近日，“長(zhǎng)征五號(hào)遙五”運(yùn)載火箭和“嫦娥5號(hào)”探測(cè)器在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)完成技術(shù)區(qū)總裝測(cè)試工作后，垂直轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)，計(jì)劃于11月下旬擇機(jī)實(shí)施發(fā)射，把2000克月球樣品運(yùn)回地球，此舉世人矚目。

2020年，全球不僅發(fā)射了3個(gè)火星探測(cè)器，掀起了火星探測(cè)的熱潮，還開(kāi)展了多項(xiàng)地外星球采樣返回活動(dòng)。

這里我們就來(lái)聊聊有關(guān)地外星球采樣返回的那些事。

1 地外星球采樣返回方式多樣

目前，探測(cè)地外星球有三種常用方法:一是環(huán)繞探測(cè)，主要用于對(duì)地外星球進(jìn)行綜合性普查;二是著陸和巡視探測(cè)，主要用于對(duì)地外星球進(jìn)行區(qū)域性詳查;三是采樣返回探測(cè)，主要用于對(duì)地外星球進(jìn)行區(qū)域性精查，即把采集到的地外星球樣品運(yùn)回地球后，供科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行精細(xì)研究。

這三種空間探測(cè)方式有明顯的遞進(jìn)關(guān)系，每一步都是對(duì)前一步的深化，并為下一步奠定基礎(chǔ)，最終達(dá)到全面、深入了解地外星球的目的。當(dāng)然，對(duì)于一些小天體的探測(cè)，也可以通過(guò)一次發(fā)射先后完成環(huán)繞探測(cè)和采樣返回探測(cè)兩項(xiàng)任務(wù)。

顧名思義，采樣返回就是用具有采樣返回功能的空間探測(cè)器在地外星球采集樣品，然后把樣品帶回地球。采樣的方式目前五花八門(mén)，這是因?yàn)楦鱾€(gè)地外星球差異很大，所以需要采用不同的采樣返回方式。采樣并帶回地球的樣品也是多種多樣，可以是塵埃、顆粒、土壤和巖石等。

目前，國(guó)外已對(duì)月球、彗星和小行星甚至太陽(yáng)等進(jìn)行了多次無(wú)人采樣返回探測(cè)，還利用“阿波羅”載人飛船對(duì)月球進(jìn)行了有人采樣返回探測(cè)。

2 月球采樣返回蘇聯(lián)捷足先登

在無(wú)人月球采樣返回探測(cè)方面，蘇聯(lián)可以說(shuō)是開(kāi)路先鋒，這也許與蘇聯(lián)載人登月半途而廢有關(guān)，所以轉(zhuǎn)向用無(wú)人空間探測(cè)器采集月球樣品。

1970年9月至1976年8月，蘇聯(lián)先后發(fā)射月球16號(hào)、20號(hào)和24號(hào)，開(kāi)展了3次月球采樣返回任務(wù)，總共帶回326克月球樣品。

1970年9月12日，蘇聯(lián)發(fā)射了世界第一個(gè)無(wú)人月球采樣返回探測(cè)器——“月球16號(hào)”。它高約4米，底部直徑約4米，重5.8噸，由下降級(jí)(又叫著陸器)和上升級(jí)(又叫上升器)組成。

“月球16號(hào)”在月面軟著陸后，用自動(dòng)鉆孔機(jī)采集月球樣品，然后把樣品封裝于返回艙內(nèi)，接著上升級(jí)從月面起飛返回地球，最終返回艙于1970年9月24日在蘇聯(lián)境內(nèi)著陸。它從月球豐饒海取回了一塊101克的小樣本。

1972年2月14日發(fā)射的“月球20號(hào)”與“月球16號(hào)”基本相同，但由于遇上了玄武巖，它只從月球阿波羅尼厄斯高地采集到了55克月球樣品。

“月球24號(hào)”于1976年8月18日在月球危海東南部軟著陸。其結(jié)構(gòu)與月球16號(hào)、20號(hào)一樣，但它從2米深處挖取了月球巖，并總共從月球危海獲得了170克的樣品。

3 美國(guó)地外星球采樣返回四處出擊

不算“阿波羅”對(duì)月球進(jìn)行的載人采樣返回活動(dòng)，美國(guó)現(xiàn)已對(duì)彗星、太陽(yáng)和小行星等地外星球進(jìn)行了無(wú)人采樣返回探測(cè)。

“星塵號(hào)”采集彗星塵埃微粒。1999年2月7日，美國(guó)發(fā)射了“星塵號(hào)”彗星探測(cè)器，主要任務(wù)是在2004年1月飛到“懷爾德2號(hào)”彗星，在穿過(guò)彗尾的過(guò)程中采集塵埃及氣體樣品，并在2年后送回地球。

“星塵號(hào)”攜帶了返回艙、彗星與星際塵埃分析儀、塵埃撞擊監(jiān)測(cè)儀和太陽(yáng)能電池板及其保護(hù)裝置。其中返回艙內(nèi)裝有“氣凝膠塵埃收集器”、相機(jī)等科學(xué)儀器。

2004年1月2日，“星塵號(hào)”與“懷爾德2號(hào)”交會(huì)，遭到數(shù)百萬(wàn)彗星微粒的撞擊。在此期間，“星塵號(hào)”伸出類(lèi)似網(wǎng)球拍的“氣凝膠塵埃收集器”來(lái)收集彗星的塵埃微粒。然后折疊收入返回艙，貯存于容器中。

2006年1月15日，裝有彗星物質(zhì)的返回艙通過(guò)降落傘著陸于美國(guó)猶他州鹽湖城東南160千米的沙漠上。

“起源號(hào)”采集太陽(yáng)風(fēng)粒子。2001年8月8日，美國(guó)“起源號(hào)”太陽(yáng)采樣返回探測(cè)器升空。2001年12月3日至2004年4月1日，該空間探測(cè)器在日地拉格朗日1點(diǎn)(L1)累計(jì)采樣850天，采集了10-20微克太陽(yáng)風(fēng)粒子。這是繼“阿波羅”登月飛船后人類(lèi)第二次將太陽(yáng)的樣本帶回地球。

2004年9月8日，探測(cè)器的返回艙以11.04千米/秒的速度在125千米高度再入地球大氣層。返回艙在下降過(guò)程中，由于加速度計(jì)安裝錯(cuò)誤，導(dǎo)致主降落傘沒(méi)能按程序打開(kāi)，返回艙以32千米/小時(shí)的速度撞地而遭到損壞，所以只收回了部分太陽(yáng)風(fēng)粒子。

“奧西里斯-雷克斯”采樣貝努小行星。2016年9月9日，美國(guó)首個(gè)小行星采樣返回探測(cè)器——“奧西里斯-雷克斯”升空，目標(biāo)是對(duì)貝努小行星進(jìn)行采樣返回探測(cè)。它于2018年8月抵達(dá)貝努，并在環(huán)繞貝努的軌道上展開(kāi)了為期兩年的科學(xué)研究。2020年10月20日，該探測(cè)器使用采樣機(jī)械臂末端的采樣器采集了60克至2千克的貝努表面風(fēng)化層樣品。

“奧西里斯-雷克斯”將于2021年3月開(kāi)始返回地球的旅程，計(jì)劃在2023年9月將采樣返回艙送回地球。

4 小行星采樣返回日本首開(kāi)先河

2003年5月9日，日本發(fā)射了世界第一個(gè)小行星采樣返回探測(cè)器“隼鳥(niǎo)”。它于2005年9月中旬飛抵離糸川小行星20千米高的軌道，觀(guān)測(cè)了糸川小行星表面情況，收集了其成分和地形數(shù)據(jù)。

由于出現(xiàn)了一系列故障，導(dǎo)致“隼鳥(niǎo)”于2010年6月13日才返回地球，但它使日本成為世界上首個(gè)在月球之外的原始小天體上著陸、取樣并攜帶其樣品返回地面的國(guó)家。目前已確認(rèn)探測(cè)器在糸川小行星表面采集的樣品為1500粒。

2014年12月4日，日本又發(fā)射了更先進(jìn)的“隼鳥(niǎo)2號(hào)”小行星采樣返回探測(cè)器。它于2018年6月進(jìn)入龍宮小行星軌道后，先對(duì)該小行星進(jìn)行近距離詳細(xì)觀(guān)測(cè)。接著，向小行星表面投放跳躍式巡視器和小型著陸器，然后對(duì)小行星進(jìn)行表面采樣。

2019年2月，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”首次在龍宮小行星表面采用“接觸即離”的撞擊式探測(cè)，采樣裝置采集到了不少于3克從龍宮表面彈射起的飛濺碎片和粒子，發(fā)現(xiàn)了水合礦物質(zhì)。

2019年4月，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”對(duì)另一個(gè)著陸點(diǎn)發(fā)射撞擊裝置(也可稱(chēng)金屬?gòu)?。以2千米/秒的速度撞擊龍宮小行星表面，并形成直徑約為10米的小行星坑。同年5月，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”對(duì)該小行星坑以“接觸即離”方式完成著陸，采集了多于10克的小行星內(nèi)部樣品。

2019年7月，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”又以上述撞擊方式完成另一次采樣任務(wù)。這次撞擊形成了一個(gè)直徑約為15米的小行星坑。在目標(biāo)標(biāo)識(shí)器的引導(dǎo)下，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”從人造小行星坑周邊采集了不少于10克的樣品。

完成任務(wù)后，“隼鳥(niǎo)2號(hào)”于2019年11月飛離龍宮小行星。它將于2020年末返回地球，返回密封艙的著陸地點(diǎn)與“隼鳥(niǎo)”相同，仍為澳大利亞區(qū)域。

5 中國(guó)“嫦娥5號(hào)”采樣重量將呈幾何級(jí)提高

據(jù)歐陽(yáng)自遠(yuǎn)、葉培健、于登云等多名權(quán)威專(zhuān)家介紹，我國(guó)計(jì)劃在2020年底用“長(zhǎng)征5號(hào)”火箭發(fā)射“嫦娥5號(hào)”無(wú)人月球采樣返回器。

這是我國(guó)探月工程三期的主任務(wù)，由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個(gè)部分“串聯(lián)”組成，將先后經(jīng)歷發(fā)射入軌、地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行、月面下降、月面采樣、月面上升、交會(huì)對(duì)接、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移、軌道分離和再入回收等共12個(gè)飛行階段，最終在內(nèi)蒙古四子王旗著陸，然后將約2000克月球樣品送至地面實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展精細(xì)研究。

如果順利，“嫦娥5號(hào)”將實(shí)現(xiàn)我國(guó)開(kāi)展航天活動(dòng)以來(lái)四個(gè)“首次”:首次在月面自動(dòng)采樣;首次從月面起飛;首次在38萬(wàn)千米外的月球軌道上進(jìn)行無(wú)人交會(huì)對(duì)接;首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

由于蘇聯(lián)當(dāng)時(shí)沒(méi)有掌握月球軌道無(wú)人交會(huì)對(duì)接技術(shù)，所以其3次無(wú)人月球采樣任務(wù)采用的都是月面起飛直接返回地球方案，這樣其上升器需要克服返回艙與大量燃料死重，因此極大壓縮了采樣重量?！版隙?號(hào)”采用具有世界領(lǐng)先水平的月球軌道無(wú)人對(duì)接方案轉(zhuǎn)移月壤，上升器只需少量燃料，且沒(méi)有返回艙死重，因此采樣重量呈幾何級(jí)提高。

我們熱切期盼“嫦娥5號(hào)”圓滿(mǎn)完成無(wú)人月球采樣返回任務(wù)。

(咸寧日?qǐng)?bào)綜合)