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                    【深度解讀】嫦娥五號“挖土”成功!盤點人類還在哪些星球采過樣?

                    來源:中國數字科技館

                    12月2日22時,經過約19小時月面工作,探月工程嫦娥五號探測器順利完成月球表面自動采樣,并已按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。最終,嫦娥五號將會把大約2公斤月球樣品帶回到地球,供科學家在實驗室進行詳細的分析研究。

                    嫦娥五號;星球采樣

                    12月2日,嫦娥五號探測器在月球表面自動采樣(圖片來源:國家航天局)

                    日本和美國也在今年相繼開展了小行星采樣返回活動,其中日本隼鳥2號在2019年完成了對龍宮小行星采樣返回任務后,計劃于近期返回地球;美國的首個小行星采樣返回探測器“奧西里斯-雷克斯”,在202010月對貝努小行星進行了采樣,計劃于2023年返回地球。

                    地外星球采樣返回活動可謂大戲紛呈!

                    目前全球究竟開展了哪些地外星球采樣返回活動?接下來讓我們一一盤點。

                    一、精彩紛呈的地外星球采樣返回活動

                    地外星球采樣返回活動就是用具有采樣返回功能的空間探測器在地外星球著陸并采集樣品,然后把采集到的樣品帶回地球,在實驗室由科學家用多種設備進行深入研究。

                    目前已經有形形色色的地外星球采樣返回方式。這是因為,各種地外星球差異很大,所以需要采用不同的采樣返回方式,另外也跟不同國家的技術水平和不同年代的發展水平各異有關。

                    目前,全球已對月球、小行星、彗星甚至太陽進行了無人采樣返回探測,還利用“阿波羅”載人飛船對月球進行了有人采樣返回探測。

                    蘇聯通過先后發射月球16號、20號和24號月球探測器,對月球進行了無人月球采樣返回;美國通過先后發射阿波羅11號、12號、14號、15號、16號、17號載人飛船,對月球進行了有人月球采樣返回;中國通過發射嫦娥五號月球探測器,正在對月球進行無人月球采樣返回。

                    上升器組合體;著陸器

                    嫦娥五號著陸器和上升器組合體著陸后全景相機環拍成像(圖片來源:國家航天局)

                    日本通過先后發射“隼鳥”、隼鳥2號小行星探測器,分別對兩顆小行星進行了無人小行星采樣返回;美國通過發射“奧西里斯-雷克斯”小行星探測器,正在對1顆小行星進行無人小行星采樣返回。

                    美國通過發射星塵號彗星探測器,對1顆彗星進行了無人彗星采樣返回。

                    美國通過發射起源號太陽探測器,對太陽進行了無人太陽采樣返回。

                    二、月球采樣返回活動最熱鬧

                    由于月球是距離地球最近的一顆地外星球,所以全球對它進行采樣返回的國家最多、次數最多、樣品最多、種類最多。

                    月球采樣返回可分為無人月球采樣返回和有人月球采樣返回兩種方式。蘇聯和中國采用的是前一種,美國采用的是后一種。

                    (一)蘇聯VS中國:無人月球采樣返回

                    1.蘇聯的月球采樣三劍客

                    在無人月球采樣返回探測方面,蘇聯可以說是開路先鋒。1970年9月-1976年8月,蘇聯先后發射月球16號、20號和24號,進行了3次月球采樣返回任務,共帶回330克月球樣品。

                    星球采樣;上升器組合體;著陸器

                    蘇聯月球16號月球采樣返回探測器

                    1970912日,蘇聯發射了世界第一個無人月球采樣返回探測器——月球16號。它于1970924日在蘇聯境內著陸,從月球豐饒海取回了一塊101克的小樣本。

                    1972年2月14日發射的月球20號與月球16號基本相同,但由于遇上了玄武巖,它只從阿波羅尼厄斯高地月球采集到了55克月球樣品。

                    月球24號于1976年8月18日在月球危海東南部軟著陸。其結構與月球16號、20號一樣,但它從2米深處挖取了月球巖,并且從月球危海獲得了170克的樣品。

                    2.中國嫦娥五號后來居上

                    2020年11月24日,我國發射了嫦娥五號月球探測器,它將在升空23天后把大約2公斤月球樣品返回到地球,從而使我國成為世界上第三個在月球采樣返回地球的國家。

                    蘇聯月球16號;月球采樣;探測器

                    嫦娥五號的組成

                    嫦娥五號由上升器、著陸器、軌道器、返回器“串”在一起。從發射到返回總共要經歷發射入軌、地月轉移、近月制動、環月飛行、著陸下降、月面工作、月面上升、交會對接與樣品轉移、環月等待、月地轉移、再入回收共11個重大飛行階段,其中包括6次重大分離控制,設計相當精妙復雜。

                    整個過程大致如下:

                    嫦娥五號;月球采樣;星球采樣返回流程

                    嫦娥五號采樣返回流程

                    首先,嫦娥五號先由長征五號火箭發送到地月轉移軌道。112個小時后先后通過2次近月制動,嫦娥五號于11月29日最終進入高度200千米的環月圓軌道。環月期間,探測器于11月30日04:40一分為二,即軌道器-返回器(簡稱軌返)組合體與采用一體化復用設計的著陸器-上升器(簡稱著上)組合體分離,其中軌返組合體繼續環月飛行,而著上組合體經變軌和動力下降飛行,于2020年12月1日23:11著陸在月球正面西經51.8度、北緯43.1度附近的預選著陸區。

                    著陸后,著陸上升組合體用2天時間完成月面樣品采集、封裝,然后攜帶采集樣品的上升器從著陸器起飛,進入月球軌道。經過幾天的交會,上升器與軌返組合體在200公里高月球軌道完成對接,并將月球樣品從上升器轉移至返回器內,此后軌返組合體與上升器分離。經過幾天的環月等待飛行后,軌返組合體進入112小時的月地轉移軌道。在距地面高度約5000千米的分離點時,返回器與軌道器分離。返回器于12月17日左右以半彈道跳躍式再入大氣層,完成再入回收。

                    在月面上采集樣品時,著陸器上的采樣裝置要在1/6地球重力環境下工作。采樣裝置是兩種機械手:一種用于鉆取,它可以鉆取月面下2米深度的月巖樣本;另一種用于表取,即在月球表面鏟取月壤。

                    采樣后,要將樣品放入上升器攜帶的容器里進行無污嚴密封裝。由于月球環境特殊,又是無人采樣,所以可能會遇到很多未知的問題。采集的月球樣品封裝到上升器后,上升器要從著陸器上起飛。這將是我國空間飛行器第一次在地外天體起飛,難度很大。攜帶月球樣品的上升器起飛后,要在月球軌道與軌返組合體進行無人交會對接,并把采集的樣品轉移到返回器中,這在世界上也是第一次。最后,攜帶月球樣品的返回器將以11公里/秒的速度再入地球大氣層,落到預定區域。

                    上述整個過程環環相扣,才能確保嫦娥五號能安全順利地降落在內蒙古四子王旗著陸場。一切順利,嫦娥五號將實現我國開展航天活動以來四個“首次”:首次在月面自動采樣;首次從月面起飛;首次在38萬千米外的月球軌道上進行無人交會對接;首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

                    值得關注的是,蘇聯在20世紀70年代進行的3次無人月球采樣返回,總共只帶回330克月球樣品。這是由于蘇聯當時沒有掌握月球軌道無人交會對接技術,所以采用上升器從月面起飛直接返回地球的方案,為此上升器需要攜帶大量燃料,而攜帶樣品的能力就極為有限了。而嫦娥五號這次采用具有世界領先水平的月球軌道無人對接方案轉移月壤,上升器只需少量燃料,因此采樣的月球樣品重量呈幾何級提高,至少為2000克。

                    另外,嫦娥五號此次的任務不光是帶回2000克月球樣品返回地球,而且還要為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎。

                    (二)美國:有人月球采樣返回

                    在冷戰時期,美國用“阿波羅”載人登月飛船完成了迄今為止世界首批對地外星球的有人采樣返回活動。1969年7月-1972年12月,美國通過發射阿波羅11號~17號載人飛船實施了7次載人登月任務,除了阿波羅13號因發生故障中途返回,其余6艘飛船完成登月,成功將12名航天員送上月球,共帶回月巖樣品380千克,為月球研究提供了直接的依據。

                    阿波羅11號;月球玄武巖

                    阿波羅11號任務帶回來的古老的月球玄武巖,年齡約為36億年(圖片來源:NASA)

                    阿波羅11著陸在月球赤道附近的寧靜之海,這個地方是一個相對平坦的區域,只有很少的巖石和隕石坑。兩名航天員在月球表面共待了2小時32分鐘,行程1千米,帶回了21.55千克的月球野外地質樣本。

                    阿波羅12號在月球赤道平原風暴海著陸,剛好在1967年4月20日著陸的勘測者3號探測器附近。這次任務證明了阿波羅12號的著陸精度。航天員檢查了勘測者3號,帶回了34千克的月球樣本進行分析。

                    阿波羅14號著陸地點也在赤道上,距離阿波羅12號著陸的地方右側僅177公里,位于哥白尼隕石坑的正下方,帶回了42千克月球土壤和巖石。

                    阿波羅15號著陸在月球北半球中部阿基米德隕石坑東南的亞平寧山脈腳下,是第一個沒有在赤道著陸的任務,從該地點和附近的Hadley Rille火山采集帶回了370個樣本,重達77千克。

                    阿波羅16號第一次在赤道以南的月球中部高地西奧菲勒斯隕石坑附近著陸,該隕石坑位于西奧菲勒斯隕石坑和托勒密隕石坑之間,目的是研究未開發的地形丘陵笛卡爾形成和平坦的凱萊平原。他們帶回了731個重達96千克的巖石和土壤樣品。這些樣本顯示,這兩個地區并非如預期的那樣是火山,而是由撞擊事件的碎片組成。

                    阿波羅17號在月球北半球的陶勒斯-利特羅山谷著陸,該地既可以從谷底采集較為年輕的巖石樣本,也能從月球高地采集較老的巖石樣本。他們帶回了741個樣本,重達111千克,其中包括一個深鉆到水下3米的巖芯。

                    (三)哪種月球采樣返回方式更好?

                    有人月球采樣返回優點很多。例如,它不僅采集量大,能充分發揮航天員的主觀能動性,從而選擇性強,靈活機動,而且采集范圍可以很廣,因為航天員可以到艙外活動,并能乘月球車漫游到比較遠的地方去采集月球樣品。例如美國12名登月航天員在月面活動的足跡達100千米。

                    “阿波羅”航天員;月球車;月球樣品

                    “阿波羅”航天員駕駛月球車采集月球樣品(圖片來源:NASA)

                    載人登月技術極為復雜,耗資十分巨大。計算數據表明,“阿波羅”飛船從月球帶回共 385千克月球樣品,按單位重量計算,其價格是金剛石的35倍!

                    無人月球采樣返回的優缺點與之正好相反,即成本低很多,技術也沒那么復雜,更容易實現一些,具有重要的科學和技術意義。

                    由此可知,有人月球采樣返回和無人月球采樣返回各有千秋,因此要根據各自的經濟、技術、科學等實力以及國際環境來決定采用哪種方式。筆者認為:最佳的途徑是采用循序漸進的方式,先進行無人月球采樣返回,為有人月球采樣返回奠定技術和科學基礎,然后再進行有人月球采樣返回。

                    三、小行星采樣返回活動同樣備受青睞

                    近年來,因多種原因,小行星探測日益受到重視,其中日本和美國還分別開展了小行星采樣返回活動。

                    (一)日本的兩只“隼鳥”

                    1.“隼鳥”:首次采集小行星樣品

                    因為小行星形狀不規則,平均直徑只有千米量級,地貌復雜,引力約比地球小4~5個數量級,表面溫差大。所以,進行小行星采樣返回與月球采樣返回技術有所不同。

                    2003年5月9日,日本發射了世界上第一個小行星采樣返回探測器“隼鳥”。它于2005年9月中旬飛抵離糸川小行星20千米高的軌道,觀測了糸川小行星表面情況,收集了其成分和地形數據。為使“隼鳥”能夠在預先選定的著陸點著陸,2005年11月,“隼鳥”實現了在糸川小行星上的著陸采樣,通過著陸產生的撞擊,吸入飛濺起來的碎石。

                    日本“隼鳥”;密封返回艙

                    日本“隼鳥”密封返回艙成功著陸(圖片來源:JAXA)

                    由于出現了一系列故障,“隼鳥”于2010年6月13日才返回地球,但它使日本成為世界上首個在月球之外的原始小天體上著陸、取樣并攜帶樣品返回地面的國家。目前已確認探測器在糸川小行星表面采集的樣品為1500粒。通過對“隼鳥”采集的樣品進行分析和研究發現,糸川小行星已有800萬年的歷史。

                    2.隼鳥2號:新穎的撞擊式探測

                    2014年12月4日,日本發射了更先進的隼鳥2號小行星采樣返回探測器。它于2018年6月進入龍宮小行星軌道后,先對該小行星進行了近距離詳細觀測,接著,向小行星表面投放跳躍式巡視器和小型著陸器,然后對小行表面進行采樣。

                    日本隼鳥2號;龍宮小行星;采樣

                    日本隼鳥2號對龍宮小行星采樣前,先釋放一顆目標標識器,目標標識器落在小行星表面后可以反射光線,幫助下降中的探測器確定位置(圖片來源:JAXA)

                    20192月,隼鳥2號首次在龍宮小行星表面采用“接觸即離”方式著陸,在安全地飛離龍宮小行星時,進行了彈子彈射取樣。其彈子質量為3.5克,通過彈子彈射裝置以300/秒的速度撞擊小行星表面,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,發現了水合礦物質。

                    2019年4月,隼鳥2號對另一個著陸點發射撞擊裝置(也可稱金屬彈)。撞擊裝置是內部裝滿約9.5千克炸藥的半球型圓錐結構體,引爆后生成堅硬、帶尖頭的銅金屬塊,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2號對該小行星坑以“接觸即離”方式完成著陸,采集了多于10克的小行星內部樣品。2019年7月,“隼鳥2號”又以上述撞擊方式完成了另一次采樣任務。

                    完成任務后,隼鳥2號于2019年11月飛離龍宮小行星,它將于近期返回地球。

                    (二)美國的采集量最大

                    2016年9月9日,美國首個小行星采樣返回探測器——“奧西里斯-雷克斯”升空,目標是對貝努小行星進行采樣返回探測,研究太陽系的形成和演化、行星形成的初始階段以及形成生命的有機復合物的起源。

                    “奧西里斯-雷克斯”由探測器平臺、5臺科學設備、1個采樣機械臂以及1個用于將樣品送回地球的樣品返回艙組成。它于2018年8月抵達貝努小行星,并在環繞貝努小行星的軌道上對其進行全球表面成像觀測,展開了為期兩年的科學研究。2020年10月20日,該探測器使用采樣機械臂末端的采樣器,采集了60克~2千克的貝努小行星表面風化層樣品。

                    美國“奧西里斯-雷克斯”;貝努小行星;樣品實景

                    美國“奧西里斯-雷克斯”采集貝努小行星樣品實景(圖片來源:NASA)

                    “奧西里斯-雷克斯”將于20213月開始返回地球的旅程,計劃在20239月將采樣返回艙送回地球。在進入地球大氣前4小時,探測器將釋放采樣返回艙。隨后探測器將進行碰撞規避機動,并不進入地球大氣,而是在繞太陽軌道上運行。采樣返回艙將以12.2千米/秒的速度進入地球大氣,并通過降落傘系統進行減速,最后在猶他州測試與訓練靶場軟著陸。 

                    四、彗星采樣返回活動有新招

                    1999年2月7日,美國發射了星塵號彗星探測器,任務是在2004年1月飛到懷爾德2號彗星,在穿過彗尾的過程中采集塵埃及氣體樣本,并送回地球。

                    “星塵號”的大小像電話亭一樣,重385千克,攜帶了返回艙、彗星與星際塵埃分析儀、塵埃撞擊監測儀和太陽能電池板及其保護裝置。其中46千克重的返回艙內裝有“氣凝膠塵埃收集器”、高分辨率相機和其他科學儀器。

                    2004年1月2日,“星塵號”與懷爾德2號彗星交會,當時它距離彗核約240千米。在這么近的距離,“星塵號”遭到數百萬彗星微粒的撞擊。在此期間,“星塵號”伸出類似網球拍的“氣凝膠塵埃收集器”來收集彗星的塵埃微粒,然后折疊收入返回艙,貯存于容器中。

                    氣凝膠塵埃收集器;彗星

                    伸出類似網球拍的“氣凝膠塵埃收集器”來收集彗星塵埃微粒的美國星塵號彗星探測器示意圖(圖片來源:NASA)

                    全球獨一無二的“氣凝膠塵埃收集器”是由一位65歲的美籍華人科學家鄒哲設計的,當粒子撞上氣凝膠時,會立即把自己“埋”在里面,返回地面后再尋找這些彗星的塵埃微粒。

                    2006年1月15日,裝有彗星物質的羽毛球狀返回艙通過降落傘著陸于美國猶他州鹽湖城東南160千米的沙漠上。

                    雖說“星塵號”所采集的彗星樣本質量還不到1/1000盎司(1盎司相當于28.35克),但這是人類第一次用航天器對彗星進行取樣研究。1毫克彗星塵埃大概有100萬個彗星粒子,所以科學家很滿意。

                    五、太陽采樣返回活動尚不完美

                    2001年8月8日,美國起源號太陽探測器升空。2001年12月3日-2004年4月1日,該探測器在日地拉格朗日1點(L1)累計采樣850天,采集了約10~20微克太陽風粒子。 

                    嫦娥五號;星球采樣;上升器組合體;著陸器

                    美國“起源號”構型(圖片來源:NASA)

                    這是繼“阿波羅”登月飛船后人類第二次將太陽的樣本帶回地球。當時“阿波羅”飛船在地球和月球間飛行時采集到了太陽樣本,但由于受到技術的限制,使用的采集器是飛船表面的一塊錫箔,錫箔上的雜質使研究者難以分辨樣本究竟來自太陽還是錫箔本身。

                    “起源號”上的收集設備特別純凈,另外,由于傳統的著陸方式可能會損壞這些脆弱的樣本,所以“起源號”在返回時,原計劃是采用直升飛機在空中直接把該探測器回收,即“起源號”返回時先打開降落傘,減緩下降的速度,然后在空中用直升飛機直接回收。

                    2004年9月8日,“起源號”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。但返回艙在下降過程中,由于加速度計安裝錯誤,導致主降落傘沒能按程序打開,返回艙以32千米/小時的速度撞地而遭到損壞,所以只收回了部分太陽離子。

                    結語

                    至今,人類對火星的探測只實現了“繞、著、巡”,還沒有實現采樣返回,主要原因是火星距離遙遠、環境特殊和引力較大等。不過,美國、日本、俄羅斯等一些國家已計劃在2030年左右對火星進行采樣返回探測,從而最終確定火星上是否有生命,火星地質的組成、氣候變化及大氣與地面的相互作用等。

                    我國也擬于2028年實施火星采樣返回任務,對火星隕石和返回樣品進行分析,研究制約火星有機質的成因、水巖作用、幔源揮發分含量等關鍵科學問題。

                    從月球采樣返回到火星采樣返回,中國深空探測將逐漸走向宇宙更深處?。ㄗ髡撸喝珖臻g探測技術首席科學傳播專家龐之浩)

                    本文部分圖片由作者本人提供

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