常飛

最近，據(jù)國外媒體報(bào)道，美國“毅力號(hào)”火星車鉆探樣品沒有成功。那人類為什么要到外星上采樣？采樣方法有哪些呢？讓我們來了解一下吧！

為什么要到外星上采樣

采樣返回是指從地球以外的某個(gè)地點(diǎn)獲得樣本，送回地球進(jìn)行分析。樣品范圍很寬，可能只有原子和分子，也可以是松散的行星物質(zhì)，比如土壤、巖石之類的沉積物。

地外天體采樣返回是人類零距離了解宇宙的重要手段。無人探測(cè)器上無法攜帶完善的實(shí)驗(yàn)分析設(shè)備，人不在場(chǎng)，也無法對(duì)樣品進(jìn)行機(jī)智靈活的分析。所以，能夠采樣返回，當(dāng)然是再好不過了。如果今后要從事月球、火星和小行星資源開發(fā)乃至移民，采樣返回工作將是一個(gè)不可或缺的階段。

到目前為止，人類研究太陽系的日常手段還是望遠(yuǎn)鏡，那些行星、小行星和彗星探測(cè)器，不但數(shù)量太少，而且所能攜帶的儀器數(shù)量太少。特別是很多大型科學(xué)儀器，目前還沒有辦法裝上探測(cè)器發(fā)射到宇宙中。如果把樣品拿回地球，就可以隨時(shí)用新的實(shí)驗(yàn)分析方法處理，也可以用來判斷和比對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀察的結(jié)果。

生命起源一直是科學(xué)界的研究重點(diǎn)。在彗星、小行星、火星或氣態(tài)巨行星衛(wèi)星上，是不是存在生命的組成部分，望遠(yuǎn)鏡是很難判定的。探測(cè)器著陸或許能解答這個(gè)問題的一部分，但是要想得到完整答案，還是需要把樣品帶回地球才可以。

到目前為止，人類一共發(fā)明過3種采樣返回方式，分別是直接挖、槍炮轟和迎風(fēng)撈。

如果用另一種方式來分析，采樣返回可以分兩種：人采和機(jī)采。人采案例迄今為止只有美國的阿波羅計(jì)劃月球采樣。其他的采樣活動(dòng)都是用機(jī)器人實(shí)施的，采樣對(duì)象包括月球、小行星和彗星。對(duì)于火星，目前人類還只做到了采樣，沒能實(shí)現(xiàn)返回。

直接抓：效果棒棒噠

用人類的手直接抓是效果最好的采樣手段。當(dāng)然，這就先要解決怎么把人類送上天體，再送回地球的問題，難度是盡人皆知的。

迄今為止，唯一實(shí)現(xiàn)了人手直接抓的采樣就是阿波羅計(jì)劃。其中，“阿波羅17號(hào)”取回110.4千克，這也是迄今為止地外天體采樣的最高紀(jì)錄。

要是解決不了送人類上天體的技術(shù)，那當(dāng)然就要靠機(jī)械了。然而事實(shí)證明，機(jī)械的難度比載人沒有差太多，而且采樣的數(shù)量也比較少。

第一次實(shí)現(xiàn)機(jī)器人采樣返回成功的，是蘇聯(lián)的“月球16號(hào)”，但在此前的8次月球采樣返回任務(wù)全部失敗?！霸虑?6號(hào)”采樣返回樣品101克，恐怕還沒有航天員撿到的石頭重量大。

此后，蘇聯(lián)“月球20號(hào)”帶回樣品55克，“月球24號(hào)”帶回樣品170克。蘇聯(lián)時(shí)代的月球采樣返回活動(dòng)到此為止。目前，俄羅斯正在籌備“月球25號(hào)”采樣返回任務(wù)，因?yàn)榧夹g(shù)復(fù)雜、事關(guān)重大，已經(jīng)推遲了好幾次。

世界上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人采樣成功的國家，就是中國了?！版隙鹞逄?hào)”不但成功取回了月球巖土樣本，還創(chuàng)造了機(jī)器人采樣的樣品重量記錄——接近2千克。

美國奧巴馬政府期間，一度考慮對(duì)小行星進(jìn)行采樣，也就是著名的小行星重新定向計(jì)劃。當(dāng)時(shí)考慮抓一顆小行星進(jìn)入環(huán)月飛行的軌道，然后派航天員前去采樣。隨著奧巴馬政府的卸任，這個(gè)項(xiàng)目也就不了了之。

目前，還有一個(gè)機(jī)器人采樣項(xiàng)目正在執(zhí)行當(dāng)中——美國“奧西里斯-雷克斯”探測(cè)器對(duì)貝努小行星實(shí)施的采樣。采樣工作已經(jīng)在2020年10月完成。據(jù)悉，因?yàn)樨惻牡刭|(zhì)比想象中更疏松，采樣數(shù)量超過了預(yù)期。按照飛行計(jì)劃，“奧西里斯-雷克斯”將在2023年返回地球。

槍炮轟：硬碰硬的方法

槍炮轟的辦法只有日本用過，也就是“隼鳥號(hào)”和“隼鳥2號(hào)”的兩次探測(cè)任務(wù)，第一次用的是“槍”，第二次用的是“炮”。

采用這樣的采樣手段，是因?yàn)槿毡居钪婧娇諜C(jī)構(gòu)選擇的采樣對(duì)象都是質(zhì)地堅(jiān)硬的小行星。如果是在月球或者火星上，就可以讓探測(cè)器著陸并站穩(wěn)之后，用鉆頭取樣。然而小行星的引力很弱，探測(cè)器根本站立不穩(wěn)，不能對(duì)表面形成壓力，也就無從鉆探。所以日本采取的方法是發(fā)射高速彈丸，把小行星表面打碎，然后探測(cè)器立刻下降，收集濺起來的碎石子和塵土。

“隼鳥號(hào)”轟擊“絲川”小行星并采樣返回后，人們目測(cè)返回艙里什么都沒有，一度以為采樣失敗了。但是經(jīng)過顯微鏡檢查，發(fā)現(xiàn)艙壁上有1500顆塵埃，作為一次飛行長達(dá)20億千米的任務(wù)，這已經(jīng)算是很大的成功了。

“隼鳥2號(hào)”比“隼鳥號(hào)”更進(jìn)了一步。它攜帶了一枚爆炸成型彈丸前往“龍宮”小行星。這種彈丸一般用在反坦克導(dǎo)彈上。它引爆后，爆轟波把藥型罩?jǐn)D壓成一枚形如穿甲彈芯的飛行體，直接轟碎了“龍宮”的表面。之后，該探測(cè)器的下降采樣過程比較順利。返回艙在2020年12月降落在澳大利亞，拆箱后得到了5.4克樣品，也算是一次成功的采樣返回任務(wù)。

迎風(fēng)撈：能撈多少算多少

迎風(fēng)撈的方式一般用來采集太陽風(fēng)、彗星尾部之類的稀疏天體樣品。其中比較著名的就是美國宇航局的“星塵號(hào)”，它的探測(cè)對(duì)象是“懷爾德2號(hào)”彗星。

人們雖然可以從望遠(yuǎn)鏡看到彗尾，但它比大氣稀疏得多，要想從中獲得足夠樣本，難度相當(dāng)大。特別是彗星和探測(cè)器的相對(duì)速度很高，如果讓彗尾粒子硬撞在采樣器上，可能會(huì)導(dǎo)致粒子被破壞而失去科學(xué)價(jià)值。

所以，“星塵號(hào)”采用了特殊的低密度氣凝膠收集器陣列，密度只有玻璃的1/1000。即使這么小心翼翼，“星塵號(hào)”也不過收集到了7顆粒子，珍貴程度可想而知。

目前，地外采樣返回的焦點(diǎn)還是火星。除了“毅力號(hào)”，俄羅斯、中國都規(guī)劃了火星采樣任務(wù)。雖然路途遙遠(yuǎn)，但火星采樣將是火星工廠、火星城市、火星農(nóng)場(chǎng)的第一步。讓我們拭目以待吧！