太空采樣返回不簡(jiǎn)單

楊宇光

20l了年12月20日，美國(guó)國(guó)家航空航天局公布了新一輪

“新邊疆”計(jì)劃項(xiàng)目的初選結(jié)果。其中，彗星表面采樣和無(wú)人機(jī)登陸泰坦星的這兩個(gè)提案獲選。這一遴選結(jié)果使得深空探測(cè)中的采樣返回任務(wù)再次引起人們的關(guān)注。

大天體和小天體特點(diǎn)迥異

人類利用航天器對(duì)太陽(yáng)系的天體進(jìn)行科學(xué)考察，這包括遠(yuǎn)距離觀測(cè)、飛掠探測(cè)、軌道勘察、高速撞擊、軟著陸原位探測(cè)、巡視探測(cè)和采樣返回等方式。這些探測(cè)方式各有特點(diǎn)和難度，而采樣返回是其中技術(shù)挑戰(zhàn)較大的一種。

無(wú)論對(duì)何種天體進(jìn)行考察，抵達(dá)目的地是最基本的要求，這項(xiàng)要求的難度主要是由目標(biāo)天體的軌道和引力特點(diǎn)決定的。

因此，探測(cè)器抵達(dá)距離地球最近的月球從軌道特點(diǎn)來(lái)說(shuō)相對(duì)容易，但由于月球是一個(gè)很大的天體，其引力會(huì)給探測(cè)器帶來(lái)不小的麻煩。

從地球出發(fā)的探測(cè)器在到達(dá)月球附近后，需要減速超過(guò)800米/秒才能進(jìn)入環(huán)繞月球的軌道，而降落在月球表面則需要航天器具備將自己的速度改變到大約2500米/秒的能力，這意味著探測(cè)器超過(guò)一半的重量都要留給推進(jìn)劑。

與月球相比，類似小行星/彗星這樣的小天體采樣返回則有著完全不同的特點(diǎn)。

由于這些天體距離地球遙遠(yuǎn)，且與地球的相對(duì)位置處于經(jīng)常變化的狀態(tài)，因此能夠到達(dá)這些天體的軌道以及發(fā)射窗口機(jī)會(huì)都受到很大的限制，一旦錯(cuò)過(guò)可能要等數(shù)年。而從地球出發(fā)到達(dá)這些天體也至少要數(shù)月的時(shí)間，幾千萬(wàn)甚至上億公里的遙遠(yuǎn)距離會(huì)給工程實(shí)施帶來(lái)很多困難。

但是，由于這些天體的個(gè)頭、引力較小，因此到達(dá)這些天體時(shí)進(jìn)入環(huán)繞軌道以及在其表面著陸、起飛都不是很困難。探測(cè)器不需要做得很大就能實(shí)施這樣的任務(wù)，總體來(lái)說(shuō)工程規(guī)模比月球采樣返回要小。比較特殊的情況是人類未來(lái)的火星采樣返回任務(wù)。由于火星距離地球非常遙遠(yuǎn)，因此到達(dá)它的過(guò)程與前往小行星/彗星一樣困難。而火星的個(gè)頭和引力比月球更大，還有一個(gè)稀薄但又不可忽略的大氣層，所以在火星表面著陸非常困難，從火星表面起飛更是難上加難，無(wú)論對(duì)哪個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)，火星采樣返回都是難度超高的任務(wù)。

采樣返回的過(guò)去和未來(lái)

從探測(cè)的形式來(lái)說(shuō)，美國(guó)的“阿波羅”計(jì)劃可以歸為采樣返回任務(wù)，盡管“阿波羅”計(jì)劃的航天員也在月球表面布置了很多科學(xué)探測(cè)儀器進(jìn)行原位科考，并乘坐月球車進(jìn)行巡視探測(cè)，但任務(wù)的重中之重顯然是將月球表面的巖石和土壤帶回地球。以至于“阿波羅11號(hào)”的航天員阿姆斯特朗和奧爾德林在走下登月艙舷梯時(shí)第一件事就是取一勺月面的土壤放進(jìn)口袋，以免出現(xiàn)突發(fā)緊急狀況導(dǎo)致兩手空空地“回家”。

“阿波羅”計(jì)劃的7次登月嘗試中有6次取得成功，從月球表面帶回了382千克巖石和月壤，使得人類對(duì)月球的認(rèn)知取得了質(zhì)的飛躍，尤其是“阿波羅17號(hào)”，不但采集的樣本最多，達(dá)到110.52千克，而且登月航天員哈里森·施密特本人就是地質(zhì)學(xué)家，他在月球表面采集的橙色月壤曾引起了很大的轟動(dòng)。

蘇聯(lián)雖然在載人登月競(jìng)賽中敗下陣來(lái)，但在1970年9月-1976年8月之間，該國(guó)的“月球”16號(hào)、20號(hào)和24號(hào)先后3次成功在月面軟著陸，利用探測(cè)器一根長(zhǎng)臂上的鉆頭鉆進(jìn)月壤中取樣，然后把月壤放進(jìn)返回艙中，將土壤樣本送回地球。

雖然蘇聯(lián)當(dāng)年的計(jì)劃采用了較為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，整個(gè)飛行器著陸到月面并直接返回地球，從能量上來(lái)說(shuō)并不優(yōu)化，無(wú)法與“阿波羅”計(jì)劃相提并論，但畢竟從月面3個(gè)不同的地點(diǎn)取回了樣本，科學(xué)意義巨大。

未來(lái)，中國(guó)即將開(kāi)展的“嫦娥五號(hào)”任務(wù)將是1976年之后人類第一次嘗試從月球采集樣品。

該過(guò)程采用了類似“阿波羅”登月的系統(tǒng)架構(gòu)，由軌道器、著陸器、上升器和返回艙組成，同樣采用了“阿波羅”飛船先進(jìn)入繞月軌道，探測(cè)器下降采樣并上升返回到繞月軌道，然后實(shí)施月球軌道對(duì)接，轉(zhuǎn)移樣品后再返回地球的方案。

“嫦娥五號(hào)”任務(wù)雖然是無(wú)人采樣任務(wù)，其復(fù)雜的飛行過(guò)程卻可以為將來(lái)的載人登月奠定更好的技術(shù)基礎(chǔ)，并且可收集的樣本重量預(yù)計(jì)會(huì)大大超過(guò)蘇聯(lián)的月球系列任務(wù)。

在實(shí)施月球采樣返回之后，火星的采樣返回?zé)o疑將成為大天體采樣返回的下一個(gè)目標(biāo)，幾個(gè)航天大國(guó)都提出了相應(yīng)的計(jì)劃，其任務(wù)規(guī)模將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)月球采樣返回任務(wù)。日本也提出了從火衛(wèi)一“福波斯”上采樣返回的計(jì)劃。

五花八門的小天體采樣

2006年1月，美國(guó)的“星塵號(hào)”探測(cè)器攜帶著“維爾德2號(hào)”彗星的塵埃返回地球。這個(gè)探測(cè)器采用了飛掠式的軌道設(shè)計(jì)，在抵達(dá)目標(biāo)彗星時(shí)沒(méi)有減速，而是采用特殊的超低密度氣凝膠收集彗星的塵埃，通過(guò)這樣精巧的設(shè)計(jì)用很小的探測(cè)器就完成了人類首次彗星采樣返回任務(wù)。

與美國(guó)的“星塵號(hào)”不同，日本的“隼鳥(niǎo)號(hào)”降落到了“25143糸川”小行星上，雖然任務(wù)中遇到了很多困難，但總算成功地采集到了樣本并于2010年返回地球，這是人類第一次從小行星上獲取樣本。另外，日本的“隼鳥(niǎo)2號(hào)”將從另一顆小行星“1999JU3”上獲取樣本。

作為“新邊疆”計(jì)劃的一部分，美國(guó)的“奧西里斯-雷克斯”小行星采樣返回探測(cè)器于2016年9月發(fā)射，其任務(wù)復(fù)雜程度遠(yuǎn)大于日本的“隼鳥(niǎo)號(hào)”。它需要在5000米的距離上對(duì)采樣目標(biāo)天體“貝努”小行星進(jìn)行詳細(xì)的觀測(cè)和成像，最后利用機(jī)械臂從小行星上提取樣本。

此外，還有一次比較特殊的采樣任務(wù)是美國(guó)于2001年發(fā)射的“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”探測(cè)器，它采集的是太陽(yáng)風(fēng)的微粒，盡管探測(cè)器在2004年返回地球時(shí)摔壞，但總算把樣本帶回來(lái)一部分。

所有這些采樣任務(wù)，增強(qiáng)了人類對(duì)太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)，對(duì)于我們準(zhǔn)確了解太陽(yáng)系形成的歷史非常有意義，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)還會(huì)有更多的類似任務(wù)。