程 麗 肖道林， 張 超， 張趙威

（1.沈陽(yáng)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110044；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所空間技術(shù)研究室，遼寧沈陽(yáng)110016）

0 引言

隨著深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量的小行星。然而，人類并不滿足于對(duì)小行星的遠(yuǎn)距離觀測(cè)，而是希望能采集行星表面的土壤樣品進(jìn)行研究。目前，采用的探測(cè)方式主要有飛越、撞擊、繞飛、表面原位探測(cè)和巡視探測(cè)，以及小行星的采樣返回等。

本文對(duì)小行星表面特性與國(guó)內(nèi)外的小行星采樣器研究現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有采樣器的特點(diǎn)，并細(xì)致對(duì)比了各類采樣器之間的差異。

1 國(guó)外小行星采樣器研究現(xiàn)狀

1999年2月9日，美國(guó)航空航天局（NASA）發(fā)射“星塵號(hào)”（Stardust），其主要任務(wù)是采集wild-2彗星的揮發(fā)物質(zhì)和彗星附近的太空物質(zhì)。Stardust由采集器和返回艙組成，其采集器是類似網(wǎng)球拍形狀的結(jié)構(gòu)[1]，如圖1所示。氣凝膠附著在網(wǎng)球拍形狀的結(jié)構(gòu)上，在Stardust高速靠近彗星時(shí)收集粒子，采集器兩面的粒子會(huì)在氣凝膠中形成圓錐軌跡，使高速運(yùn)動(dòng)的粒子減速并逐漸停止，以確定粒子的來(lái)源（太空還是彗星）。Stardust于2006年1月15日返航，成功在地球著陸。

圖1 Stardust上的采集器結(jié)構(gòu)

NASA針對(duì)火星的探測(cè)研發(fā)了火星采樣系統(tǒng)（SAM）。SAM（The Sample Analysis at Mars）對(duì)火星上的土壤進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，其搭載的SMS（Sample Manipulation System）系統(tǒng)是一種搭載了74個(gè)采樣容器的欠驅(qū)動(dòng)三自由度機(jī)器人系統(tǒng)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度由中心輪轂執(zhí)行器提供[2]，如圖2所示。此外，整套系統(tǒng)不論是在裝配還是在其他方面，都十分注重防范樣品容器的污染問(wèn)題。

圖2 SMS采樣機(jī)構(gòu)

2005年，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)射了“隼鳥號(hào)”（Hayabusa）對(duì)Itokawa小行星進(jìn)行采樣。Hayabusa采用的是接觸即走（Touch and Go，TAG）的采樣方式[3]，將探測(cè)器彈射到小行星表面并捕捉噴射物。當(dāng)喇叭形圓筒的底端接近小行星表面時(shí)，拋射器通過(guò)火藥的點(diǎn)火，把質(zhì)量為5 g的鉭彈加速到300 m/s。鉭彈射向小行星表面后，星壤被迫濺射，被濺射起來(lái)的星壤只能在喇叭形圓筒這個(gè)密閉空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而被收集進(jìn)喇叭形圓筒中的樣品儲(chǔ)藏室。采樣原理如圖3所示。

2014年，日本再次發(fā)射采樣返回任務(wù)探測(cè)器——“隼鳥2 號(hào)（Hayabusa 2）”對(duì)小行星“1999JU3”進(jìn)行采樣。Hayabusa 2于2018年到達(dá)目標(biāo)小行星，計(jì)劃于2020年帶著樣品返回地球。它的采樣方式與Hayabusa完全一樣，只不過(guò)是將樣品儲(chǔ)藏室由2個(gè)空腔改為3個(gè)空腔[4]，如圖4所示。

雖然增加了樣品儲(chǔ)藏室的空腔，但仍然攜帶了3個(gè)拋射器，進(jìn)行3次采樣。“隼鳥號(hào)”與“隼鳥2號(hào)”采樣任務(wù)所使用的射彈彈頭形狀不同，將半球形彈頭改為90°圓錐式彈頭[4]，彈頭90°的設(shè)計(jì)會(huì)濺射出更多的星壤，有助于收集到更多的樣品。

圖4 樣品儲(chǔ)藏室對(duì)比示意圖

2004年歐洲空間局將Rosetta探測(cè)器發(fā)射升空，Rosetta搭載了一個(gè)Philae著陸器，于2014年11月成功在彗星表面著陸。Philae上帶有錨定裝置，可防止著陸器在彗星表面微重力作用下翻倒或飄走。Rosetta的采樣裝置是一個(gè)鉆取機(jī)構(gòu)SD2（Sampler Drill and Distribution subsystem），該裝置由電控裝置和鉆取機(jī)構(gòu)組成。鉆取機(jī)構(gòu)集鉆取和采樣于一體[5]，最大鉆探深度為23 cm，在選定下鉆的深度并完成鉆探后，釋放采樣管進(jìn)行采樣，同時(shí)鉆桿自轉(zhuǎn)，將鉆桿提起，完成采樣過(guò)程。采樣及其送樣原理如圖5所示。

圖5 SD2采樣及送樣過(guò)程示意圖

不同于Stardust與Hayabusa將樣品帶回地球，Rosetta直接在彗星表面完成分析，并將分析數(shù)據(jù)傳回地球。

歐西里斯（Osiris-Rex）是NASA的一項(xiàng)對(duì)Bennu小行星的探測(cè)采樣返回任務(wù)，其結(jié)構(gòu)包括飛行器、機(jī)械臂和采樣器，其中采樣器即樣品儲(chǔ)存器。Osiris-Rex的采樣器采用氣體激勵(lì)的方式[6]，用機(jī)械臂上攜帶的氮?dú)馄繉?duì)采樣器進(jìn)行氣體噴射，經(jīng)由采樣器的導(dǎo)流管，吹起星體表面的土壤，完成采樣，如圖6所示。

在采樣過(guò)程中，飛行器以緩慢的速度靠近目標(biāo)星體，放出采樣器并采集完樣品后，經(jīng)由機(jī)械臂帶動(dòng)將采樣器放回返回艙中，由飛行器帶回地球。

Triple F是歐洲空間局針對(duì)彗星的采樣返回任務(wù)。計(jì)劃于2018年4月發(fā)射升空，并于2023年中期到達(dá)彗星。Triple F任務(wù)飛行器采用的是TAG的飛行形式，計(jì)劃在彗星表面不同的位置取樣3次，所以采樣器裝有3個(gè)采樣芯管[7]（圖7），并延續(xù)了Philae著陸器的特征，即通過(guò)芯管內(nèi)的彈簧裝置將彈射機(jī)構(gòu)刺入彗星表面，在取樣完成之后，芯管口有阻擋裝置防止樣品灑落，并將樣品轉(zhuǎn)移冷藏，最后送入返回艙。完成3次采樣后，飛行器攜帶樣品返回地球。

圖6 氮?dú)饧?lì)采樣器原理示意圖

對(duì)世界上典型采樣任務(wù)的目標(biāo)星體、飛行器的飛行方式、采樣方式等進(jìn)行匯總，如表1所示。

2 國(guó)內(nèi)小行星采樣器研究現(xiàn)狀

我國(guó)的深空探測(cè)取樣任務(wù)相較于國(guó)外起步較晚，目前還處于樣機(jī)研發(fā)和理論研究的階段，尚未發(fā)射飛行器去采集小天體表面土壤的樣品。但國(guó)內(nèi)已有科研機(jī)構(gòu)和高校研發(fā)出采樣器。

北京航空航天大學(xué)丁希侖教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種多功能的小行星采樣器，主要采用螺旋鉆進(jìn)的方式對(duì)小行星表面松散的土壤和巖石進(jìn)行采集[8]。鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要功能是切削土壤巖石，為取樣工作奠定基礎(chǔ)。其中，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)主要負(fù)責(zé)控制鉆桿的旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要負(fù)責(zé)控制鉆取的深度。土壤巖石鉆探好后，由安裝在鉆桿內(nèi)部的取樣管對(duì)樣品進(jìn)行取樣，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

氣體激勵(lì)式的小行星采樣器是北京衛(wèi)星制造廠有限公司研制的采樣器，其主要由破巖機(jī)構(gòu)和氣體激勵(lì)采樣模塊組成，如圖9所示。

破巖機(jī)構(gòu)主要用于增加巖石的破碎程度，以方便取樣；氣體激勵(lì)模塊（圖10）則是利用高壓氣流將星體表面風(fēng)化層的塵土與破巖碎屑吹進(jìn)初級(jí)封裝容器。該采樣器的氣體激勵(lì)模塊是一個(gè)圓形空腔，由初級(jí)封裝主體、氣流入口和氣流出口組成。入口氣路為1路，流道采用近似一維通道設(shè)計(jì)，有利于氣流順暢流通，使收集簡(jiǎn)單、可靠[9]。

表1 小天體采樣任務(wù)對(duì)比

圖8 鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)原理

圖9 氣體激勵(lì)式采樣器結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

圖10 氣體激勵(lì)模塊組成

綜合國(guó)內(nèi)外深空探測(cè)經(jīng)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用射彈撞擊式、螺旋鉆取、氣體激勵(lì)和巖芯管刺入式等方式進(jìn)行采樣。這幾種采樣方式需要降落在天體表面完成采樣，采樣時(shí)間較長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采樣，且需要將采集到的樣品轉(zhuǎn)移到樣品存儲(chǔ)罐中封裝保存，操作復(fù)雜，樣品可能會(huì)遺失。另外，目前國(guó)內(nèi)外的深空探測(cè)采樣器體積都比較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著深空探測(cè)任務(wù)的推進(jìn)，采樣器的發(fā)展會(huì)趨向于體積小、采樣方式簡(jiǎn)單、采樣時(shí)間短、采樣量大的特點(diǎn)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)同一小行星上不同地點(diǎn)的多點(diǎn)采樣模式的建立。