本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：haibaraemily，头图来自：NASA
北京时间10月21日凌晨1点50分（美国时间20日），NASA首个小行星采样返回任务OSIRIS-REx（译为冥王号）探测器，将迎来此次探测中最激动人心的时刻——首次尝试降落小行星贝努表面采样 [1]。
如果一切顺利，4个半小时后，也就是凌晨6点12分左右，冥王号将至少采集到60克贝努样品——这将是自阿波罗任务以来人类从太空采集的最多样品量。
冥王号采样 | University of Arizona/Brittany Enos
而这颗得名于埃及神话中的不死鸟、直径仅约500米的“贝努”小行星，在被冥王号探测器阴魂不散（仔仔细细）地环绕探测了1年多之后，也将终于迎来和冥王号的“第一次亲密接触”。
为了这一天，冥王号已经演习了两次了。
2020年8月11日，冥王号第二次采样演习时的“第一人称”视角实录 | NASA/Goddard/University of Arizona
采样前的功课
“贝努”是一颗近地小行星，这意味着它有机会非常靠近地球。但它毕竟个头太小了，在地基望远镜中仅仅是一个小亮点，看不到任何细节。
2011年9月美国亚利桑那大学1.5米口径的柯伊伯望远镜拍到的贝努（绿圈） | Carl Hergenrother/University of Arizona [2]
想要探索太阳系里的这些小家伙，最大的难题之一就是：在探测器抵达之前，人们对这些“目标”几乎一无所知。因此，一飞到地儿就开始采样，显然太鲁莽和危险了，这个精细活儿可一点都急不得（毕竟探测器这么贵呢还脆）。
行星科学家和工程师会在探测器出发之前就设计出周密的探测计划，让探测器先花上数月甚至一两年的时间做好功课，充分了解这个探测目标，才能最终确定采样位置、采样方式等细节。
冥王号拍摄的贝努小行星近照 | NASA
冥王号的方案是绕飞，也就是直接环绕小行星飞行并完成各种探测。
2018年12月3日，冥王号探测器抵达小行星贝努，31日进入环贝努轨道，绕飞高度距贝努仅约1.6~2.1千米。
这也是人类探测器首次成功环绕个头和引力如此小的小天体长期飞行。
冥王号最初的探测安排，对比下一张图可以看到许多日程后来发生了调整，降落采样时间从原本的8月推迟到了10月 | 汉化自：NASA & APL
在此后的1年多时间里，冥王号一点一点调整轨道，在各种高度上地毯式“扫射”贝努表面的每一寸土地。
对一部分需要重点考察的区域（例如备选采样区），冥王号的飞掠高度甚至可以低达250米。
贝努，一点一点靠近你 | University of Arizona [3]
通过这些近距离考察，贝努这个望远镜里的小亮点，已经一跃成为太阳系中人类最了解的小行星之一了。
冥王星拍摄的小行星贝努近照 | NASA
冥王号携带的PolyCam相机用2155张照片拼出了小行星贝努的超高清全球影像图，分辨率高达5厘米/像素，是人类迄今为止获取的最高清的外星球全球影像图。
冥王号2019年3月7日~4月19日拍摄的2155张照片拼接图，拍摄距离贝努表面3.1~5千米 | NASA/Goddard/University of Arizona [4]
冥王号也携带了类似iPhone 12 Pro上LiDAR那样的激光测高计（OLA），用2000万个激光测距点数据帮助冥王号建立了贝努全球的高分辨率三维地形模型。
左图：冥王号的激光测高计（OLA）| 加拿大宇航局， 右图：OLA获取的小行星贝努3D地形模型，越红越高，越蓝越低，差值约60米 | NASA/University of Arizona/CSA/York/MDA [5]
冥王号的可见光与近红外光谱仪（OVIRS）发现贝努表面广泛分布着水合矿物[6]和含碳物质（有机物和碳酸盐矿物）[7]，这意味着冥王号采回的样品或许可以为我们带来解释地球上水和有机物起源的线索。
OVIRS获取的贝努全球水合物和含碳物质光谱分布图。波段深度和波段面积对含量有一定的指示作用，但也和颗粒大小、空间风化等因素有关 | 参考文献 [7]
这些探测结果，都为冥王号后续的着陆选址工作，提供了有力的工程数据支持和科学价值评估依据。
巨石环伺的采样区
冥王号项目组万万没有想到，选择着陆区会如此棘手。
他们原本可能以为，探测器到地儿一通狂测，只要测得够细致，选个采样区算什么难事！无非就是有科学价值的地方太多，可能会犯一下选择困难综合征罢了。
直到冥王号探测器真的近距离看到了小行星贝努，他们才惊讶地发现，之前通过地基望远镜观测和推算的情况，想得有点太美好了……
这颗小行星表面崎岖多石。看看这密密麻麻的大小石块，让冥王号如何下脚（采样臂）嘛！
冥王号OCAMS（PolyCam）相机2019年3月7日距离贝努约5千米处拍摄的贝努表面，图幅中间偏下的那块浅色石块宽约7.4米 | NASA/Goddard/University of Arizona [8]
残酷的现实为项目组寻找合适采样点带来了更多困难，也为冥王号的着陆采样带来更多危险和不确定性。
但经过反复考察和挑选（来都来了还能咋滴），冥王号项目组还是尽可能从贝努表面选出了4个还算安全、也具备较高科学价值的备选着陆区：
4个备选着陆点的位置，全都以鸟类命名 | NASA/Goddard/University of Arizona [9]
最终，最北端的“夜莺”（Nightingale）当选冥王号的第一次采样区 [10]。
“夜莺”采样区位于北半球一个直径140米的撞击坑中 | NASA/Goddard/University of Arizona [11]
但即使是精挑细选的采样区，也依然挺不让人省心的。
冥王号设计的时候，项目组原本希望，平坦的采样区至少有50米直径那么大。如此一来，即使探测器落得不那么精准，也能有点容错量。
然而现实是，即使是目前最合适的夜莺采样区，也不过是巨石环伺之中的一小片狭小的平坦区域而已，允许冥王号安全采样的着陆区直径仅有6米。
原本计划的采样区大小（橙圈，直径50米）和实际允许的安全采样区大小（蓝圈，直径6米），对比小汽车的大小 | NASA/Goddard/University of Arizona [12]
如果不能准确落在这个区域之内，冥王号很可能还没采集到样品，就在降落过程中一不小心磕到碰到哪块大石头然后扑街了。
夜莺采样区，巨石环伺之中的一小块平坦区域。由345张冥王号影像拼接而成 | NASA/Goddard/University of Arizona [13]
为了尽量减少和大石块的接触，冥王号会在下降过程中把两片太阳能板收拢成Y型。
缩起太阳能板采样的冥王号：我当时害怕极了.jpg | NASA
但这还远远不够。
全新的降落导航技术
冥王号任务起初打算使用激光测距（LiDAR）作为着陆采样阶段的主导航定位手段。但为了落得更准，NASA最终放弃了LiDAR，改用了另一套基于光学影像的备用导航定位方案——自然特征跟踪（Natural Feature Tracking，NFT）技术。
在降落过程中，冥王号不断实时拍摄着陆区附近的照片，用这些照片比对已有的三维地形和影像数据库，匹配着陆区一带的特征石块作为地标，就可以更新自己的实时位置、速度和计划采样位置。如果检测到拍摄的影像里有危险障碍物，冥王号还可以自主撤离 [14]。
冥王号的自然特征跟踪（NFT）技术 | © NASA/Goddard/University of Arizona [14] 汉化：@haibaraemily
冥王号探测器已经在两次降落采样演习中验证了NFT技术的可靠性，在接下来的实际降落采样过程中，也将使用这种技术辅助精确降落。
使用自然特征跟踪（NFT）技术下降中的冥王号探测器示意图 | NASA/Goddard/University of Arizona [14]
碰一下就走，带走一捧样品
面对直径仅约500米、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。
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，冥王号离开距贝努表面约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，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，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。
冥王号采样时采样臂头部工作示意图 | NASA [15]
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的示意图，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2千克。这将是自阿波罗任务以来，人类从太空采集的最多样品量。
相比之下，正在返航路上的日本JAXA隼鸟2号探测器，从另一颗小行星上采集的样品只有约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 [16]
2）2020年10月24日，冥王号会开始“转圈圈”——将采样臂展开后，通过旋转的方式来测量采集到的样品重量是否达标。
旋转“称”重 | NASA/Goddard/CI Lab [16]
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 [16]
如果这次没有从夜莺采样区采集到样品，或者采到的样品不够多…… 没事，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 [10]
外太空采样新热潮
冥王号计划于2021年启程离开小行星贝努，2023年9月24日将采集到的样品带回地球。
已经在回家路上的隼鸟2号，则会率先于今年12月将小行星“龙宫”的样品送回地球，然后开始新的征程。
冥王号和隼鸟2号的探测日程计划 | University of Arizona
而在那之前，中国的嫦娥5号探测器也将后发而先至，从月球上采集样本送回地球。在沉寂了几十年之后，对外太空的采样探测迎来了又一轮的热潮。
太空探索，未来可期！
参考文献：
[1] NASA to Broadcast OSIRIS-REx Asteroid Sample Collection Activities
https://www.nasa.gov/press-release/nasa-to-broadcast-osiris-rex-asteroid-sample-collection-activities
[2] ASTEROID BENNU, AS SEEN FROM EARTH
https://www.asteroidmission.org/?latest-news=asteroid-bennu-seen-earth
[3] OSIRIS-REx: Lowest Altitudes
https://www.asteroidmission.org/phases-lowest-altitudes-recon-c-03-09-2020/
[4] Bennu Global Mosaic
https://www.asteroidmission.org/bennu_global_mosaic/
[5] OLA’s Complete 3D Map of Bennu
https://www.asteroidmission.org/bennu_fullglobe_rotating_gif/
[6] Hamilton, V. E., Simon, A. A., Christensen, P. R., Reuter, D. C., Clark, B. E., Barucci, M. A., … & Connolly, H. C. (2019). Evidence for widespread hydrated minerals on asteroid (101955) Bennu. Nature Astronomy, 3(4), 332-340.
[7] Simon, A. A., Kaplan, H. H., Hamilton, V. E., Lauretta, D. S., Campins, H., Emery, J. P., … & Golish, D. R. (2020). Widespread carbon-bearing materials on near-Earth asteroid (101955) Bennu. Science.
[8] Bennu’s Boulders and Limb from Detailed Survey
https://www.asteroidmission.org/?attachment_id=15551#main
[9] NASA’s OSIRIS-REx in the Midst of Site Selection
https://www.asteroidmission.org/?latest-news=nasas-osiris-rex-in-the-midst-of-site-selection
[10] X MARKS THE SPOT: NASA SELECTS SITE FOR ASTEROID SAMPLE COLLECTION https://www.asteroidmission.org/?latest-news=x-marks-the-spot-nasa-selects-site-for-asteroid-sample-collection
[11] OSIRIS-REx: X Marks the Spot – 2019 AGU Press Conference
https://svs.gsfc.nasa.gov/13489
[12] Nightingale Sampling Area
https://www.asteroidmission.org/nightingalesamplingarea/
[13] Nightingale with Graphic of Spacecraft
https://www.asteroidmission.org/?attachment_id=25876#main
[14] Bennu’s Boulders Shine as Beacons for NASA’s OSIRIS-REx
https://www.asteroidmission.org/?latest-news=bennus-boulders-shine-as-beacons-for-nasas-osiris-rex
[15] TAGSAM Head Collecting Asteroid Sample
https://www.asteroidmission.org/asteroid-operations/tagsam_head/#main
[16] NASA | OSIRIS-REx: Countdown to TAG
https://svs.gsfc.nasa.gov/13724
本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：haibaraemily