少，實際回到地球之前也難以準確估算。

在短短幾秒鐘的接觸採樣階段，隼鳥號採用了彈射子彈法採集樣品：一旦探測器檢測到底部長長的採樣杆接觸到了小行星表面，就即刻從採樣杆中以300米/秒的速度發射出一枚鉭質子彈，子彈撞出的碎屑被彈射入採樣杆中，經過多次反射被探測器所收集。

隼鳥號的採樣杆接觸小行星表面示意和隼鳥號設計的小行星採樣方式 | JAXA [1]

儘管隼鳥號的採樣工作沒能順利開展，但這種「接觸即離開」的採樣方式本身還是得到了認可，被後來的JAXA隼鳥2號和NASA的冥王號探測器所沿用。而且幸運的是，隼鳥號返回艙裡還是帶回了一些採樣過程中飛入的小行星塵埃顆粒。

隼鳥號近乎空空如也的樣品收集裝置內部，只能看到零星小顆粒 | JAXA

隼鳥號共採回約1500顆塵埃樣品，總質量不到1毫克。雖然重量不多，部分樣品也存在被汙染的可能性[1]，但依然為行星科學家們提供了許多來自小行星絲川的「一手」信息。（量多量少，都有科學價值！）

隼鳥號帶回的一顆絲川顆粒上，科學家們用掃描電鏡和透射電鏡發現了多達15個亞微米級直徑的撞擊坑 | JAXA

更重要的是，作為人類首次小行星採樣的嘗試，隼鳥號的「不死鳥」精神，至今仍在鼓舞著後人繼續探索宇宙。

02隼鳥2號和冥王號

而在星塵號和隼鳥號這兩次小天體採樣的經驗之下，JAXA和NASA在十多年後相繼再次開始了前往小天體採樣的嘗試，隼鳥2號和冥王號（奧斯裡斯號，OSIRIS-REx）橫空出世。

隼鳥2號（左）和冥王號（右）藝術想像 | JAXA、NASA

這一次，它們都瞄準了近地小行星——同為C類（碳質）小行星的「龍宮」和「貝努」。

更令人欣慰的是，這一次，兩個探測器都非常順利，也都採回了遠多於上一次的樣品。

2019年裡，隼鳥2號在完成了兩次採樣，分別採集了來自小行星龍宮表面和地下兩種樣品。這也是人類探測器首次在小行星上成功開展多次採樣。

第一次著陸採樣點TD1和第二次著陸採樣點TD2的位置。來源：JAXA、東大等

隼鳥2號沿用了隼鳥號的鉭質子彈彈射採樣法。

採樣杆結構和鉭質子彈實物（質量5克，直徑8毫米）照片。來源：JAXA

但也在隼鳥號的基礎上做了一些改進，例如隼鳥2號的採樣杆底部被設計成回褶狀，方便在採樣過程中「兜住」更多樣品。

採樣杆底部設計。漢化自：JAXA

當年隼鳥號遭遇的困境，採過的坑，隼鳥2號全部安全越過，順風順水地完成了幾乎所有計劃探測任務，偶遇困境，也及時改變策略，順勢玩出了新花樣。2020年12月6日，隼鳥2號的返回艙順利降落在澳大利亞伍默拉試驗場——那是十年前隼鳥號歸來的地方。

工作人員在澳大利亞伍默拉試驗場回收隼鳥2號樣品返回艙 | JAXA

一樣的返回艙，一樣的著陸區，相似的回收場景，只是這一次，打開的樣品艙裡不再「空空如也」。

隼鳥2號計劃採回100毫克小行星龍宮樣品，但實際「開箱」稱重結果顯示共採回了5.4克，是計劃採樣量的50多倍，而且可能採集到了小行星龍宮的氣體物質。

隼鳥2號的兩次採樣樣品被分裝在了兩個艙室中，僅打開的A艙室中就已經採到了這麼多龍宮顆粒物 | JAXA

隼鳥2號是人類探測器第一次從小天體上採回克級重量的樣品，而另一邊，已在2020年10月順利完成樣品採集和封裝的NASA冥王號探測器，則有望把這個記錄再提升一到兩個量級。

在接觸採樣階段，冥王號選擇發射壓縮氮氣來激起小行星表面物質，相比於「彈射子彈式」，這種「塵吸式」採樣或可採集到更多樣品。

冥王號採樣時採樣臂頭部工作示意圖 | NASA

在這種設計下，冥王號的計劃採樣量也更多——它計劃採集60克-2公斤小行星貝努的樣品。如果一切順利的話，冥王號將於2021年3月啟程，2023年9月24日將樣品送回地球。

冥王號和隼鳥2號的探測日程 | University of Arizona

03參考資料

[1] https://curator.jsc.nasa.gov/hayabusa/collection.cfm

[2] https://curator.jsc.nasa.gov/hayabusa/forms/hayabusasamplepolicy.pdf

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    嫦娥5號，毋庸諱言，是世界上40年來首次將要實現無人月面取樣返回的人類月球探測器，它是中國探月工程的收官之戰，也是中國航天迄今為止最複雜、難度最大的任務之一，其將要採回的月2000g月亮礦石樣本，將會助力深化月球成因和演化歷史等科學研究。並且，嫦娥5號也是世界上首次無人採樣返回所採回月亮礦石樣本最多飛行器。
  • 中國的嫦娥五號和日本的隼鳥二號比起來,哪個厲害?
    近期，中國嫦娥五號月球取樣在各國引起了強烈關注，此外，日本的隼鳥二號也要返回地球了。日本的隼鳥二號於2014年12月2號發射成功，要在「龍宮」的行星上取樣返回。總之，隼鳥二號是整個大系統之中的一個組成部分，而我們的嫦娥五號自己就是一個獨立完整的系統。隼鳥二號在2014年年底發射了以後，一直到2018年6月7日，隼鳥二號才到達龍宮小行星。行星探測的設計是十分複雜的，隼鳥二號先是繞著龍宮行星觀察了幾個月，直到九十月份才陸續投下了一個巡視器和兩個著陸器。
  • 日本隼鳥2號比嫦娥五號技術更先進?錯也
    而就在不久前的12月6日，日本的隼鳥2號返回艙也攜帶大約1克的小行星龍宮樣本返回地球，在澳大利亞由澳大利亞協助回收。這兩個巧合的太空活動，都是外出地球，取得樣本返回。很多人覺得日本隼鳥2號目標小行星龍宮離地球3億公裡，而嫦娥五號去的月球離地球才38萬公裡，應該是日本的技術更先進，這個理解就片面了。
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    而正在太空中飛行的日本探測器「隼鳥2號」，為這個紀念日送出了一份特殊的賀禮。經過三年半時間的飛行，它終於接近了科學家們為它設定的探測目標——「龍宮」小行星。在距離龍宮小行星1500公裡的位置上，隼鳥2號傳回了龍宮小行星一張比較清晰的圖片。按照計劃，「隼鳥2號」將在龍宮小行星上著陸，採集小行星上的巖石樣本並帶回地球，為科學家們提供最鮮活的研究素材。
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    #隼鳥約過3年多的漫長飛行，2018年6月，「隼鳥2號」終於到達「龍宮」附近，先在它周圍繞飛了大約3個月，對它進行了全面的信息採集，遠景照、大頭照、三圍照拍了個遍不說，在2018年10月，還發射了3個短命的小機器人下去探路。