地外天體取樣返回的方法

焦維新（北京大學地球與空間科學學院）

2020年，深空探測可謂熱鬧非凡。中國的嫦娥五號從月球取樣返回，日本的隼鳥－2探測器從小行星龍宮取樣返回，美國的“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）探測器也從貝努小行星上取得了樣品，正在返回地球的途中。許多國家正醞釀從火星取樣返回的計劃。為什么人類對取樣返回這么重視呢？特別是已經有了著陸探測，甚至對一些天體發射了巡視器，為什么還熱衷于取樣返回呢？本文將重點討論取樣返回的重要性，以及從小行星和火星表面取樣返回的方法。

1 取樣返回的必要性和意義

取樣返回是一種非常重要的探測方式，是其他探測方式無法取代的。這種方式的重要意義概括起來有以下4個方面[1]。

1）一些深層次分析化驗任務需要做復雜的樣品準備工作，而這些工作在地外天體表面是無法完成的，只有在地球的實驗室才能進行。例如，要確定樣品的地質年代，要求在清潔的條件下先進行高純度礦物分離，然后提取和濃縮微量元素，如：銣、鍶和釤。在地面實驗室中進行這項工作的程序已經很完善，但要在地外天體上進行這項工作，條件還遠遠不具備。有些研究需要將樣品加熱到高溫（>1000℃），使用特殊的有機溶劑進行萃取，然后對萃取物進行化學分析，生成用于有機分析的衍生物；還有冷凍干燥法等。另一個關鍵的例子是薄切片的準備，在做一些測試之前，需要把樣品切成薄片，但是，簡單的機器人系統不可能完成這樣的工作。

2）有些高精尖儀器無法送到火星或小行星。某些儀器不適合安裝在著陸器上，因為它們太大，需要太多的能量，需要太多的維護，或者有復雜的操作程序（例如:加載、操作樣本）。計算機斷層掃描（CT）就是一個例子。

3）探測儀器的多樣性。到目前為止，原位探測任務僅限于5～10種科學儀器。然而，我們可以使用50～100種儀器分析返回的樣品，包括未來的、甚至還沒有設計出來的儀器。這可以大大增強我們作出初步發現的能力。

4）對遙感數據精確標定。軌道器對天體表面的探測基本上都是采用遙感的方法。對遙感數據進行分析時，需要進行精確的標定。這個標定數據要求非常準確。如果對有代表性地區最關心物質的有關物理化學參數進行了準確測試，就可以大大提高遙感數據的精度。

取樣返回探測對樣品的要求是很高的，要滿足多項條件才能達到預定的科學目標。如在月球取樣，要求取樣點具有一定的代表性，如月海地區、火山活動區、高山地區、盆地底部等。另外，不能僅從表面取樣，還要從不同的深度取樣。對小行星取樣，還要考慮不同類型的小行星。小行星雖小，卻是太陽系的“老壽星”，一些小行星在太陽系形成的初期就誕生了，因此，對小行星的深入研究，特別是對返回樣品的研究，可以幫助我們深入了解太陽系的起源與演化。

對小行星取樣將遇到特殊的問題。因為大多數小行星的尺度小，自轉速度快，不適合整個航天器降落到表面，取樣過程一般都是短暫的，這就更需要對取樣方法進行研究。

2 小行星取樣方法

近年來，國外對近地小行星（NEA）探測格外重視，繼日本成功實現了對小行星取樣返回探測后，美國和歐洲航天局（ESA）也制定了近地小行星取樣返回探測計劃；我國的一些部門也在醞釀小行星探測計劃。面對小行星探測出現的興旺景象，國外有的學者甚至認為，未來行星科學的研究將進入小行星學時代。

小行星探測的重要方式是取樣返回，這種方式要重點解決如何將著陸器固定在小行星表面以及如何取樣的問題。因為與大天體的探測相比，近地小行星探測有三個特殊的問題：第一個問題是NEA的引力很低，與在大天體上的著陸探測很不相同，一般不存在嚴重撞擊目標天體的問題，而往往是要注意著陸后的彈跳出逃問題，因此，很多情況下需要考慮固定方法。第二是對NEA表面的地質、形態特征等情況了解甚少，這就給著陸器的設計帶來很大的不確定性。例如，有的小行星表面是巖石，有的有“土壤”層，對于這兩種情況，著陸的方式就很不同；而且往往是在探測器抵近小行星后才能了解這些具體情況，因此，著陸器的設計要適應比較大范圍的表面情況。第三是由于小行星表面平坦的區域很小，著陸器難以著陸和停留，也難以支撐來自取樣操作的反作用。

近年來，國外對近地小行星取樣返回探測提出了一些新方法，主要有觸及表面隨即飛離、著陸固定后取樣、短暫懸停隨即飛離等。

觸及表面隨即飛離

在這種“接觸即離”（TAG）方式中，探測器機動到距離小行星表面幾米的高度，伸出取樣器與表面接觸，并在幾秒鐘的時間內取完樣品，然后推進器加速，使探測器離開表面。這種方式省去了在取樣前的著陸和固定，以及取樣后離開表面前的解鎖過程。另外，當探測器慣性下落時，TAG方式也提供了取樣所需要的正常的接觸力。TAG方式有多種取樣方法，因而適合多種小行星表面情況，如表面有風化層，或者表面堅硬的情況。主要的取樣方式包括：發射子彈后收集碎片、使表面碎片流體化、刷-輪取樣器等。

1）發射子彈后收集碎片。當取樣器接觸到小行星表面時，取樣器發出一枚子彈，子彈撞擊到表面后，濺起碎屑，被收集器收集，然后小行星探測器開始爬升，離開小行星。日本的“隼鳥”探測器就是采用這種取樣方式，隼鳥－2探測器也同樣采用了這種方式。這種取樣方式適合于小行星表面是巖石或基本沒有風化層的情況。或者說，如果之前不了解小行星表面的情況，可以采用這種取樣方式。

2）使表面碎片流體化。這種取樣方式適合于表面有風化層的情況。工作過程是：探測器逐漸下落，當接觸即離取樣獲得機械（TAGSAM）接觸到小行星表面時，取樣器向小行星的風化層吹高壓氮氣，在氣流的作用下，使小行星表面碎屑流體化，隨氣流一起被吹進取樣器，取樣可在大約5s內完成。美國發射的小行星取樣探測器“奧西里斯-雷克斯”就是采用的這種方式[2]。

“隼鳥”探測器的取樣方式

3）刷-輪取樣方法。刷-輪取樣器是由美國國家航空航天局（NASA）所屬的噴氣推進實驗室（JPL）研發的。它有兩三個逆時針旋轉的刷子，當取樣器與小行星表面接觸時，這些旋轉的刷子就可以將小行星表面物質收集到取樣盒里。這種方式的特點是取樣的速度快，容積大，返回的樣品質量在0.35～2.1kg之間。

4）雙夾片取樣方法。這種方法使用雙夾片取樣器，兩個夾片由彈簧驅動到達小行星表面，初始是張開的，然后收攏，在大約0.1s的時間內完成操作。收攏的夾片可以將樣品送到容器。

著陸固定后取樣

這種操作方式的突出特點是著陸固定。由于小行星的引力微弱，為了保證著陸器正常工作，對著陸器要采取固定的措施。一旦固定后，許多取樣方法都可以使用，包括一些在大行星和月球上采用的方法。這種方式操作的時間一般不受限制，取樣系統也可以比較復雜，因此可以完成更復雜的任務。

“奧西里斯”探測器的大小

取樣器工作示意圖

刷-輪取樣器（左圖為兩刷，右圖為三刷）

雙夾片取樣器操作過程

NEA表面固定方法[3]對著陸器固定的基本要求是能保證接下來的取樣工作順利進行。在有些情況下，還要求根據需要隨時解鎖，以便使著陸器飛離小行星表面。常用的著陸固定方法有以下8種：

1）推進器。通過使用推進器，將飛船推向小行星的表面。這種方式的優點是利用現有技術，而且隨時都可以取消固定；缺點是消耗燃料，因此固定時間不會太長。

2）魚叉。向小行星表面發射魚叉，將飛船拉向表面。這種方式的優點是可以產生大的固定力；缺點是對小行星表面的特性有限制，適用于有風化層的小行星。

3）麻花鉆。在表面用兩個轉動方向相反的麻花鉆進行鉆探，這樣可以抵消鉆頭轉動時產生的反作用力。這種方法的優點是固定力大，可以重復使用；缺點是要求有附加的硬件（鉆頭),對于硬巖石表面需要使用特殊的鉆頭，消耗能量也比較大。

4）支撐力固定。取樣器使用多個支架，每個支架與表面成一定的角度，這樣，在沿著小行星表面的方向就形成了一定的支撐力，用這個支撐力固定。

5）流體固定。取樣器落到表面后，從支架的底部細管中噴出有一定粘著力的流體，如泡沫、水泥或環氧樹脂。這樣，在支架底端與表面之間就產生了粘著力。如果想消除這個粘著力，可以對接觸點加熱，粘著力減少，著陸器就可以離開小行星表面。

6）釘子固定。當著陸器接近小行星表面時，用射釘槍向表面發射釘子，達到固定的目的。

7）微機架固定。單個微機架由鑲嵌在剛性架上的尖鉤和彈性彎曲結構組成；一個微機架陣可有幾十個或幾百個微機架，因此可承受更大的力。由于每個微機架有自己的懸掛結構，它可以被拉長或壓縮，能找到巖石上粗糙不平之處以便抓住。

8）磁力固定。用一個磁墊吸引含磁性的小行星表面。這種方法的優點是不需要穿進表面；但不適用于非磁性天體。

短暫懸停隨后飛離

取樣及樣品保存是取樣返回探測要解決的基本技術，NASA在這方面開展了細致的工作。

1）探測器懸停。在這種方式中，探測器在距離目標小行星表面大約10m～1km的高度上懸停，然后射出取樣器。取樣器通過系繩與探測器連接，在完成了在小行星表面取樣任務后，再由系繩將取樣器拉到探測器，并保存好樣品。

2）快速取樣回收系統。美國NASA的戈達德航天飛行中心（GSFC）研發了一種“快速取樣回收系統”（RASARS），其核心部分是“樣品獲取系統”（SAS）。這種取樣系統是從懸停的探測器上向小行星表面發射魚叉，并穿進一定的深度。魚叉由外殼和內部取樣芯構成，外殼防護取樣芯，避免在撞擊時受損。在魚叉穿進小行星表面后，這個取樣器就開始收集樣品。然后用系繩回收取樣芯，將樣品送入返回容器。整個取樣過程的時間尺度是幾秒到幾分鐘，因此它也適合于緩慢移動的科學平臺。

探測器在小行星表面上懸停

SAS點火與回收序列

多種方式取樣方法

除了前面介紹的方法之外，在一些文獻中也提出了其他一些方法。

1）鉆探取樣。可根據科學目標的要求，鉆到一定的深度，并在不同的深度上分別提取樣品。

2）鏟式取樣。“鳳凰”火星探測器已經在火星上采用了這種取樣方法。

3）就位水提取系統。這種系統的功能是在小行星及彗星表面就位提取水，操作時一般有三個步驟：挖掘含冰的風化層、從風化層中提取水、拋棄碎屑。因此，這種方法是只將水輸送到目的地，而將干燥的碎屑留下。

4）土壤高級處理系統。由NASA研制的這種“土壤先進月表系統運行機器人”（RASSOR）能夠處理天體表面的土壤（風化層），從中獲取有用的元素。

SAS點火與回收序列

用于火星土壤取樣的機器人

3 火星取樣方法[4]

火星取樣返回在技術上也是相當復雜的，需要在開展這項工作之前逐一攻破。這些技術包括樣品的提取和密封技術、從火星表面上升技術、在火星軌道交會對接技術、從火星返回地球的技術，等。人類雖然已從月球、小行星和彗星取樣返回，但還尚未從火星這樣大的天體取樣返回，這對運載火箭和軌道設計的要求都很高。

取樣返回的操作比較復雜，與以往三種探測方式相比，增加了取樣和在火星軌道交會對接的環節。

在對科學目標論證的基礎上，許多研究團隊也對取樣返回的具體實施方案進行了細致的研究。火星探索工作組提出了一個取樣返回參考方案，是眾多方案的一種，其按時間順序給出了取樣返回的全過程，包括從地球發射運載火箭，到著陸火星，提取樣品，然后返回地球。

2019年，NASA和ESA提出了聯合火星取樣返回探測計劃，即“四步走”計劃。

采樣

取樣返回過程框圖

取樣返回參考方案

NASA耗資25億美元研制的“火星-2020”探測器已于2020年7月發射，計劃將著陸在有著40億年歷史的耶澤洛（Jezero）隕石坑。耶澤洛隕石坑里有保存完好的遠古河流三角洲的化石，該區域的巖石保存著關于火星漫長而多樣的地質歷史時期的信息。火星車可四處活動，完成科學實驗，鉆探小塊泥巖和其他巖石（這些巖石可能蘊藏著古老生命的“蛛絲馬跡”），采集巖心樣本。

每個樣本將包含20g巖石和粗砂，存儲于約手電筒大小的管內，NASA會將一些樣本管暫時寄存在火星表面，另一些則放在火星車上。

存樣

地面回收著陸器計劃在2026年7月發射。熟悉火星探索的人可能會意識到，這個時間遠早于2026年10月開啟的典型低能量轉移窗口。然而，2026年直接飛離地球的著陸器將在2027年8月登陸火星表面。這恰逢火星北部夏末時節，一年中最大的沙塵暴可能會對太陽能回收著陸器和漫游車造成致命威脅。著陸器將采取一個不尋常的“到火星的長期軌道”，發射后，著陸器將繞太陽運行1.5圈，于2028年8月到達，大約是火星北部春分的時候。在每年的這個時候，沙塵是最少的，因此遇到沙塵暴的可能性非常低，能避免著陸器和漫游車任務中斷，從而繼續進行回收操作。著陸火星后，采樣火星車將從著陸器中駛出，尋找幾年前散落的樣本管。火星車將依靠太陽能供電，因此，在陽光日益減弱的冬季到來之前，它只有6個月時間完成任務。為此，它每天需要前進200m，并能自動導航。

一旦采集到所有樣本，探測器將使用甲板上的火箭將它們發射到軌道上。

交接

隨后，返回火箭將裝滿樣本的容器發射到距離火星表面300km高的軌道內，與ESA的地球返回軌道器“會師”。地球返回軌道器跟隨著陸器一起到達火星，目的是抓取進入火星軌道的樣本。

順利“會師”后，由NASA建造的機械裝置會將裝載樣本的球體放入一個密閉模塊中，隨后進行密封并消毒，該模塊最后會被放置于一輛名為“地球進入車”的盤形車內，盤形車隨后會在減震器的保護下，在沒有降落傘減速的情況下，降落于猶他州的沙漠。

返回

NASA-ESA火星樣本返回計劃由NASA的火星上升飛行器、ESA的地球返回軌道飛行器、火星樣本筒，以及地球進入艙等多個部件構成。

該樣本將于2031年回返回到地球，之后將置于一個隔離設施中，使其不受地球微生物等的污染。

存儲樣品的容器

甲板上的火箭起飛示意圖

地球返回軌道器

火星樣品返回組件

NASA與ESA合作的火星取樣返回任務

火星取樣返回是一項非常重要的工作，不僅因為返回的樣品有重要的科學價值，更重要的是為載人探測火星打下基礎。目前對此項工作的研究還處于起步階段，有關國家的火星取樣計劃也不夠完備，需要做深入的研究。

4 結束語

由于外天體的種類繁多，每種類型的天體的大小、形狀、表面特征等情況千差萬別，因此，即使對同一類天體，取樣的方式也多種多樣。我國在這方面的研究也僅僅是開始，今后需要加大力度，結合小行星探測計劃以及火星取樣返回探測計劃，全面、深入地開展地外天體取樣返回方法和技術的研究工作。