Astrium工程师开发小行星样本返回工具

对于空间科学和工程来说，未来十年都是关于样本返回的。以前的行星探索任务主要集中在航天器上的传感器和发回的数据和图像上，而科学家们真正想要的是材料本身:来自其他行星的大块岩石和灰尘，他们可以在闲暇时用地球上的全套仪器进行研究。

当然，这给工程师们带来了挑战，他们必须找到一种方法来满足科学家们的愿望。你如何从一个没人去过的地方把东西带回来?

EADS Astrium的工程团队一直在研究这个问题，试图弄清楚如何从小行星上采集风化层(表面物质)样本。该团队预计将执行一项前往火星和木星之间的小行星带的任务，他们试图找到一种方法，从火星表面抓取、刮取或挖出物质。

研究小行星有几个原因，任务系统工程师丽莎·皮科克告诉《工程师》杂志。她说:“小行星非常古老，自形成以来从未改变过。”“它们就像一个时间胶囊，记录了行星形成之前太阳系的样子，尤其是在小行星带，它应该形成一颗行星，但由于木星引力的影响而无法形成。”通过观察它们，我们可以深入了解太阳系的历史，这是我们无法通过观察行星或月球得到的，因为它们随着时间的推移发生了很大的变化。”

除了科学方面，小行星样本返回任务是实现未来20年行星探索大目标的重要垫脚石——将火星上的物质带回地球。小行星研究使得采样、存储和返回技术可以在更小、成本更低的航天器上进行测试，而不是在未来10年内被送往这颗红色星球的大型火星车。欧洲航天局、美国宇航局和其他太空机构参与计划中的火星合作任务的团队正在观察并与小行星样本团队合作。

EADS Astrium团队开始其工作是拟议中的马可·波罗任务的一部分，该任务原本是欧洲航天局和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)之间的合作。这需要一种采样机制，可以获得至少40克重的样本，在着陆小行星后5秒内工作，最多可操作3次。样品必须包含从微米到40毫米的颗粒尺寸，并且必须在最小的控制下自主获得。

尽管欧空局决定不再继续马可波罗计划，但小行星采样仍然是该机构及其太空组织的重要议程。皮科克说:“有很多计划项目，它们都有类似的要求，所以我们决定继续发展。”

自主操作的要求促使团队寻找简单的机械设备，并进行了一系列的头脑风暴会议，最终产生了20个创意。皮科克说:“一开始，我们把各个阶层的大约20人聚集在一起，只是为了想出一些想法。”“我们不想被以前做过的任何事情所束缚，我们真的在考虑任何可行的方法。”

这些概念包括简单的铲子、动力斗式输送机、畚箕和刷子的组合、倒置的雨伞、旋转的酒杯形状的鼓、粘性垫，以及类似变种地毯清扫机的东西。皮科克说:“然后我们进行了权衡分析，根据复杂性、成本和可行性等因素给每个想法打分。”与有动力的设计相比，无动力的设计更受欢迎，因为结构和操作都很简单，而且零件数量少。

在这个过程中出现了三种设计，它们都是通过弹簧推入地表来工作的:一种带有一系列花瓣的装置，当它被推入地表时，花瓣会向内偏转，将岩石样本刮到中心;当它们刮擦表面时，两个桶会被推到一起;还有一个带有刷毛的冲床，可以捕捉它从小行星上撤出的物质碎片。皮科克说:“我们认为三个还是太多了，所以我们把花瓣和水桶结合在一起，形成了一个叫做花瓣冲孔混合系统。”这将花瓣内部放置在底部逐渐变细的圆柱形外部部分中，以迫使花瓣在向下驱动时收敛。

下一阶段是测试这些设备，这需要一个模拟的小行星表面。该项目的目标是各种被称为c型的小行星，它是由碳质材料制成的。皮科克说:“这些都是非常古老的小行星，它们的物质中可能含有太阳系最早期阶段的气囊。”c型小行星被认为是由多孔粒子组成的非常柔软易碎的结构，来自开放大学的一个团队开发了一种材料来充当风化层模拟物。

试验装置由弹簧加载机构和振动电机组成。皮科克说:“用手将设备推入材料中是相当困难的，我们注意到人们倾向于扭曲或振动它来让它渗透进去。”“这让我们震动了测试件，效果非常好。我们还发现，将取样装置制成六角形效果非常好，特别是使用了刚毛冲头——棱角变成尖尖的形状，能够有效地穿透表面。”

对于真正的任务，取样装置几乎肯定是由轻质钛制成的，但在这个早期工作中，除了花瓣-冲孔混合装置上的花瓣本身外，两个测试部件是由铝制成的。皮科克说:“我们用钛做这些，因为我们想确保设计能与制造它的材料紧密结合。”刚毛冲头使用了两种不同类型的尼龙刚毛，它们足够柔软，可以沿着整个长度偏转，并且在冲头部分密集地填充，以捕获最大数量的材料。

皮科克表示，这两种系统都取得了很好的结果，都能收集到所需数量的物质。“我们发现，花瓣冲床上的花瓣并没有完全闭合，但这没关系;她说，即使它只是部分关闭，它仍然捕获了大量的物质。鬃毛冲床被证明是非常成功的，似乎调整鬃毛的长度、厚度和刚度可以使它更有效地处理不同大小的颗粒。皮科克补充说:“我们正在考虑推出一款不同尺寸的猪鬃。”

该团队正在继续研究这些设备，同时正在设计新的任务配置文件。皮科克说:“我们正在与美国国家航空航天局(NASA)讨论，后者目前正在研究一项小行星任务，我们也在与火星团队讨论将其中一项设计应用于火星车的可能性。”他说，这仍有很多可能性。