文/克莉斯汀

【新闻链接】嫦娥“五姑娘”探月之旅

11月24日4时30分，探月工程嫦娥五号探测器发射成功，开启我国首次“地外天体采样返回”之旅。

根据计划，嫦娥五号将在月球最大的月海风暴洋北缘的吕姆克山附近登陆，并钻取约2米深的月壤岩芯柱，共采取2千克重的月球土壤样品，然后带回地球供科学家研究。

地外星球上的采样返回技术，已成为空间探测的一大热门。

科学家们认为，通过分析这些从外太空带回来的最原始的宇宙尘埃和砾石，可以更准确地了解太阳系早期形成情况，能了解更多关于星球与生命之间发生关系的缘由。

从前苏联的“月球16号”在1970年从月球丰饶海区域取回一块101克的样本，到近日中国“嫦娥五号”发射成功、直奔月球取样而去，已过去了整整50年。

“嫦娥五号”的成功发射之所以引来如此广泛关注，正如美国哈佛-史密森天体物理学中心的天文学家麦克道尔所说，从太空采集样品能力的价值越来越大。

中国正在籍此证明自己的航天技术已实现了巨大飞跃。

A、为什么要千辛万苦去采样？

在种种有关星球探索的影视作品中，我们或许可以看出，人类探索外太空的目的除了对未知的渴求，还有对外太空资源开发利用的渴求。如今我们的探索已从初期的“离开地球”，进展到了登陆外星球并展开具体研究。

目前探测地外星球具体的做法通常是指：一，环绕探测；二，着陆和巡视探测；三，采样返回探测。而采样返回探测可以做到最精准的精细研究，一直是科研工作者努力的方向。

从地外星球带回地球的样品已有不少，前苏联的“月球16号”、美国的“冥王号”、日本的“隼鸟2号”等航天探测器已陆续从月球、贝努小行星等外星球上采集到尘埃、颗粒、土壤和岩石等不同的物质，有些已在地球上的实验室中进行着精细分析研究。

采样返回探测究竟能帮我们解决什么样的问题呢？有科研人员曾表示，在小行星上进行采样返回探测活动的意义如同是“太阳系考古”——我们要了解太阳系的过去。

目前我们通常认为，诸如月球、贝努小行星等这些大大小小星球的形成，都来自于太阳系形成之后太空中各种尘埃物质的碰撞、凝聚。这个过程中，很多放射性元素会释放大量热量，从而导致演化、熔融，慢慢将太阳系初期的历史痕迹湮没。

科学家们认为，那些能量越小、热量越少的小行星，可能保持着更原始的形成状态，也保存着更多关于太阳系形成之初的信息。所以探索这些小行星便成为“太阳系考古”的主要目标。

而科学家们早就在穿越大气层来到地球表面的那些陨石中，发现各种地球上没有或者稀缺的微量元素，这也说明，那些小行星上可能有着地球上无法获取的更多资源，这更让人类对探索小行星充满期待。

B、人类已获取哪些外太空采样？

在月球采样返回探测方面，前苏联可以说是“开路先锋”。1970年9月至1976年8月，苏联先后发射“月球16号”、“月球20号”和“月球24号”，完成了三次月球采样返回任务，总共带回326克月球地质样品。

美国“阿波罗号”也对月球进行了载人采样返回活动，并在月球表面留下第一个人类的脚印，举世轰动。

除了月球，人类的采样返回活动还拓展到更多小行星。

2003年5月，日本发射了“隼鸟号”探测器，后来从“糸川”小行星上采集到约100毫克尘埃，于2010年6月返回地球；2014年12月，日本又发射“隼鸟2号”探测器，后在“龙宫”小行星着陆并采集表面样本，还发现了水合矿物质。

同年4月，“隼鸟2号”向“龙宫”发射了一枚金属弹，收集了一些被弹射激起的物质。目前，“隼鸟2号”仍在返回途中，计划于今年底将重16千克的小行星采样送返地球。

美国国家航空航天局（NASA）今年也发射了他们的首颗小行星采样航天器OSIRIS-REx（即“冥王号”），在今年10月20日成功降落在一颗名为“贝努”的小行星表面，完成了采集星球表面样本的任务，目前据说已采集到足够的样本准备返回地球，计划在2023年9月将采样返回舱送回地球。

在此之前，美国还在1999年至2006年年间通过“星尘号”探测器采集到了“怀尔德2号”彗星的尘埃微粒并送返地球；2001年至2004年年间还通过“起源号”探测器采集到了10-20微克太阳风粒子。

C、采样技术在逐步升级

在地外星球上采样，科学家们要面对并克服的问题很多。

比如如何顺利着陆。无论是月球还是其他一些小行星，都有地心引力变小的问题，尤其是一些小行星，由于质量、密度、体积太小，几乎没有引力作用。探测器要实现对小行星的伴飞、环绕以及着陆，完全要靠自身的动力，这对探测器的姿态调整及控制精度都提出了更高要求。

着陆后，如何有效地采集到足够的样本并保存，也是难点之一。

前苏联的“月球16号”在月球表面软着陆后，是用自动钻孔机采集了月球样品，然后把样品封装于返回舱内，接着从月球表面重新起飞，最终返回地球。

日本“隼鸟号”最初是通过着陆产生的撞击，吸入飞溅起来的碎石完成采样的。后来的“隼鸟2号”则对3亿公里外的“龙宫”小行星采用了“接触即离”的撞击式探测，上演了一场“爆破”的大戏。通过当时公布的精彩照片，能看到现场碎石四溅，场面惊人。

探测器是将一个近一米长的喇叭状采样器靠近“龙宫”表面，然后发射质量约3.5克的高压氮气弹子，通过“弹子弹射”装置，以300米/秒的速度撞击小行星表面，从“龙宫”表面弹射起飞溅的碎片和粒子后，喇叭状采样器迅速收集这些物质同时迅速上升，借力离开“龙宫”表面。

美国的“冥王号”采样器也是采用喷射纯氮气体的技术采集样本，但似乎没有那么“粗暴”。当采样器接触到小行星地表时，会喷射出纯氮气体，把贝努小行星表面的部分表土层物质吹入样品返回舱，然后封存。据说冥王号携带了三罐氮气，能满足三次采样尝试。

“嫦娥五号”的采样方式则与其他探测器都不相同。它当属全球首次“月面无人自主采样”，会采取钻取和表取两种方式，共同完成采样任务。

探测器带有一个采样机械臂，机械臂末端又带了两种采样器，一种实现铲挖， 一种实现浅钻。机械臂的高自由活动能力，可以在整个着陆器的可达范围内进行采样。在表取工作进行之前，机械臂会先进行钻取，两种方式互为备份。这不仅可以提高采样的成功率和可靠性，同时也能够获得更为丰富的样品种类。

这个机械臂最大的特点就是能钻入月球表面以下两米，它所获取的月壤岩芯柱，甚至可以不破坏月壤的层区分布。这就比前面提到的“撞击式探测”更加合理与完善，可以保证获取更为可靠的原始资料信息。

D、中国挑战“更复杂”，意义重大

上世纪70年代，时任美国国家安全顾问的布热津斯基访华，曾向中国赠送了一克月球土壤，这块样本被分成两半，一半收藏于北京天文馆，另一半送到中科院地质地球所进行月球探测工程的研究。当时，科学家们花了四个月时间对这块用放大镜才能看得到的样本进行大量研究工作，搞清楚了它的化学成分、矿物组成、历史演化等问题。如今，“嫦娥五号”将带回我们中国人自己采集的月壤样本，实在值得欢欣鼓舞。

这次中国科学家们采用了更为复杂、更为困难的方式来完成无人自动采样，其实也是在勇敢地挑战高难度，展示中国航天技术的新高度——“嫦娥五号”至少创下我国航天事业的四项“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。（详见《羊城晚报》11月24日A4版《嫦娥“五姑娘”有啥不一样？》）

有外媒报道称，美国海军军事学院的太空专家琼·约翰逊-弗里兹认为，“嫦娥五号”的技术复杂性，使它“从许多方面来说都非同寻常”。她说：“中国正在证明自己有能力发展并成功实施持续的高科技项目，这对地区影响力和潜在的全球伙伴关系都很重要。”

而哈佛-史密森天体物理学中心的天文学家麦克道尔则说，这可能为从火星带回样品甚至完成载人登月任务铺平道路，其他计划从小行星甚至火星上提取样品的国家应该可以借鉴中国的经验。(更多新闻资讯，请关注羊城派 pai.ycwb.com)

来源 | 羊城晚报·羊城派
责编 | 易芝娜