美国宇航局将收集小行星灰尘带回地球。这是如何

美国宇航局的“奥西里斯-雷克斯”号宇宙飞船于9月8日在佛罗里达州卡纳维拉尔角成功发射。它将在接下来的两年里飞向小行星本努。在对小行星进行细致研究后，奥西里斯-雷克斯(OSIRIS-REx，起源光谱解释资源识别安全-风化岩探测器)最终将接触本努的表面，并在返回地球前采集一小块样本。

那么，一个没有腿或起落架的太空机器人是如何抓取小行星材料并将样本带回地球的呢?它使用一种高度专业化的工具，称为“即动即走”的样本采集机制，简称TAGSAM。

它是如何工作的

TAGSAM看起来像一个弹簧单高跷，底部有一个宽吸盘。“棍子”是一个10英尺长的网状手臂;吸盘是一种样本收集头，直径约为餐盘，厚如一本字典。在发射过程中，整个装置被安全地塞在飞船内，在前往本努的航行中，它将一直待在那里。在对小行星进行测绘和鉴定之后，这一过程将持续两年，OSIRIS-REx团队将确定一个科学上有趣的地点，然后开始取样阶段。宇宙飞船将释放一个保护罩——研究小组称之为“车库门”——TAGSAM臂将完全展开。奥西里斯-雷克斯在地球上的人类支持团队将演练如何收集样本。他们将检查推进器、机动性和收集臂的灵巧性。他们希望确保一切都按照预期进行。当团队感到舒适时，实际的收集将开始。

飞船将以每秒10厘米的速度接近本努，弹簧单高跷垂直于月球表面。在接触时，收集头会扰乱小行星表面，当它压入小行星时，它会释放出一股氮气。这将产生各种各样的灰尘，将风化层——松散的土壤和覆盖在坚硬岩石上的其他物质——送入一个收集室。经过两年的旅行和一年的学习，OSIRIS-Rex与Bennu的直接接触将只持续大约5秒。

科学家们对这种接触之后会发生什么有一些预期。还记得菲莱着陆器是如何降落在67P/ Churyumov-Gerasimenko彗星上，然后四处弹跳的吗?这对“菲莱”来说是个坏结果，但对“奥西里斯-雷克斯”团队来说却是个好消息，因为它正在反弹。样本采集后，手臂与小行星的接触将使航天器向外弹起。为了测量它收集了多少物质，它将开始旋转动作。收集到的样本的质量将改变旋转航天器的角动量。收集前后旋转的变化将揭示它捕获了多少材料。如果收集的数量不足，航天器将能够“亲吻”小行星两次。

团队成员有信心得到他们想要的样本。发射当天，在肯尼迪航天中心举行的新闻发布会上，奥西里斯-雷克斯项目经理里奇·库恩斯说:“在过去的十年中，我们对这一装置进行了广泛的测试。”“我们把它暴露在真空中。我们把它暴露在温度下。我们已经测试了它的前后振动，并且我们已经在非常广泛的材料上进行了测试。”在测试期间，收集不足从来不是问题。该小组打算收集至少60克的小行星风化层。

OSIRIS-REx项目的副项目科学家Christina Richey告诉我们，测试表明TAGSAM将收集接近其最大容量的材料——略低于5磅。

OSIRIS-REx携带的摄像机将记录TAGSAM与Bennu表面的接触。因此，即使TAGSAM未能捕捉到风化层的一个原子，它也将完成一项无价的科学实验。我们对微重力环境中的随机力学知之甚少。通过观察风化层在受到刺激时的表现，科学家们将有新的数据来构建模型。

一旦完成了刺激和旋转任务，手臂将收集头带到样品返回胶囊，在那里收集头将分离。一旦太空舱密封并确保样本安全，宇宙飞船将开始返回地球的旅程。

从35马赫到10英里每小时

带着本努的样本回家是(相对)容易的部分。这是因为返回舱是经过验证的技术。1999年，美国宇航局向怀尔德2号彗星发射了一艘名为“星尘”的宇宙飞船。就像奥西里斯-雷克斯计划做的那样，星尘号收集了一个样本并将其带回地球。它的样品舱在内华达州成功分离并着陆。OSIRIS-REx将使用相同的设计。2023年，当奥西里斯-雷克斯(OSIRIS-REx)返回地球时，它将弹出太空舱，样本将使用降落伞着陆。

库恩斯说:“当它重新进入环境时，速度是每小时2.7万英里。”“当它轻轻地降落时，它的移动速度小于10。”它计划降落在犹他州西部沙漠的美国空军基地犹他测试和训练靶场。从那里，NASA将把太空舱带到阿波罗计划和星尘任务的样品储存和研究的地方——休斯顿的约翰逊航天中心。从现在到那时，NASA将投资于尖端实验室和样品分析设备。

接下来会发生什么——如何分析样本——仍在决定之中。现在，团队正专注于手头的任务。“奥西里斯-雷克斯一直以来的策略是缓慢、谨慎和有条不紊地进行，”任务负责人但丁·洛雷塔(Dante Lauretta)在新闻发布会上说。“这仍将是我们的计划。”这就是为什么OSIRIS-REx能够按时在预算内发布。当样本收集舱降落在地球上时，该团队仍将有两年的资金来进行完整的样本分析，以及所有相关的科学研究。

在未来，尚未出生的科学家将有原始的Bennu样本材料进行研究。今天的科学家只会使用其中的25%。大多数将在NASA的研究,但4%的人会去加拿大航天局任务合作伙伴提供航天器的激光高度计,另有0.5%会去日本航天局往复式针对Itokawa小行星的样本(样本的隼鸟号宇宙飞船),它提供了在2010年到美国。剩下的75%的样本将被长期储存起来，供未来的科学家使用，他们将能够使用尚未想到的工具和技术对其进行研究。

研究风化层的目的是分析其化学成分。科学家们将寻找挥发物和有机分子，如氨基酸。这将有助于解释陨石在地球生命形成过程中的作用。如果它们帮助了我们，它们很可能也帮助了其他行星发展生命。

至于奥西里斯-雷克斯的时间表，在它成功发射后，下一步将进入围绕太阳的轨道，然后在2017年9月再次与地球相遇。然后它会飞到南极洲下面，以弯曲其轨迹，弹射到本努。(轨道调整是必要的，因为小行星位于距离地球轨道平面6度的地方。)它将在2018年接近Bennu，在那里它将花费一年的时间，并在另一年的采样过程中。它返回地球的窗口将于2021年3月开启。

在奥西里斯-雷克斯两年后回到家并丢弃样品舱后，它将留在太空中。它很可能仍有燃料，功能齐全，有摄像机、光谱仪和激光高度计的有效载荷。届时，美国宇航局将不得不决定是否延长其任务，可能将其送回深空，在那里它可以继续探索未知。