太空采样返回不简单

杨宇光

20l了年12月20日，美国国家航空航天局公布了新一轮

“新边疆”计划项目的初选结果。其中，彗星表面采样和无人机登陆泰坦星的这两个提案获选。这一遴选结果使得深空探测中的采样返回任务再次引起人们的关注。

大天体和小天体特点迥异

人类利用航天器对太阳系的天体进行科学考察，这包括远距离观测、飞掠探测、轨道勘察、高速撞击、软着陆原位探测、巡视探测和采样返回等方式。这些探测方式各有特点和难度，而采样返回是其中技术挑战较大的一种。

无论对何种天体进行考察，抵达目的地是最基本的要求，这项要求的难度主要是由目标天体的轨道和引力特点决定的。

因此，探测器抵达距离地球最近的月球从轨道特点来说相对容易，但由于月球是一个很大的天体，其引力会给探测器带来不小的麻烦。

从地球出发的探测器在到达月球附近后，需要减速超过800米/秒才能进入环绕月球的轨道，而降落在月球表面则需要航天器具备将自己的速度改变到大约2500米/秒的能力，这意味着探测器超过一半的重量都要留给推进剂。

与月球相比，类似小行星/彗星这样的小天体采样返回则有着完全不同的特点。

由于这些天体距离地球遥远，且与地球的相对位置处于经常变化的状态，因此能够到达这些天体的轨道以及发射窗口机会都受到很大的限制，一旦错过可能要等数年。而从地球出发到达这些天体也至少要数月的时间，几千万甚至上亿公里的遥远距离会给工程实施带来很多困难。

但是，由于这些天体的个头、引力较小，因此到达这些天体时进入环绕轨道以及在其表面着陆、起飞都不是很困难。探测器不需要做得很大就能实施这样的任务，总体来说工程规模比月球采样返回要小。比较特殊的情况是人类未来的火星采样返回任务。由于火星距离地球非常遥远，因此到达它的过程与前往小行星/彗星一样困难。而火星的个头和引力比月球更大，还有一个稀薄但又不可忽略的大气层，所以在火星表面着陆非常困难，从火星表面起飞更是难上加难，无论对哪个国家来说，火星采样返回都是难度超高的任务。

采样返回的过去和未来

从探测的形式来说，美国的“阿波罗”计划可以归为采样返回任务，尽管“阿波罗”计划的航天员也在月球表面布置了很多科学探测仪器进行原位科考，并乘坐月球车进行巡视探测，但任务的重中之重显然是将月球表面的岩石和土壤带回地球。以至于“阿波罗11号”的航天员阿姆斯特朗和奥尔德林在走下登月舱舷梯时第一件事就是取一勺月面的土壤放进口袋，以免出现突发紧急状况导致两手空空地“回家”。

“阿波罗”计划的7次登月尝试中有6次取得成功，从月球表面带回了382千克岩石和月壤，使得人类对月球的认知取得了质的飞跃，尤其是“阿波罗17号”，不但采集的样本最多，达到110.52千克，而且登月航天员哈里森·施密特本人就是地质学家，他在月球表面采集的橙色月壤曾引起了很大的轰动。

苏联虽然在载人登月竞赛中败下阵来，但在1970年9月-1976年8月之间，该国的“月球”16号、20号和24号先后3次成功在月面软着陆，利用探测器一根长臂上的钻头钻进月壤中取样，然后把月壤放进返回舱中，将土壤样本送回地球。

虽然苏联当年的计划采用了较为简单的设计，整个飞行器着陆到月面并直接返回地球，从能量上来说并不优化，无法与“阿波罗”计划相提并论，但毕竟从月面3个不同的地点取回了样本，科学意义巨大。

未来，中国即将开展的“嫦娥五号”任务将是1976年之后人类第一次尝试从月球采集样品。

该过程采用了类似“阿波罗”登月的系统架构，由轨道器、着陆器、上升器和返回舱组成，同样采用了“阿波罗”飞船先进入绕月轨道，探测器下降采样并上升返回到繞月轨道，然后实施月球轨道对接，转移样品后再返回地球的方案。

“嫦娥五号”任务虽然是无人采样任务，其复杂的飞行过程却可以为将来的载人登月奠定更好的技术基础，并且可收集的样本重量预计会大大超过苏联的月球系列任务。

在实施月球采样返回之后，火星的采样返回无疑将成为大天体采样返回的下一个目标，几个航天大国都提出了相应的计划，其任务规模将远远超过月球采样返回任务。日本也提出了从火卫一“福波斯”上采样返回的计划。

五花八门的小天体采样

2006年1月，美国的“星尘号”探测器携带着“维尔德2号”彗星的尘埃返回地球。这个探测器采用了飞掠式的轨道设计，在抵达目标彗星时没有减速，而是采用特殊的超低密度气凝胶收集彗星的尘埃，通过这样精巧的设计用很小的探测器就完成了人类首次彗星采样返回任务。

与美国的“星尘号”不同，日本的“隼鸟号”降落到了“25143糸川”小行星上，虽然任务中遇到了很多困难，但总算成功地采集到了样本并于2010年返回地球，这是人类第一次从小行星上获取样本。另外，日本的“隼鸟2号”将从另一颗小行星“1999JU3”上获取样本。

作为“新边疆”计划的一部分，美国的“奥西里斯-雷克斯”小行星采样返回探测器于2016年9月发射，其任务复杂程度远大于日本的“隼鸟号”。它需要在5000米的距离上对采样目标天体“贝努”小行星进行详细的观测和成像，最后利用机械臂从小行星上提取样本。

此外，还有一次比较特殊的采样任务是美国于2001年发射的“创世纪号”探测器，它采集的是太阳风的微粒，尽管探测器在2004年返回地球时摔坏，但总算把样本带回来一部分。

所有这些采样任务，增强了人类对太阳系的认识，对于我们准确了解太阳系形成的历史非常有意义，可以预见未来还会有更多的类似任务。