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地外天体采样,办法总比困难多

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原创

中国航天报

最近,据国外媒体报道,美国毅力号火星车钻探样品没有成功。按理说,“毅力号”采用的取样钻头,不但设计精妙,而且在地球上经过反复试验,是合理可行的。到底为何采样失败,还需要美国宇航局的科学家们进一步研究。让我们先来看看人类地外天体采样都有哪些方法?这些方法各有哪些优缺点?采样的难点在哪里?

美国毅力号火星车钻探样品没有成功

为什么要到外星上采样?

采样返回是指从地外的某个地点获得样本,送回地球进行分析。这里的“样品”范围很宽,可能只有原子和分子,也可以是松散的行星物质,比如土壤、岩石之类的沉积物。

地外天体采样返回是人类零距离了解宇宙的重要手段。无人探测器上无法携带完善的实验分析设备,人不在场,也无法对样品进行机智灵活的分析。所以,能够采样返回,当然是再好不过了。如果今后要从事月球、火星和小行星资源开发乃至移民,采样返回工作将是一个不可缺少的阶段。

到目前为止,人类研究太阳系的日常手段还是望远镜,那些行星、小行星和彗星探测器,不但数量太少,而且所能携带的仪器数量太少。特别是很多大型科学仪器,目前还没有办法装上探测器、发射到宇宙中。如果能从地外天体上拿回一点样品,就可以在地球上进行详细、长期的研究。探测器如果在现场发现了一些超出人们认知的现象,也没有办法立刻研制新的仪器发射过去,可能要等很多年后,才有机会再探测一轮。

如果把样品拿回地球,它就在实验室里跑不掉了,随时可以用新的实验分析方法处理,也可以用来判断和比对望远镜观察的结果。

生命起源一直是科学界的研究重点。在彗星、小行星、火星或气态巨行星卫星上,是不是存在生命的组成部分,望远镜是很难判定的。探测器着陆或许能解答这个问题的一部分,但是要想得到完整答案,还是需要把样品带回地球才可以。

到目前为止,人类一共发明过3种采样返回方式,分别是直接挖、枪炮轰和迎风捞。

如果用另一种方式来分析,采样返回可以分成:人采和机采。人采案例迄今为止只有美国的阿波罗计划月球采样。其他的采样活动都是用机器人实施的,采样对象包括月球、小行星和彗星。对于火星,目前人类还只做到了采样,没能实现返回。


直接抓:效果棒棒哒

用人类的手直接抓是效果最好的采样手段。当然,这就先要解决怎么把人类送上天体,再送回地球的问题,难度是尽人皆知的。

迄今为止,唯一实现了人手直接抓的采样就是阿波罗计划,其中在1969年7月“阿波罗11号”成功取回了大约22公斤的月球表面物质。之后,“阿波罗12号”取回34公斤,“阿波罗14号”取回42.8公斤,“阿波罗15号”取回76.7公斤,“阿波罗16号”取回94.3公斤。“阿波罗17号”取回110.4公斤,这也是迄今为止地外天体采样的最高纪录。

要是解决不了送人类上天体的技术,那当然就要靠机械了。然而事实证明,机械的难度比载人没有差太多,而且采样的数量也比较少。

第一次实现机器人采样返回成功的,是苏联的“月球16号”,但在此前的8次月球采样返回任务全部失败。“月球16号”采样返回样品101克,恐怕还没有航天员捡一块石头的重量大。

月球十六号探测器

此后,苏联“月球20号”带回样品55克,“月球24号”带回样品170克。苏联时代的月球采样返回活动到此为止。此前,苏联月球采样返回活动多次失败的原因各种各样,包括火箭失败、月球制动失败、探测器失败等,为后续任务提供了宝贵的经验教训。目前,俄罗斯正在筹备“月球25号”采样返回任务,因为技术复杂、事关重大,已经推迟了好几次。

世界上第二个实现机器人采样成功的国家,就是中国了。“嫦娥五号”不但成功取回了月球岩土样本,还创造了机器人采样的样品重量记录——接近2公斤。

中国“嫦娥五号”成功取回了月球岩土样本

美国奥巴马政府期间,一度考虑对小行星进行采样,也就是著名的小行星重新定向计划。当时考虑抓一颗小行星进入环月飞行的轨道,然后派航天员前去采样。随着奥巴马政府的卸任,这个项目也就不了了之了。

目前,还有一个机器人采样项目正在执行当中——美国奥西里斯-雷克斯探测器对贝努小行星实施的采样。采样工作已经在2020年10月完成。据悉,因为贝努的地质比想象当中更疏松,采样数量超过了预期。按照飞行计划,“奥西里斯-雷克斯”将在2023年返回地球。


枪炮轰:硬碰硬的方法

枪炮轰的办法只有日本用过,也就是“隼鸟号”和“隼鸟2号”的两次探测任务,第一次用的是“枪”,第二次用的是“炮”。采用这样的采样手段,是因为日本宇宙航空机构选择的采样对象比较特殊。

日本这两次采样所针对的都是质地坚硬的小行星。如果是在月球或者火星上,就可以让探测器着陆并站稳之后,用钻头取样。然而小行星的引力很弱,探测器根本站立不稳,不能对表面形成压力,也就无从钻探。所以日本采取的方法是发射高速弹丸,把小行星表面打碎,然后探测器立刻下降,收集溅起来的碎石子和尘土。

“隼鸟号”轰击“丝川”小行星并采样返回之后,人们目测返回舱里什么都没有,一度以为采样失败了。但是经过显微镜检查,发现舱壁上有1500颗尘埃,作为一次飞行长达20亿公里的任务,这已经算是很大的成功了。


隼鸟2号”比“隼鸟号”更进了一步。它携带了一枚爆炸成型弹丸前往“龙宫”小行星。这种弹丸一般用在反坦克导弹上。它引爆后,爆轰波把药型罩挤压成一枚形如穿甲弹芯的飞行体,直接轰碎了“龙宫”的表面。之后,该探测器的下降采样过程比较顺利。返回舱在2020年12月降落在澳大利亚,拆箱后得到了5.4克样品,也算是一次成功的采样返回任务。


迎风捞:能捞多少算多少

迎风捞的方式一般用来采集太阳风、彗星尾部之类的稀疏天体样品。其中比较著名的就是美国宇航局的“星尘号”。它的探测对象是一颗叫做“怀尔德2号”的彗星。

人们虽然可以从望远镜看到彗尾,但它比大气稀疏得多,要想从中获得足够多样本,难度相当大。特别是彗星和探测器的相对速度很高,如果让彗尾粒子硬撞在采样器上,可能会导致粒子被破坏而失去科学价值。

所以“星尘号”采用了特殊的低密度气凝胶收集器阵列,密度只有玻璃的1/1000。即使这么小心翼翼,“星尘号”也不过收集到了7颗粒子,珍贵程度可想而知。

目前,地外采样返回的焦点还是火星。除了“毅力号”之外,俄罗斯、中国都规划了火星采样任务。虽然路途遥远,但火星采样将是火星工厂、火星城市、火星农场的第一步。让我们拭目以待吧。

文/常飞编辑/王立莉审核/杨建 杨蕾

监制/索阿娣