在從太陽系各地帶回樣本的歷史性探索中，成功的最佳座右銘可能是一句簡單而熟悉的短語：“熟能生巧”。
至少，這是最近美國國家航空航天局（NASA）的“奧西里斯-REx”任務盛大結局的演習給人的感覺。“奧西里斯-REx”是“起源、光譜釋義、資源識別、安全-風化層探測器”（Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security-Regolith Explorer）的首字母縮寫。 “奧西里斯-REx”於 2016 年 9 月發射，是美國首個從小行星上獲取樣本的任務。2020 年 10 月，該航天器認真地收集了小行星貝努的碎片，貝努是一個古老的瓦礫堆，由大約 45 億年前太陽系早期形成時遺留下來的各種殘餘物組成。現在，它正在返回地球的途中，尋求在 9 月 24 日清晨一次激動人心的行星際壯舉中，將珍貴的有效載荷安全地送回地球。
這項工作的核心可能是大約 250 克（目前尚無人確切知道有多少）的地外貨物，這些貨物是使用新型“觸碰即走式樣本採集機構”（TAGSAM）從小行星貝努上採集的，TAGSAM 也負責儲存樣本。該硬體被包裹在一個樣本返回艙內，奧西里斯-REx 將在飛掠地球時以千鈞一髮的精度將其拋棄。在經歷了針對猶他州測試和訓練靶場國防部達格威試驗場（大致位於鹽湖城以西 70 英里處）的火熱重返大氣層後，樣本艙應該透過降落傘減緩下降速度，並在那片偏遠的高沙漠地帶的某個地方著陸——當然，前提是一切都按計劃進行。
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為了應對所有可能的情況（包括正常情況和其他情況），在 6 月下旬和本月初，一群科學家、工程師和其他支援人員聚集在一起，對奧西里斯-REx 樣本艙的回收和運輸到模擬潔淨室進行了高保真、逐步的模擬。
6 月份的演習由洛克希德·馬丁公司組織，該公司建造了 TAGSAM、返回艙和奧西里斯-REx，演習在該公司位於科羅拉多州利特爾頓的園區進行，規劃人員在一旁仔細觀察，併為其他任務做筆記。其中最重要的是多機構的火星樣本返回計劃——這是一項更雄心勃勃且充滿風險的數十億美元的專案，旨在 2030 年代將火星物質送回地球。
橢圓的邊緣
奧西里斯-REx 團隊有充分的理由感到緊張。在幾個月後將決定其任務命運的同一片猶他州土地上，已經見證了災難和勝利。
2004 年 9 月，美國國家航空航天局的“起源號”宇宙飛船載著太陽風樣本，在大氣層重返後未能展開降落傘。由於降落傘展開開關安裝不當，高速撞擊導致樣本艙嚴重受損，其珍貴的貨物也受到汙染。不到兩年後，命運發生了轉變，2006 年 1 月，美國國家航空航天局的“星塵號”任務成功地用降落傘將一個灑滿維爾德 2 號彗星噴射出的顆粒的樣本艙送回地球，為隨後的實驗室研究提供了豐富的材料寶藏。
洛克希德·馬丁公司奧西里斯-REx 地面回收行動負責人理查德·威瑟斯彭說，為了避免發生“起源號級別”的事件，已經進行了大量工作。“我們確信這種情況不會再次發生。我們瞭解起源號上發生的技術問題。我們對奧西里斯-REx 進行了廣泛的測試，以確保這種情況不會發生。”他補充說，奧西里斯-REx 樣本艙的設計和回收程式都是基於星塵號的遺產。
來源：Jen Christiansen；資料來源：《奧西里斯-REx，從小行星返回樣本》，作者：Thomas M. Ajluni 等人。IEEE 航空航天會議論文，2015 年 3 月；以及《奧西里斯-REx：從小行星（101955）貝努返回樣本》，作者：Dante S. Lauretta 等人，《空間科學評論》，第 212 卷；2017 年 8 月（主要參考文獻）
儘管如此，威瑟斯彭指出，即使在降落傘下以每小時 10 英里的慢速著陸，著陸也存在不可避免的風險。不幸的是，如果著陸點是岩石，可能會刺穿樣本艙熱保護罩的外部部分——儘管這種情況預計不會損害攜帶樣本的罐體本身。其他不太理想的情況包括髮現樣本艙倒扣在地，或者從罕見的沙漠降雨形成的泥濘水坑中回收樣本艙。
樣本艙在猶他州的降落區域是一個 36 英里乘 8.5 英里的橢圓。在令人緊張的那一天，橢圓區域將被四架直升機環繞，一旦樣本艙的著陸點被精確定位在區域內，直升機將準備運送十幾名或更多的回收團隊成員。系統安全員將是第一批到達現場的人員之一。他們將檢查樣本艙是否有破損或氣體洩漏，以確保區域和有效載荷的安全可靠，以便隨後到來的人員進入。
威瑟斯彭說：“我們創造了明顯更糟糕的條件，只是為了確保我們知道如何處理任何情況。” “我們預計在樣本艙著陸後兩小時內將其運回潔淨室處理區，並在另外兩小時內對其進行氮氣吹掃。”
之所以進行氮氣沖洗，是為了確保外部空氣不會在將樣本艙及其高價值物品轉移到位於德克薩斯州休斯頓的 NASA 約翰遜航天中心之前汙染樣本。到達那裡後，樣本艙將被完全拆卸，TAGSAM 和小行星珍品將在新近更新的潔淨室設施中取出。
6 月份的演習讓回收團隊成員練習處理模擬返回艙並將其運送到模擬潔淨室，而第二次演習（於 7 月 18 日至 20 日舉行）則在猶他州沙漠地區進行，小行星樣本將抵達該地區。後一次演習包括對負責空運樣本艙的回收團隊成員進行直升機訓練。
“巨大的情感釋放時刻”
亞利桑那大學奧西里斯-REx 首席研究員但丁·勞雷塔在觀察 6 月份的回收演練時，列出了一長串可能的痛點。最令人擔憂的是那些任何演練的細緻計劃和臨時行動都無法妥善解決的問題。首先也是最重要的，樣本艙必須在地球上空自主釋放——這是一個複雜的過程，需要切斷電纜並引爆爆炸性的“壓緊”螺栓。內部電池需要喚醒並供電。早在 2016 年就打包好的降落傘需要展開。任何環節出現問題都容易導致 TAGSAM 在自由落體、高速俯衝撞擊沙漠地面後像啤酒罐一樣被壓碎。
然而，勞雷塔並不真正擔心。“老實說，我認為我們的任務成功率達到 99%。”他說，他強調了迄今為止對硬體和航天器效能進行的所有細緻的發射前測試。即便如此，“看到我們的降落傘開啟，看到樣本安全地飄落到地球上，那將是巨大的情感釋放時刻。那時我就知道我們成功了。在那之後，一切都錦上添花。”
即使奧西里斯-REx 的樣本艙遭遇類似“起源號”的硬著陸，勞雷塔和他團隊中的其他成員也相信他們仍然可以取得一些偉大的科學成果。“我們擔心的是保護小行星樣本免受地球汙染。”亞利桑那大學奧西里斯-REx 任務實施系統工程師安賈尼·波利特說，“所有的努力，多次演練和越來越高保真度的操作準備就緒測試，都非常有效。”
啟動泵
從奧西里斯-REx 獲得的所有精心呵護和經驗教訓都將被用於 NASA 2030 年代的主要行星科學專案：火星樣本返回（MSR）計劃。
紅色星球的樣本也註定要運送到猶他州測試和訓練靶場。但兩者之間存在差異，主要原因是關於火星上是否存在生命形式，以及因此可能存在於回收的樣本中的熱門問題。除了將可存活的地外生物帶回地球並將其引入我們的生物圈的可能性為零以外的任何情況，都會引發行星保護專家所稱的“反向汙染”幽靈。
按照目前的計劃，錐形的 MSR 地球進入飛行器將在沒有降落傘的情況下穿過猶他州的天空，經過加固以承受撞擊高沙漠硬地面的衝擊，以及隨後的任何滾動和彈跳。從那裡，回收團隊將把它視為潛在的危險材料，將其封閉在一個保護容器中，然後運送到一個尚未建造的隔離設施，可能位於猶他州以外。
對於 MSR，“我們非常多地利用了在奧西里斯-REx 上完成的許多工作。”NASA 行星保護官尼克·貝納迪尼說，“我們正在積累必要的技能，以滿足需求。”公共安全和高樣本完整性是科學分析的驅動目標。
MSR 的固有國際性質使這一過程變得複雜——NASA 和歐洲航天局都在充實這項工作。貝納迪尼解釋說，即使在美國方面，這項任務也非常複雜，NASA 必須與眾多跨部門合作伙伴進行嚴格的合作，從疾病控制與預防中心和聯邦緊急事務管理局到交通部和國土安全部。
“奧西里斯-REx 讓我們能夠啟動泵。”貝納迪尼繼續說道，儘早制定程式、培訓和樣本完整性方法。“它讓每個人都擁有了火星樣本返回的心態。”