小行星采样返回面临多道难关

小行星探测是非常复杂的航天活动，随着航天技术的发展进步和30多年的探索实践，人类小行星探测经历了远距离探测和表面原位探测，现在已进入到采样返回并进行详尽研究的阶段。

采样返回作用大

采样返回是月球探测、火星探测、小行星探测等深空探测活动的重要环节，也是人类开展空间科学研究的重要手段。

小行星形成于太阳系早期，保留着太阳系起源、形成与演化的重要信息，可能蕴含生命与水起源的线索。现阶段人类发射探测器，受重量、体积等运载能力与设备供电等方面限制，很多先进的仪器设备无法送到太空，即使能够进入小行星轨道甚至降落表面，也完成不了过于复杂的分析工作。

如果只依靠地面望远镜或探测器飞掠观察小行星，很难获得非常详细的探测结果，最好还是采集样品送回地球。科学家们在实验室里对样品详细研究，再比对望远镜的观察结果，就可以获得小行星演化历史、矿物组成和化学成分等方面的详细情况。

另一方面，根据小行星的反照率和光谱信息，可以把小行星分成碳质、岩质等多种类型，而在对地球陨石研究过程中，科学家们希望弄清陨石与小行星的联系，区分各种陨石来自哪类小行星。建立好这种关系，可以为小行星研究和探测提供更多帮助。

3次成功的小行星采样

小行星采样主要是采集星体的表层物质。受微陨石轰击、太阳风吹拂等空间风化作用，小行星表层物质逐渐碎裂形成碎屑土壤，不过这些物质并不容易采集，目前只有日本的“隼鸟”1号、2号和美国的“奥西里斯-雷克斯”成功采集了小行星样本。

日本“隼鸟”的采集方式相当硬核，它们采样的小行星“丝川”和“龙宫”都质地坚硬，表面碎屑少，同时小行星的引力非常微弱，探测器难以着陆，用钻孔、挖掘等方式可能产生反作用力把探测器推开。所以“隼鸟”直接向小行星表面发射高速弹丸，轰碎表面，然后快速收集飞溅的石子尘土。

日本隼鸟2号探测器

“隼鸟”1号在2003年发射，飞抵“丝川”小行星后，在采样点上空降落，发射1枚金属球，然后收集样品。2010年返回后，人们看到返回舱里空空如也，以为采样失败了，后来用显微镜才发现舱壁上附着约1500粒灰尘。

“隼鸟”2号携带了一枚爆炸弹丸，它首先飞抵“龙宫”小行星，用1年半的时间伴飞探测，寻找最好的采样地点，然后一炮轰碎“龙宫”表面，溅射出很多物质，成功采到5.4克样品。

“奥西里斯-雷克斯”探测器则是用气体吹拂的方式，采样装置更简单，效果也很好。它的目的地“本努”位于地球和火星之间，是一颗碳型小行星，表面凹凸不平，碎石堆积。

采样时，“奥西里斯-雷克斯”先以每小时0.3公里的缓慢速度靠近“本努”，到达采样点上空后伸出机械臂，喷射加压氮气，吹起小行星表面的砂砾尘埃，机械臂上的采样头吸走样本，同时“奥西里斯-雷克斯”点火离开，只花5秒钟就完成任务。不过，这些样品要到2023年才能送回地球，到时才能知道采集到多少。

奥西里斯-雷克斯探测器

采样面临很多问题

小行星采样返回需要考虑的问题很多，技术难度很大。太阳系的小行星这么多，首先要考虑的是去采哪颗。

国际首次采样任务“隼鸟”1号去了“丝川”小行星。“丝川”本来是排第3的目标，但由于探测器设计和火箭接连出问题，发射任务两次推迟，错过了前两个目标的发射窗口，就只有“丝川”合适了。“丝川”是一颗近地小行星，它的轨道与地球轨道相交，每隔一段时间就会近距离掠过地球，相对容易抵达。

“奥西里斯-雷克斯”探测器的采样目标选择“本努”，主要考虑三方面因素。一是容易到达。二是尺寸较大，自转速度慢，探测器可以追上小行星速度，慢慢接近表面采样。三是要碳质小行星，这类小行星在太阳系早期形成，且没有经历过剧烈变化，物质保持比较完整。最终“本努”脱颖而出。

采样的难度还在于小行星情况的不确定，在探测器未抵达之前，小行星的基本信息都是从地面或天文望远镜获取，对它的自转特性、地形地貌、地质环境等情况主要通过模型分析、与其他小天体和地面陨石对比的方式推断得出，与实际可能相差甚远。

“隼鸟”和“奥西里斯-雷克斯”都遇到这方面问题，对此，一方面要有简单可靠、适用性强的采样装置，另一方面就是边飞行、边探测、边制定采样策略，才可能达成预定目标。

除了这些，小行星的表面低温环境、远距离通信、高精度导航和控制能力，以及再入返回等，都是需要克服的难题。

我国小行星采样计划

我国在2019年公布小行星探测计划，将在一次任务中完成对小行星的近距离探测、采样返回和对一颗主带彗星的绕飞探测。此次任务探测器命名为天问二号，预期在2025年发射，任务周期持续10年。

天问二号要到访的是小行星2016 HO3和彗星133P。2016 HO3小行星是2016年由地面望远镜发现，它绕太阳公转周期366天，距离地球大约38～100倍地月距离，发射和返回窗口灵活，适合开展采样返回研究。

有意思的是，科学家们认为2016 HO3可能是一块来自月球的岩石。每一颗小行星因为组成元素和尘埃粒径等的差异，受太阳照射时，会形成独特的反照率和行星光谱，就像每个人的指纹，可以反映小行星自身独一无二的物质组成与结构特性。

2016 HO3小行星光谱曲线在近红外波段的斜率与其他小行星都不相同，反而与月球岩石更为相似，而且它的轨道能量也与地月系统轨道能量接近，还是地球的一颗准卫星。科学家猜测，这颗小行星可能是一块月球碎块，随着某次撞击进入环日轨道，经过复杂演化，最终变成现在的样子，等天问二号从2016 HO3取回样本，我们就能验证这个猜想了。

天问二号探测器目前处于研制阶段，它由主探测器和返回舱两部分组成。天问二号将用1年时间抵达小行星2016 HO3，采用绕飞的方式进行详细探测，获取小行星地表特性信息，确定采样区。

天问二号将在国际上首次尝试一种“固定和连接”技术，使用4个机械臂在2016H03着陆，机械臂上的钻头将探测器固定在小行星表面，采集样品，然后探测器返回地球释放返回舱。

最后，主探测器将向地球、火星借力，用7年时间飞抵彗星133P，进行绕飞探测，研究主带彗星形成和演化、气体活动机制等问题。

小行星取样返回任务取名天问二号，这是继火星探测后，我国行星探测重大工程的下一个标志性项目，将树立起建设航天强国的新里程碑。