NASA冥王号探测器是如何完成首次小行星贝努采样的？

北京时间2020年10月21日清晨6点12分左右（美国时间的20日） [1]，NASA首个小行星采样返回任务OSIRIS-REx（冥王号）探测器，完成了它的首次降落采样！如果一切顺利的话，它会至少采集到60克贝努样品——这将是自阿波罗任务以来人类从太空采回的最多样品量。

冥王号采样 | NASA

而这颗得名于埃及神话中的不死鸟、直径仅约500米的小行星“贝努”，在被冥王号探测器仔仔细细地环绕探测了一年多之后，也终于迎来和冥王号的“第一次亲密接触”。

贝努近照 | NASA

如何采样？

面对重力极其微小的小行星贝努，冥王号采用了“接触即离开”式采样（Touch-And-Go，TAG），也就是…碰一下就走。这和我们更熟悉的JAXA隼鸟2号探测器在小行星龙宫上的采样策略几乎一样。

冥王号整个接触采样过程计划总时长约4.5个小时，共需完成3次点火操作才能从原本的绕飞轨道降落到贝努表面：

1）第一次点火：离开距贝努表面约770米高的绕飞轨道，开始下降；

2）第二次点火：在约125米高度处点火，检核并调整冥王号的位置和速度，因此也称为“检核点点火”；

3）第三次点火：在约54米高度处点火，调整飞行参数来匹配接触采样时贝努的自转，因此也称为“匹配点点火”；

4）着陆采样：降落到贝努表面，接触采样。采样臂（TAGSAM）与贝努表面接触后，在不到16秒的时间里向贝努表面发射一发压缩氮气，用采样臂头部捕获气体扬起的贝努表面物质。（隼鸟2号是接触后采样杆内发出钽质子弹，捕获子弹扬起的物质。无论是使用钽质子弹还是压缩氮气，目的都是避免引入不可控的外来物质污染采集到的固体样品。）

冥王号采样时采样臂头部工作示意图 | NASA [2]

5）事了绝尘去：点火起飞，返回原本的绕飞高度。

冥王号下降到采样点然后上升示意图，此动画中没有接触采样步骤 | NASA Goddard

采到了吗？采够了吗？

冥王号计划采集至少60克贝努的石块和尘土样品带回地球，最多甚至可能采到2公斤，这将是自阿波罗任务以来人类从太空采回的最多样品量。（正在返航路上的隼鸟2号样品采集量约100毫克）。

冥王号可能采集到样品的质量和体积示意 | NASA

那么问题来了，如何确定探测器采集到了足够的样品呢？冥王号项目组计划用“双保险”来确认：

1）2020年10月22日（美国时间，下同），冥王号会用SamCam相机拍摄采样臂（TAGSAM）头部的照片，查看是否包含贝努表面物质；

SamCam相机确认样品 | NASA/Goddard/CI Lab [3]

2）2020年10月24日，冥王号会开始“转圈圈”——通过带着展开的采样臂一同旋转，对比采样前后的惯量矩变化，来测量采集到的样品重量是否达标。

旋转“称”重 | NASA/Goddard/CI Lab [3]

如果两次测试均显示采集量达标，那么这些样品会被送入样品返回舱（SRC）中，留待送回地球。

“装箱” | NASA/Goddard/CI Lab [3]

如果这次没有从夜莺采样区采集到样品或者足够的样品…没事，也还可以挽救！冥王号还有两罐压缩氮气，也就是说还有两次尝试采样的机会——它最快将于2021年1月在备选采样区“鱼鹰”（Osprey）再次尝试TAG接触采样。

“鱼鹰”采样区 | NASA/Goddard/University of Arizona [3]

参考资料

[1] NASA’s OSIRIS-REx Spacecraft Successfully Touches Asteroid

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-osiris-rex-spacecraft-successfully-touches-asteroid/

[2] TAGSAM Head Collecting Asteroid Sample

https://www.asteroidmission.org/asteroid-operations/tagsam_head/#main

[3] NASA | OSIRIS-REx: Countdown to TAG

https://svs.gsfc.nasa.gov/13724