地外天体取样返回的方法

2021-02-25焦维新北京大学地球与空间科学学院

国际太空 2021年1期

焦维新（北京大学地球与空间科学学院）

2020年，深空探测可谓热闹非凡。中国的嫦娥五号从月球取样返回，日本的隼鸟－2探测器从小行星龙宫取样返回，美国的“奥西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）探测器也从贝努小行星上取得了样品，正在返回地球的途中。许多国家正酝酿从火星取样返回的计划。为什么人类对取样返回这么重视呢？特别是已经有了着陆探测，甚至对一些天体发射了巡视器，为什么还热衷于取样返回呢？本文将重点讨论取样返回的重要性，以及从小行星和火星表面取样返回的方法。

1 取样返回的必要性和意义

取样返回是一种非常重要的探测方式，是其他探测方式无法取代的。这种方式的重要意义概括起来有以下4个方面[1]。

1）一些深层次分析化验任务需要做复杂的样品准备工作，而这些工作在地外天体表面是无法完成的，只有在地球的实验室才能进行。例如，要确定样品的地质年代，要求在清洁的条件下先进行高纯度矿物分离，然后提取和浓缩微量元素，如：铷、锶和钐。在地面实验室中进行这项工作的程序已经很完善，但要在地外天体上进行这项工作，条件还远远不具备。有些研究需要将样品加热到高温（>1000℃），使用特殊的有机溶剂进行萃取，然后对萃取物进行化学分析，生成用于有机分析的衍生物；还有冷冻干燥法等。另一个关键的例子是薄切片的准备，在做一些测试之前，需要把样品切成薄片，但是，简单的机器人系统不可能完成这样的工作。

2）有些高精尖仪器无法送到火星或小行星。某些仪器不适合安装在着陆器上，因为它们太大，需要太多的能量，需要太多的维护，或者有复杂的操作程序（例如:加载、操作样本）。计算机断层扫描（CT）就是一个例子。

3）探测仪器的多样性。到目前为止，原位探测任务仅限于5～10种科学仪器。然而，我们可以使用50～100种仪器分析返回的样品，包括未来的、甚至还没有设计出来的仪器。这可以大大增强我们作出初步发现的能力。

4）对遥感数据精确标定。轨道器对天体表面的探测基本上都是采用遥感的方法。对遥感数据进行分析时，需要进行精确的标定。这个标定数据要求非常准确。如果对有代表性地区最关心物质的有关物理化学参数进行了准确测试，就可以大大提高遥感数据的精度。

取样返回探测对样品的要求是很高的，要满足多项条件才能达到预定的科学目标。如在月球取样，要求取样点具有一定的代表性，如月海地区、火山活动区、高山地区、盆地底部等。另外，不能仅从表面取样，还要从不同的深度取样。对小行星取样，还要考虑不同类型的小行星。小行星虽小，却是太阳系的“老寿星”，一些小行星在太阳系形成的初期就诞生了，因此，对小行星的深入研究，特别是对返回样品的研究，可以帮助我们深入了解太阳系的起源与演化。

对小行星取样将遇到特殊的问题。因为大多数小行星的尺度小，自转速度快，不适合整个航天器降落到表面，取样过程一般都是短暂的，这就更需要对取样方法进行研究。

2 小行星取样方法

近年来，国外对近地小行星（NEA）探测格外重视，继日本成功实现了对小行星取样返回探测后，美国和欧洲航天局（ESA）也制定了近地小行星取样返回探测计划；我国的一些部门也在酝酿小行星探测计划。面对小行星探测出现的兴旺景象，国外有的学者甚至认为，未来行星科学的研究将进入小行星学时代。

小行星探测的重要方式是取样返回，这种方式要重点解决如何将着陆器固定在小行星表面以及如何取样的问题。因为与大天体的探测相比，近地小行星探测有三个特殊的问题：第一个问题是NEA的引力很低，与在大天体上的着陆探测很不相同，一般不存在严重撞击目标天体的问题，而往往是要注意着陆后的弹跳出逃问题，因此，很多情况下需要考虑固定方法。第二是对NEA表面的地质、形态特征等情况了解甚少，这就给着陆器的设计带来很大的不确定性。例如，有的小行星表面是岩石，有的有“土壤”层，对于这两种情况，着陆的方式就很不同；而且往往是在探测器抵近小行星后才能了解这些具体情况，因此，着陆器的设计要适应比较大范围的表面情况。第三是由于小行星表面平坦的区域很小，着陆器难以着陆和停留，也难以支撑来自取样操作的反作用。

近年来，国外对近地小行星取样返回探测提出了一些新方法，主要有触及表面随即飞离、着陆固定后取样、短暂悬停随即飞离等。

触及表面随即飞离

在这种“接触即离”（TAG）方式中，探测器机动到距离小行星表面几米的高度，伸出取样器与表面接触，并在几秒钟的时间内取完样品，然后推进器加速，使探测器离开表面。这种方式省去了在取样前的着陆和固定，以及取样后离开表面前的解锁过程。另外，当探测器惯性下落时，TAG方式也提供了取样所需要的正常的接触力。TAG方式有多种取样方法，因而适合多种小行星表面情况，如表面有风化层，或者表面坚硬的情况。主要的取样方式包括：发射子弹后收集碎片、使表面碎片流体化、刷-轮取样器等。

1）发射子弹后收集碎片。当取样器接触到小行星表面时，取样器发出一枚子弹，子弹撞击到表面后，溅起碎屑，被收集器收集，然后小行星探测器开始爬升，离开小行星。日本的“隼鸟”探测器就是采用这种取样方式，隼鸟－2探测器也同样采用了这种方式。这种取样方式适合于小行星表面是岩石或基本没有风化层的情况。或者说，如果之前不了解小行星表面的情况，可以采用这种取样方式。

2）使表面碎片流体化。这种取样方式适合于表面有风化层的情况。工作过程是：探测器逐渐下落，当接触即离取样获得机械（TAGSAM）接触到小行星表面时，取样器向小行星的风化层吹高压氮气，在气流的作用下，使小行星表面碎屑流体化，随气流一起被吹进取样器，取样可在大约5s内完成。美国发射的小行星取样探测器“奥西里斯-雷克斯”就是采用的这种方式[2]。

“隼鸟”探测器的取样方式

3）刷-轮取样方法。刷-轮取样器是由美国国家航空航天局（NASA）所属的喷气推进实验室（JPL）研发的。它有两三个逆时针旋转的刷子，当取样器与小行星表面接触时，这些旋转的刷子就可以将小行星表面物质收集到取样盒里。这种方式的特点是取样的速度快，容积大，返回的样品质量在0.35～2.1kg之间。

4）双夹片取样方法。这种方法使用双夹片取样器，两个夹片由弹簧驱动到达小行星表面，初始是张开的，然后收拢，在大约0.1s的时间内完成操作。收拢的夹片可以将样品送到容器。

着陆固定后取样

这种操作方式的突出特点是着陆固定。由于小行星的引力微弱，为了保证着陆器正常工作，对着陆器要采取固定的措施。一旦固定后，许多取样方法都可以使用，包括一些在大行星和月球上采用的方法。这种方式操作的时间一般不受限制，取样系统也可以比较复杂，因此可以完成更复杂的任务。

“奥西里斯”探测器的大小

取样器工作示意图

刷-轮取样器（左图为两刷，右图为三刷）

双夹片取样器操作过程

NEA表面固定方法[3]对着陆器固定的基本要求是能保证接下来的取样工作顺利进行。在有些情况下，还要求根据需要随时解锁，以便使着陆器飞离小行星表面。常用的着陆固定方法有以下8种：

1）推进器。通过使用推进器，将飞船推向小行星的表面。这种方式的优点是利用现有技术，而且随时都可以取消固定；缺点是消耗燃料，因此固定时间不会太长。

2）鱼叉。向小行星表面发射鱼叉，将飞船拉向表面。这种方式的优点是可以产生大的固定力；缺点是对小行星表面的特性有限制，适用于有风化层的小行星。

3）麻花钻。在表面用两个转动方向相反的麻花钻进行钻探，这样可以抵消钻头转动时产生的反作用力。这种方法的优点是固定力大，可以重复使用；缺点是要求有附加的硬件（钻头),对于硬岩石表面需要使用特殊的钻头，消耗能量也比较大。

4）支撑力固定。取样器使用多个支架，每个支架与表面成一定的角度，这样，在沿着小行星表面的方向就形成了一定的支撑力，用这个支撑力固定。

5）流体固定。取样器落到表面后，从支架的底部细管中喷出有一定粘着力的流体，如泡沫、水泥或环氧树脂。这样，在支架底端与表面之间就产生了粘着力。如果想消除这个粘着力，可以对接触点加热，粘着力减少，着陆器就可以离开小行星表面。

6）钉子固定。当着陆器接近小行星表面时，用射钉枪向表面发射钉子，达到固定的目的。

7）微机架固定。单个微机架由镶嵌在刚性架上的尖钩和弹性弯曲结构组成；一个微机架阵可有几十个或几百个微机架，因此可承受更大的力。由于每个微机架有自己的悬挂结构，它可以被拉长或压缩，能找到岩石上粗糙不平之处以便抓住。

8）磁力固定。用一个磁垫吸引含磁性的小行星表面。这种方法的优点是不需要穿进表面；但不适用于非磁性天体。

短暂悬停随后飞离

取样及样品保存是取样返回探测要解决的基本技术，NASA在这方面开展了细致的工作。

1）探测器悬停。在这种方式中，探测器在距离目标小行星表面大约10m～1km的高度上悬停，然后射出取样器。取样器通过系绳与探测器连接，在完成了在小行星表面取样任务后，再由系绳将取样器拉到探测器，并保存好样品。

2）快速取样回收系统。美国NASA的戈达德航天飞行中心（GSFC）研发了一种“快速取样回收系统”（RASARS），其核心部分是“样品获取系统”（SAS）。这种取样系统是从悬停的探测器上向小行星表面发射鱼叉，并穿进一定的深度。鱼叉由外壳和内部取样芯构成，外壳防护取样芯，避免在撞击时受损。在鱼叉穿进小行星表面后，这个取样器就开始收集样品。然后用系绳回收取样芯，将样品送入返回容器。整个取样过程的时间尺度是几秒到几分钟，因此它也适合于缓慢移动的科学平台。

探测器在小行星表面上悬停

SAS点火与回收序列

多种方式取样方法

除了前面介绍的方法之外，在一些文献中也提出了其他一些方法。

1）钻探取样。可根据科学目标的要求，钻到一定的深度，并在不同的深度上分别提取样品。

2）铲式取样。“凤凰”火星探测器已经在火星上采用了这种取样方法。

3）就位水提取系统。这种系统的功能是在小行星及彗星表面就位提取水，操作时一般有三个步骤：挖掘含冰的风化层、从风化层中提取水、抛弃碎屑。因此，这种方法是只将水输送到目的地，而将干燥的碎屑留下。

4）土壤高级处理系统。由NASA研制的这种“土壤先进月表系统运行机器人”（RASSOR）能够处理天体表面的土壤（风化层），从中获取有用的元素。

SAS点火与回收序列

用于火星土壤取样的机器人

3 火星取样方法[4]

火星取样返回在技术上也是相当复杂的，需要在开展这项工作之前逐一攻破。这些技术包括样品的提取和密封技术、从火星表面上升技术、在火星轨道交会对接技术、从火星返回地球的技术，等。人类虽然已从月球、小行星和彗星取样返回，但还尚未从火星这样大的天体取样返回，这对运载火箭和轨道设计的要求都很高。

取样返回的操作比较复杂，与以往三种探测方式相比，增加了取样和在火星轨道交会对接的环节。

在对科学目标论证的基础上，许多研究团队也对取样返回的具体实施方案进行了细致的研究。火星探索工作组提出了一个取样返回参考方案，是众多方案的一种，其按时间顺序给出了取样返回的全过程，包括从地球发射运载火箭，到着陆火星，提取样品，然后返回地球。

2019年，NASA和ESA提出了联合火星取样返回探测计划，即“四步走”计划。

采样

取样返回过程框图

取样返回参考方案

NASA耗资25亿美元研制的“火星-2020”探测器已于2020年7月发射，计划将着陆在有着40亿年历史的耶泽洛（Jezero）陨石坑。耶泽洛陨石坑里有保存完好的远古河流三角洲的化石，该区域的岩石保存着关于火星漫长而多样的地质历史时期的信息。火星车可四处活动，完成科学实验，钻探小块泥岩和其他岩石（这些岩石可能蕴藏着古老生命的“蛛丝马迹”），采集岩心样本。

每个样本将包含20g岩石和粗砂，存储于约手电筒大小的管内，NASA会将一些样本管暂时寄存在火星表面，另一些则放在火星车上。

存样

地面回收着陆器计划在2026年7月发射。熟悉火星探索的人可能会意识到，这个时间远早于2026年10月开启的典型低能量转移窗口。然而，2026年直接飞离地球的着陆器将在2027年8月登陆火星表面。这恰逢火星北部夏末时节，一年中最大的沙尘暴可能会对太阳能回收着陆器和漫游车造成致命威胁。着陆器将采取一个不寻常的“到火星的长期轨道”，发射后，着陆器将绕太阳运行1.5圈，于2028年8月到达，大约是火星北部春分的时候。在每年的这个时候，沙尘是最少的，因此遇到沙尘暴的可能性非常低，能避免着陆器和漫游车任务中断，从而继续进行回收操作。着陆火星后，采样火星车将从着陆器中驶出，寻找几年前散落的样本管。火星车将依靠太阳能供电，因此，在阳光日益减弱的冬季到来之前，它只有6个月时间完成任务。为此，它每天需要前进200m，并能自动导航。

一旦采集到所有样本，探测器将使用甲板上的火箭将它们发射到轨道上。