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【深度解读】嫦娥五号“挖土”成功!盘点人类还在哪些星球采过样?

来源:中国数字科技馆

12月2日22时,经过约19小时月面工作,探月工程嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样,并已按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。最终,嫦娥五号将会把大约2公斤月球样品带回到地球,供科学家在实验室进行详细的分析研究。

嫦娥五号;星球采样

12月2日,嫦娥五号探测器在月球表面自动采样(图片来源:国家航天局)

日本和美国也在今年相继开展了小行星采样返回活动,其中日本隼鸟2号在2019年完成了对龙宫小行星采样返回任务后,计划于近期返回地球;美国的首个小行星采样返回探测器“奥西里斯-雷克斯”,在202010月对贝努小行星进行了采样,计划于2023年返回地球。

地外星球采样返回活动可谓大戏纷呈!

目前全球究竟开展了哪些地外星球采样返回活动?接下来让我们一一盘点。

一、精彩纷呈的地外星球采样返回活动

地外星球采样返回活动就是用具有采样返回功能的空间探测器在地外星球着陆并采集样品,然后把采集到的样品带回地球,在实验室由科学家用多种设备进行深入研究。

目前已经有形形色色的地外星球采样返回方式。这是因为,各种地外星球差异很大,所以需要采用不同的采样返回方式,另外也跟不同国家的技术水平和不同年代的发展水平各异有关。

目前,全球已对月球、小行星、彗星甚至太阳进行了无人采样返回探测,还利用“阿波罗”载人飞船对月球进行了有人采样返回探测

苏联通过先后发射月球16号、20号和24号月球探测器,对月球进行了无人月球采样返回;美国通过先后发射阿波罗11号、12号、14号、15号、16号、17号载人飞船,对月球进行了有人月球采样返回;中国通过发射嫦娥五号月球探测器,正在对月球进行无人月球采样返回。

上升器组合体;着陆器

嫦娥五号着陆器和上升器组合体着陆后全景相机环拍成像(图片来源:国家航天局)

日本通过先后发射“隼鸟”、隼鸟2号小行星探测器,分别对两颗小行星进行了无人小行星采样返回;美国通过发射“奥西里斯-雷克斯”小行星探测器,正在对1颗小行星进行无人小行星采样返回。

美国通过发射星尘号彗星探测器,对1颗彗星进行了无人彗星采样返回。

美国通过发射起源号太阳探测器,对太阳进行了无人太阳采样返回。

二、月球采样返回活动最热闹

由于月球是距离地球最近的一颗地外星球,所以全球对它进行采样返回的国家最多、次数最多、样品最多、种类最多。

月球采样返回可分为无人月球采样返回和有人月球采样返回两种方式。苏联和中国采用的是前一种,美国采用的是后一种。

(一)苏联VS中国:无人月球采样返回

1.苏联的月球采样三剑客

在无人月球采样返回探测方面,苏联可以说是开路先锋。1970年9月-1976年8月,苏联先后发射月球16号、20号和24号,进行了3次月球采样返回任务,共带回330克月球样品。

星球采样;上升器组合体;着陆器

苏联月球16号月球采样返回探测器

1970912日,苏联发射了世界第一个无人月球采样返回探测器——月球16号。它于1970924日在苏联境内着陆,从月球丰饶海取回了一块101克的小样本

1972年2月14日发射的月球20号与月球16号基本相同,但由于遇上了玄武岩,它只从阿波罗尼厄斯高地月球采集到了55克月球样品

月球24号于1976年8月18日在月球危海东南部软着陆。其结构与月球16号、20号一样,但它从2米深处挖取了月球岩,并且从月球危海获得了170克的样品。

2.中国嫦娥五号后来居上

2020年11月24日,我国发射了嫦娥五号月球探测器,它将在升空23天后把大约2公斤月球样品返回到地球,从而使我国成为世界上第三个在月球采样返回地球的国家。

苏联月球16号;月球采样;探测器

嫦娥五号的组成

嫦娥五号由上升器、着陆器、轨道器、返回器“串”在一起。从发射到返回总共要经历发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降、月面工作、月面上升、交会对接与样品转移、环月等待、月地转移、再入回收共11个重大飞行阶段,其中包括6次重大分离控制,设计相当精妙复杂。

整个过程大致如下:

嫦娥五号;月球采样;星球采样返回流程

嫦娥五号采样返回流程

首先,嫦娥五号先由长征五号火箭发送到地月转移轨道。112个小时后先后通过2次近月制动,嫦娥五号于11月29日最终进入高度200千米的环月圆轨道。环月期间,探测器于11月30日04:40一分为二,即轨道器-返回器(简称轨返)组合体与采用一体化复用设计的着陆器-上升器(简称着上)组合体分离,其中轨返组合体继续环月飞行,而着上组合体经变轨和动力下降飞行,于2020年12月1日23:11着陆在月球正面西经51.8度、北纬43.1度附近的预选着陆区。

着陆后,着陆上升组合体用2天时间完成月面样品采集、封装,然后携带采集样品的上升器从着陆器起飞,进入月球轨道。经过几天的交会,上升器与轨返组合体在200公里高月球轨道完成对接,并将月球样品从上升器转移至返回器内,此后轨返组合体与上升器分离。经过几天的环月等待飞行后,轨返组合体进入112小时的月地转移轨道。在距地面高度约5000千米的分离点时,返回器与轨道器分离。返回器于12月17日左右以半弹道跳跃式再入大气层,完成再入回收。

在月面上采集样品时,着陆器上的采样装置要在1/6地球重力环境下工作。采样装置是两种机械手:一种用于钻取,它可以钻取月面下2米深度的月岩样本;另一种用于表取,即在月球表面铲取月壤。

采样后,要将样品放入上升器携带的容器里进行无污严密封装。由于月球环境特殊,又是无人采样,所以可能会遇到很多未知的问题。采集的月球样品封装到上升器后,上升器要从着陆器上起飞。这将是我国空间飞行器第一次在地外天体起飞,难度很大。携带月球样品的上升器起飞后,要在月球轨道与轨返组合体进行无人交会对接,并把采集的样品转移到返回器中,这在世界上也是第一次。最后,携带月球样品的返回器将以11公里/秒的速度再入地球大气层,落到预定区域。

上述整个过程环环相扣,才能确保嫦娥五号能安全顺利地降落在内蒙古四子王旗着陆场。一切顺利,嫦娥五号将实现我国开展航天活动以来四个“首次”:首次在月面自动采样;首次从月面起飞;首次在38万千米外的月球轨道上进行无人交会对接;首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

值得关注的是,苏联在20世纪70年代进行的3次无人月球采样返回,总共只带回330克月球样品。这是由于苏联当时没有掌握月球轨道无人交会对接技术,所以采用上升器从月面起飞直接返回地球的方案,为此上升器需要携带大量燃料,而携带样品的能力就极为有限了。而嫦娥五号这次采用具有世界领先水平的月球轨道无人对接方案转移月壤,上升器只需少量燃料,因此采样的月球样品重量呈几何级提高,至少为2000克。

另外,嫦娥五号此次的任务不光是带回2000克月球样品返回地球,而且还要为载人登月和深空探测奠定一定的人才、技术和物质基础。

(二)美国:有人月球采样返回

在冷战时期,美国用“阿波罗”载人登月飞船完成了迄今为止世界首批对地外星球的有人采样返回活动。1969年7月-1972年12月,美国通过发射阿波罗11号~17号载人飞船实施了7次载人登月任务,除了阿波罗13号因发生故障中途返回,其余6艘飞船完成登月,成功将12名航天员送上月球,共带回月岩样品380千克,为月球研究提供了直接的依据。

阿波罗11号;月球玄武岩

阿波罗11号任务带回来的古老的月球玄武岩,年龄约为36亿年(图片来源:NASA)

阿波罗11着陆在月球赤道附近的宁静之海,这个地方是一个相对平坦的区域,只有很少的岩石和陨石坑。两名航天员在月球表面共待了2小时32分钟,行程1千米,带回了21.55千克的月球野外地质样本

阿波罗12号在月球赤道平原风暴海着陆,刚好在1967年4月20日着陆的勘测者3号探测器附近。这次任务证明了阿波罗12号的着陆精度。航天员检查了勘测者3号,带回了34千克的月球样本进行分析。

阿波罗14号着陆地点也在赤道上,距离阿波罗12号着陆的地方右侧仅177公里,位于哥白尼陨石坑的正下方,带回了42千克月球土壤和岩石

阿波罗15号着陆在月球北半球中部阿基米德陨石坑东南的亚平宁山脉脚下,是第一个没有在赤道着陆的任务,从该地点和附近的Hadley Rille火山采集带回了370个样本,重达77千克。

阿波罗16号第一次在赤道以南的月球中部高地西奥菲勒斯陨石坑附近着陆,该陨石坑位于西奥菲勒斯陨石坑和托勒密陨石坑之间,目的是研究未开发的地形丘陵笛卡尔形成和平坦的凯莱平原。他们带回了731个重达96千克的岩石和土壤样品。这些样本显示,这两个地区并非如预期的那样是火山,而是由撞击事件的碎片组成。

阿波罗17号在月球北半球的陶勒斯-利特罗山谷着陆,该地既可以从谷底采集较为年轻的岩石样本,也能从月球高地采集较老的岩石样本。他们带回了741个样本,重达111千克,其中包括一个深钻到水下3米的岩芯。

(三)哪种月球采样返回方式更好?

有人月球采样返回优点很多。例如,它不仅采集量大,能充分发挥航天员的主观能动性,从而选择性强,灵活机动,而且采集范围可以很广,因为航天员可以到舱外活动,并能乘月球车漫游到比较远的地方去采集月球样品。例如美国12名登月航天员在月面活动的足迹达100千米。

“阿波罗”航天员;月球车;月球样品

“阿波罗”航天员驾驶月球车采集月球样品(图片来源:NASA)

载人登月技术极为复杂,耗资十分巨大。计算数据表明,“阿波罗”飞船从月球带回共 385千克月球样品,按单位重量计算,其价格是金刚石的35倍!

无人月球采样返回的优缺点与之正好相反,即成本低很多,技术也没那么复杂,更容易实现一些,具有重要的科学和技术意义。

由此可知,有人月球采样返回和无人月球采样返回各有千秋,因此要根据各自的经济、技术、科学等实力以及国际环境来决定采用哪种方式。笔者认为:最佳的途径是采用循序渐进的方式,先进行无人月球采样返回,为有人月球采样返回奠定技术和科学基础,然后再进行有人月球采样返回。

三、小行星采样返回活动同样备受青睐

近年来,因多种原因,小行星探测日益受到重视,其中日本和美国还分别开展了小行星采样返回活动。

(一)日本的两只“隼鸟”

1.“隼鸟”:首次采集小行星样品

因为小行星形状不规则,平均直径只有千米量级,地貌复杂,引力约比地球小4~5个数量级,表面温差大。所以,进行小行星采样返回与月球采样返回技术有所不同。

2003年5月9日,日本发射了世界上第一个小行星采样返回探测器“隼鸟”。它于2005年9月中旬飞抵离糸川小行星20千米高的轨道,观测了糸川小行星表面情况,收集了其成分和地形数据。为使“隼鸟”能够在预先选定的着陆点着陆,2005年11月,“隼鸟”实现了在糸川小行星上的着陆采样,通过着陆产生的撞击,吸入飞溅起来的碎石。

日本“隼鸟”;密封返回舱

日本“隼鸟”密封返回舱成功着陆(图片来源:JAXA)

由于出现了一系列故障,“隼鸟”于2010年6月13日才返回地球,但它使日本成为世界上首个在月球之外的原始小天体上着陆、取样并携带样品返回地面的国家。目前已确认探测器在糸川小行星表面采集的样品为1500粒。通过对“隼鸟”采集的样品进行分析和研究发现,糸川小行星已有800万年的历史。

2.隼鸟2号:新颖的撞击式探测

2014年12月4日,日本发射了更先进的隼鸟2号小行星采样返回探测器。它于2018年6月进入龙宫小行星轨道后,先对该小行星进行了近距离详细观测,接着,向小行星表面投放跳跃式巡视器和小型着陆器,然后对小行表面进行采样。

日本隼鸟2号;龙宫小行星;采样

日本隼鸟2号对龙宫小行星采样前,先释放一颗目标标识器,目标标识器落在小行星表面后可以反射光线,帮助下降中的探测器确定位置(图片来源:JAXA)

20192月,隼鸟2号首次在龙宫小行星表面采用“接触即离”方式着陆,在安全地飞离龙宫小行星时,进行了弹子弹射取样。其弹子质量为3.5克,通过弹子弹射装置以300/秒的速度撞击小行星表面,采样装置采集到了不少于3克从龙宫表面弹射起的飞溅碎片和粒子,发现了水合矿物质。

2019年4月,隼鸟2号对另一个着陆点发射撞击装置(也可称金属弹)。撞击装置是内部装满约9.5千克炸药的半球型圆锥结构体,引爆后生成坚硬、带尖头的铜金属块,以2千米/秒的速度撞击龙宫小行星表面,并形成直径约为10米的小行星坑。同年5月,隼鸟2号对该小行星坑以“接触即离”方式完成着陆,采集了多于10克的小行星内部样品。2019年7月,“隼鸟2号”又以上述撞击方式完成了另一次采样任务。

完成任务后,隼鸟2号于2019年11月飞离龙宫小行星,它将于近期返回地球。

(二)美国的采集量最大

2016年9月9日,美国首个小行星采样返回探测器——“奥西里斯-雷克斯”升空,目标是对贝努小行星进行采样返回探测,研究太阳系的形成和演化、行星形成的初始阶段以及形成生命的有机复合物的起源。

“奥西里斯-雷克斯”由探测器平台、5台科学设备、1个采样机械臂以及1个用于将样品送回地球的样品返回舱组成。它于2018年8月抵达贝努小行星,并在环绕贝努小行星的轨道上对其进行全球表面成像观测,展开了为期两年的科学研究。2020年10月20日,该探测器使用采样机械臂末端的采样器,采集了60克~2千克的贝努小行星表面风化层样品。

美国“奥西里斯-雷克斯”;贝努小行星;样品实景

美国“奥西里斯-雷克斯”采集贝努小行星样品实景(图片来源:NASA)

“奥西里斯-雷克斯”将于20213月开始返回地球的旅程,计划在20239月将采样返回舱送回地球。在进入地球大气前4小时,探测器将释放采样返回舱。随后探测器将进行碰撞规避机动,并不进入地球大气,而是在绕太阳轨道上运行。采样返回舱将以12.2千米/秒的速度进入地球大气,并通过降落伞系统进行减速,最后在犹他州测试与训练靶场软着陆。 

四、彗星采样返回活动有新招

1999年2月7日,美国发射了星尘号彗星探测器,任务是在2004年1月飞到怀尔德2号彗星,在穿过彗尾的过程中采集尘埃及气体样本,并送回地球。

“星尘号”的大小像电话亭一样,重385千克,携带了返回舱、彗星与星际尘埃分析仪、尘埃撞击监测仪和太阳能电池板及其保护装置。其中46千克重的返回舱内装有“气凝胶尘埃收集器”、高分辨率相机和其他科学仪器。

2004年1月2日,“星尘号”与怀尔德2号彗星交会,当时它距离彗核约240千米。在这么近的距离,“星尘号”遭到数百万彗星微粒的撞击。在此期间,“星尘号”伸出类似网球拍的“气凝胶尘埃收集器”来收集彗星的尘埃微粒,然后折叠收入返回舱,贮存于容器中。

气凝胶尘埃收集器;彗星

伸出类似网球拍的“气凝胶尘埃收集器”来收集彗星尘埃微粒的美国星尘号彗星探测器示意图(图片来源:NASA)

全球独一无二的“气凝胶尘埃收集器”是由一位65岁的美籍华人科学家邹哲设计的,当粒子撞上气凝胶时,会立即把自己“埋”在里面,返回地面后再寻找这些彗星的尘埃微粒。

2006年1月15日,装有彗星物质的羽毛球状返回舱通过降落伞着陆于美国犹他州盐湖城东南160千米的沙漠上。

虽说“星尘号”所采集的彗星样本质量还不到1/1000盎司(1盎司相当于28.35克),但这是人类第一次用航天器对彗星进行取样研究。1毫克彗星尘埃大概有100万个彗星粒子,所以科学家很满意。

五、太阳采样返回活动尚不完美

2001年8月8日,美国起源号太阳探测器升空。2001年12月3日-2004年4月1日,该探测器在日地拉格朗日1点(L1)累计采样850天,采集了约10~20微克太阳风粒子。 

嫦娥五号;星球采样;上升器组合体;着陆器

美国“起源号”构型(图片来源:NASA)

这是继“阿波罗”登月飞船后人类第二次将太阳的样本带回地球。当时“阿波罗”飞船在地球和月球间飞行时采集到了太阳样本,但由于受到技术的限制,使用的采集器是飞船表面的一块锡箔,锡箔上的杂质使研究者难以分辨样本究竟来自太阳还是锡箔本身。

“起源号”上的收集设备特别纯净,另外,由于传统的着陆方式可能会损坏这些脆弱的样本,所以“起源号”在返回时,原计划是采用直升飞机在空中直接把该探测器回收,即“起源号”返回时先打开降落伞,减缓下降的速度,然后在空中用直升飞机直接回收。

2004年9月8日,“起源号”的返回舱以11.04千米/秒的速度在125千米高度再入地球大气层。但返回舱在下降过程中,由于加速度计安装错误,导致主降落伞没能按程序打开,返回舱以32千米/小时的速度撞地而遭到损坏,所以只收回了部分太阳离子。

结语

至今,人类对火星的探测只实现了“绕、着、巡”,还没有实现采样返回,主要原因是火星距离遥远、环境特殊和引力较大等。不过,美国、日本、俄罗斯等一些国家已计划在2030年左右对火星进行采样返回探测,从而最终确定火星上是否有生命,火星地质的组成、气候变化及大气与地面的相互作用等。

我国也拟于2028年实施火星采样返回任务,对火星陨石和返回样品进行分析,研究制约火星有机质的成因、水岩作用、幔源挥发分含量等关键科学问题。

从月球采样返回到火星采样返回,中国深空探测将逐渐走向宇宙更深处!(作者:全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩)

本文部分图片由作者本人提供

本文来自:中国数字科技馆
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