太空采樣返回不簡單

楊宇光

20l了年12月20日，美國國家航空航天局公布了新一輪

“新邊疆”計劃項目的初選結果。其中，彗星表面采樣和無人機登陸泰坦星的這兩個提案獲選。這一遴選結果使得深空探測中的采樣返回任務再次引起人們的關注。

大天體和小天體特點迥異

人類利用航天器對太陽系的天體進行科學考察，這包括遠距離觀測、飛掠探測、軌道勘察、高速撞擊、軟著陸原位探測、巡視探測和采樣返回等方式。這些探測方式各有特點和難度，而采樣返回是其中技術挑戰較大的一種。

無論對何種天體進行考察，抵達目的地是最基本的要求，這項要求的難度主要是由目標天體的軌道和引力特點決定的。

因此，探測器抵達距離地球最近的月球從軌道特點來說相對容易，但由于月球是一個很大的天體，其引力會給探測器帶來不小的麻煩。

從地球出發的探測器在到達月球附近后，需要減速超過800米/秒才能進入環繞月球的軌道，而降落在月球表面則需要航天器具備將自己的速度改變到大約2500米/秒的能力，這意味著探測器超過一半的重量都要留給推進劑。

與月球相比，類似小行星/彗星這樣的小天體采樣返回則有著完全不同的特點。

由于這些天體距離地球遙遠，且與地球的相對位置處于經常變化的狀態，因此能夠到達這些天體的軌道以及發射窗口機會都受到很大的限制，一旦錯過可能要等數年。而從地球出發到達這些天體也至少要數月的時間，幾千萬甚至上億公里的遙遠距離會給工程實施帶來很多困難。

但是，由于這些天體的個頭、引力較小，因此到達這些天體時進入環繞軌道以及在其表面著陸、起飛都不是很困難。探測器不需要做得很大就能實施這樣的任務，總體來說工程規模比月球采樣返回要小。比較特殊的情況是人類未來的火星采樣返回任務。由于火星距離地球非常遙遠，因此到達它的過程與前往小行星/彗星一樣困難。而火星的個頭和引力比月球更大，還有一個稀薄但又不可忽略的大氣層，所以在火星表面著陸非常困難，從火星表面起飛更是難上加難，無論對哪個國家來說，火星采樣返回都是難度超高的任務。

采樣返回的過去和未來

從探測的形式來說，美國的“阿波羅”計劃可以歸為采樣返回任務，盡管“阿波羅”計劃的航天員也在月球表面布置了很多科學探測儀器進行原位科考，并乘坐月球車進行巡視探測，但任務的重中之重顯然是將月球表面的巖石和土壤帶回地球。以至于“阿波羅11號”的航天員阿姆斯特朗和奧爾德林在走下登月艙舷梯時第一件事就是取一勺月面的土壤放進口袋，以免出現突發緊急狀況導致兩手空空地“回家”。

“阿波羅”計劃的7次登月嘗試中有6次取得成功，從月球表面帶回了382千克巖石和月壤，使得人類對月球的認知取得了質的飛躍，尤其是“阿波羅17號”，不但采集的樣本最多，達到110.52千克，而且登月航天員哈里森·施密特本人就是地質學家，他在月球表面采集的橙色月壤曾引起了很大的轟動。

蘇聯雖然在載人登月競賽中敗下陣來，但在1970年9月-1976年8月之間，該國的“月球”16號、20號和24號先后3次成功在月面軟著陸，利用探測器一根長臂上的鉆頭鉆進月壤中取樣，然后把月壤放進返回艙中，將土壤樣本送回地球。

雖然蘇聯當年的計劃采用了較為簡單的設計，整個飛行器著陸到月面并直接返回地球，從能量上來說并不優化，無法與“阿波羅”計劃相提并論，但畢竟從月面3個不同的地點取回了樣本，科學意義巨大。

未來，中國即將開展的“嫦娥五號”任務將是1976年之后人類第一次嘗試從月球采集樣品。

該過程采用了類似“阿波羅”登月的系統架構，由軌道器、著陸器、上升器和返回艙組成，同樣采用了“阿波羅”飛船先進入繞月軌道，探測器下降采樣并上升返回到繞月軌道，然后實施月球軌道對接，轉移樣品后再返回地球的方案。

“嫦娥五號”任務雖然是無人采樣任務，其復雜的飛行過程卻可以為將來的載人登月奠定更好的技術基礎，并且可收集的樣本重量預計會大大超過蘇聯的月球系列任務。

在實施月球采樣返回之后，火星的采樣返回無疑將成為大天體采樣返回的下一個目標，幾個航天大國都提出了相應的計劃，其任務規模將遠遠超過月球采樣返回任務。日本也提出了從火衛一“福波斯”上采樣返回的計劃。

五花八門的小天體采樣

2006年1月，美國的“星塵號”探測器攜帶著“維爾德2號”彗星的塵埃返回地球。這個探測器采用了飛掠式的軌道設計，在抵達目標彗星時沒有減速，而是采用特殊的超低密度氣凝膠收集彗星的塵埃，通過這樣精巧的設計用很小的探測器就完成了人類首次彗星采樣返回任務。

與美國的“星塵號”不同，日本的“隼鳥號”降落到了“25143糸川”小行星上，雖然任務中遇到了很多困難，但總算成功地采集到了樣本并于2010年返回地球，這是人類第一次從小行星上獲取樣本。另外，日本的“隼鳥2號”將從另一顆小行星“1999JU3”上獲取樣本。

作為“新邊疆”計劃的一部分，美國的“奧西里斯-雷克斯”小行星采樣返回探測器于2016年9月發射，其任務復雜程度遠大于日本的“隼鳥號”。它需要在5000米的距離上對采樣目標天體“貝努”小行星進行詳細的觀測和成像，最后利用機械臂從小行星上提取樣本。

此外，還有一次比較特殊的采樣任務是美國于2001年發射的“創世紀號”探測器，它采集的是太陽風的微粒，盡管探測器在2004年返回地球時摔壞，但總算把樣本帶回來一部分。

所有這些采樣任務，增強了人類對太陽系的認識，對于我們準確了解太陽系形成的歷史非常有意義，可以預見未來還會有更多的類似任務。