12月2日22時(shí)，經(jīng)過約19小時(shí)月面工作，探月工程嫦娥五號(hào)探測(cè)器順利完成月球表面自動(dòng)采樣，并已按預(yù)定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。最終，嫦娥五號(hào)將會(huì)把大約2公斤月球樣品帶回到地球，供科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。
日本和美國(guó)也在今年相繼開展了小行星采樣返回活動(dòng)，其中日本隼鳥2號(hào)在2019年完成了對(duì)龍宮小行星采樣返回任務(wù)后，計(jì)劃于近期返回地球；美國(guó)的首個(gè)小行星采樣返回探測(cè)器“奧西里斯-雷克斯”，在2020年10月對(duì)貝努小行星進(jìn)行了采樣，計(jì)劃于2023年返回地球。
地外星球采樣返回活動(dòng)可謂大戲紛呈！
目前全球究竟開展了哪些地外星球采樣返回活動(dòng)？接下來(lái)讓我們一一盤點(diǎn)。
一、精彩紛呈的地外星球采樣返回活動(dòng)
地外星球采樣返回活動(dòng)就是用具有采樣返回功能的空間探測(cè)器在地外星球著陸并采集樣品，然后把采集到的樣品帶回地球，在實(shí)驗(yàn)室由科學(xué)家用多種設(shè)備進(jìn)行深入研究。
目前已經(jīng)有形形色色的地外星球采樣返回方式。這是因?yàn)?，各種地外星球差異很大，所以需要采用不同的采樣返回方式，另外也跟不同國(guó)家的技術(shù)水平和不同年代的發(fā)展水平各異有關(guān)。
目前，全球已對(duì)月球、小行星、彗星甚至太陽(yáng)進(jìn)行了無(wú)人采樣返回探測(cè)，還利用“阿波羅”載人飛船對(duì)月球進(jìn)行了有人采樣返回探測(cè)。
蘇聯(lián)通過先后發(fā)射月球16號(hào)、20號(hào)和24號(hào)月球探測(cè)器，對(duì)月球進(jìn)行了無(wú)人月球采樣返回；美國(guó)通過先后發(fā)射阿波羅11號(hào)、12號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)載人飛船，對(duì)月球進(jìn)行了有人月球采樣返回；中國(guó)通過發(fā)射嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器，正在對(duì)月球進(jìn)行無(wú)人月球采樣返回。
日本通過先后發(fā)射“隼鳥”、隼鳥2號(hào)小行星探測(cè)器，分別對(duì)兩顆小行星進(jìn)行了無(wú)人小行星采樣返回；美國(guó)通過發(fā)射“奧西里斯-雷克斯”小行星探測(cè)器，正在對(duì)1顆小行星進(jìn)行無(wú)人小行星采樣返回。
美國(guó)通過發(fā)射星塵號(hào)彗星探測(cè)器，對(duì)1顆彗星進(jìn)行了無(wú)人彗星采樣返回。
美國(guó)通過發(fā)射起源號(hào)太陽(yáng)探測(cè)器，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行了無(wú)人太陽(yáng)采樣返回。
二、月球采樣返回活動(dòng)最熱鬧
由于月球是距離地球最近的一顆地外星球，所以全球?qū)λM(jìn)行采樣返回的國(guó)家最多、次數(shù)最多、樣品最多、種類最多。
月球采樣返回可分為無(wú)人月球采樣返回和有人月球采樣返回兩種方式。蘇聯(lián)和中國(guó)采用的是前一種，美國(guó)采用的是后一種。
（一）蘇聯(lián)VS中國(guó)：無(wú)人月球采樣返回
01、蘇聯(lián)的月球采樣三劍客
在無(wú)人月球采樣返回探測(cè)方面，蘇聯(lián)可以說(shuō)是開路先鋒。1970年9月-1976年8月，蘇聯(lián)先后發(fā)射月球16號(hào)、20號(hào)和24號(hào)，進(jìn)行了3次月球采樣返回任務(wù)，共帶回330克月球樣品。
1970年9月12日，蘇聯(lián)發(fā)射了世界第一個(gè)無(wú)人月球采樣返回探測(cè)器——月球16號(hào)。它于1970年9月24日在蘇聯(lián)境內(nèi)著陸，從月球豐饒海取回了一塊101克的小樣本。
1972年2月14日發(fā)射的月球20號(hào)與月球16號(hào)基本相同，但由于遇上了玄武巖，它只從阿波羅尼厄斯高地月球采集到了55克月球樣品。
月球24號(hào)于1976年8月18日在月球危海東南部軟著陸。其結(jié)構(gòu)與月球16號(hào)、20號(hào)一樣，但它從2米深處挖取了月球巖，并且從月球危海獲得了170克的樣品。
02、中國(guó)嫦娥五號(hào)后來(lái)居上
2020年11月24日，我國(guó)發(fā)射了嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器，它將在升空23天后把大約2公斤月球樣品返回到地球，從而使我國(guó)成為世界上第三個(gè)在月球采樣返回地球的國(guó)家。
嫦娥五號(hào)由上升器、著陸器、軌道器、返回器“串”在一起。從發(fā)射到返回總共要經(jīng)歷發(fā)射入軌、地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行、著陸下降、月面工作、月面上升、交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移、再入回收共11個(gè)重大飛行階段，其中包括6次重大分離控制，設(shè)計(jì)相當(dāng)精妙復(fù)雜。
整個(gè)過程大致如下：
首先，嫦娥五號(hào)先由長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)送到地月轉(zhuǎn)移軌道。112個(gè)小時(shí)后先后通過2次近月制動(dòng)，嫦娥五號(hào)于11月29日最終進(jìn)入高度200千米的環(huán)月圓軌道。環(huán)月期間，探測(cè)器于11月30日04:40一分為二，即軌道器-返回器（簡(jiǎn)稱軌返）組合體與采用一體化復(fù)用設(shè)計(jì)的著陸器-上升器（簡(jiǎn)稱著上）組合體分離，其中軌返組合體繼續(xù)環(huán)月飛行，而著上組合體經(jīng)變軌和動(dòng)力下降飛行，于2020年12月1日23:11著陸在月球正面西經(jīng)51.8度、北緯43.1度附近的預(yù)選著陸區(qū)。
著陸后，著陸上升組合體用2天時(shí)間完成月面樣品采集、封裝，然后攜帶采集樣品的上升器從著陸器起飛，進(jìn)入月球軌道。經(jīng)過幾天的交會(huì)，上升器與軌返組合體在200公里高月球軌道完成對(duì)接，并將月球樣品從上升器轉(zhuǎn)移至返回器內(nèi)，此后軌返組合體與上升器分離。經(jīng)過幾天的環(huán)月等待飛行后，軌返組合體進(jìn)入112小時(shí)的月地轉(zhuǎn)移軌道。在距地面高度約5000千米的分離點(diǎn)時(shí)，返回器與軌道器分離。返回器于12月17日左右以半彈道跳躍式再入大氣層，完成再入回收。
在月面上采集樣品時(shí)，著陸器上的采樣裝置要在1/6地球重力環(huán)境下工作。采樣裝置是兩種機(jī)械手：一種用于鉆取，它可以鉆取月面下2米深度的月巖樣本；另一種用于表取，即在月球表面鏟取月壤。
采樣后，要將樣品放入上升器攜帶的容器里進(jìn)行無(wú)污嚴(yán)密封裝。由于月球環(huán)境特殊，又是無(wú)人采樣，所以可能會(huì)遇到很多未知的問題。采集的月球樣品封裝到上升器后，上升器要從著陸器上起飛。這將是我國(guó)空間飛行器第一次在地外天體起飛，難度很大。攜帶月球樣品的上升器起飛后，要在月球軌道與軌返組合體進(jìn)行無(wú)人交會(huì)對(duì)接，并把采集的樣品轉(zhuǎn)移到返回器中，這在世界上也是第一次。最后，攜帶月球樣品的返回器將以11公里/秒的速度再入地球大氣層，落到預(yù)定區(qū)域。
上述整個(gè)過程環(huán)環(huán)相扣，才能確保嫦娥五號(hào)能安全順利地降落在內(nèi)蒙古四子王旗著陸場(chǎng)。一切順利，嫦娥五號(hào)將實(shí)現(xiàn)我國(guó)開展航天活動(dòng)以來(lái)四個(gè)“首次”：首次在月面自動(dòng)采樣；首次從月面起飛；首次在38萬(wàn)千米外的月球軌道上進(jìn)行無(wú)人交會(huì)對(duì)接；首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。
值得關(guān)注的是，蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代進(jìn)行的3次無(wú)人月球采樣返回，總共只帶回330克月球樣品。這是由于蘇聯(lián)當(dāng)時(shí)沒有掌握月球軌道無(wú)人交會(huì)對(duì)接技術(shù)，所以采用上升器從月面起飛直接返回地球的方案，為此上升器需要攜帶大量燃料，而攜帶樣品的能力就極為有限了。而嫦娥五號(hào)這次采用具有世界領(lǐng)先水平的月球軌道無(wú)人對(duì)接方案轉(zhuǎn)移月壤，上升器只需少量燃料，因此采樣的月球樣品重量呈幾何級(jí)提高，至少為2000克。
另外，嫦娥五號(hào)此次的任務(wù)不光是帶回2000克月球樣品返回地球，而且還要為載人登月和深空探測(cè)奠定一定的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。
（二）美國(guó)：有人月球采樣返回
在冷戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)用“阿波羅”載人登月飛船完成了迄今為止世界首批對(duì)地外星球的有人采樣返回活動(dòng)。1969年7月-1972年12月，美國(guó)通過發(fā)射阿波羅11號(hào)～17號(hào)載人飛船實(shí)施了7次載人登月任務(wù)，除了阿波羅13號(hào)因發(fā)生故障中途返回，其余6艘飛船完成登月，成功將12名航天員送上月球，共帶回月巖樣品380千克，為月球研究提供了直接的依據(jù)。
阿波羅11號(hào)著陸在月球赤道附近的寧?kù)o之海，這個(gè)地方是一個(gè)相對(duì)平坦的區(qū)域，只有很少的巖石和隕石坑。兩名航天員在月球表面共待了2小時(shí)32分鐘，行程1千米，帶回了21.55千克的月球野外地質(zhì)樣本。
阿波羅12號(hào)在月球赤道平原風(fēng)暴海著陸，剛好在1967年4月20日著陸的勘測(cè)者3號(hào)探測(cè)器附近。這次任務(wù)證明了阿波羅12號(hào)的著陸精度。航天員檢查了勘測(cè)者3號(hào)，帶回了34千克的月球樣本進(jìn)行分析。
阿波羅14號(hào)著陸地點(diǎn)也在赤道上，距離阿波羅12號(hào)著陸的地方右側(cè)僅177公里，位于哥白尼隕石坑的正下方，帶回了42千克月球土壤和巖石。
阿波羅15號(hào)著陸在月球北半球中部阿基米德隕石坑?xùn)|南的亞平寧山脈腳下，是第一個(gè)沒有在赤道著陸的任務(wù)，從該地點(diǎn)和附近的Hadley Rille火山采集帶回了370個(gè)樣本，重達(dá)77千克。
阿波羅16號(hào)第一次在赤道以南的月球中部高地西奧菲勒斯隕石坑附近著陸，該隕石坑位于西奧菲勒斯隕石坑和托勒密隕石坑之間，目的是研究未開發(fā)的地形丘陵笛卡爾形成和平坦的凱萊平原。他們帶回了731個(gè)重達(dá)96千克的巖石和土壤樣品。這些樣本顯示，這兩個(gè)地區(qū)并非如預(yù)期的那樣是火山，而是由撞擊事件的碎片組成。
阿波羅17號(hào)在月球北半球的陶勒斯-利特羅山谷著陸，該地既可以從谷底采集較為年輕的巖石樣本，也能從月球高地采集較老的巖石樣本。他們帶回了741個(gè)樣本，重達(dá)111千克，其中包括一個(gè)深鉆到水下3米的巖芯。
（三）哪種月球采樣返回方式更好？
有人月球采樣返回優(yōu)點(diǎn)很多。例如，它不僅采集量大，能充分發(fā)揮航天員的主觀能動(dòng)性，從而選擇性強(qiáng)，靈活機(jī)動(dòng)，而且采集范圍可以很廣，因?yàn)楹教靻T可以到艙外活動(dòng)，并能乘月球車漫游到比較遠(yuǎn)的地方去采集月球樣品。例如美國(guó)12名登月航天員在月面活動(dòng)的足跡達(dá)100千米。
但載人登月技術(shù)極為復(fù)雜，耗資十分巨大。計(jì)算數(shù)據(jù)表明，“阿波羅”飛船從月球帶回共 385千克月球樣品，按單位重量計(jì)算，其價(jià)格是金剛石的35倍！
而無(wú)人月球采樣返回的優(yōu)缺點(diǎn)與之正好相反，即成本低很多，技術(shù)也沒那么復(fù)雜，更容易實(shí)現(xiàn)一些，具有重要的科學(xué)和技術(shù)意義。
由此可知，有人月球采樣返回和無(wú)人月球采樣返回各有千秋，因此要根據(jù)各自的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科學(xué)等實(shí)力以及國(guó)際環(huán)境來(lái)決定采用哪種方式。筆者認(rèn)為：最佳的途徑是采用循序漸進(jìn)的方式，先進(jìn)行無(wú)人月球采樣返回，為有人月球采樣返回奠定技術(shù)和科學(xué)基礎(chǔ)，然后再進(jìn)行有人月球采樣返回。
三、小行星采樣返回活動(dòng)同樣備受青睞
近年來(lái)，因多種原因，小行星探測(cè)日益受到重視，其中日本和美國(guó)還分別開展了小行星采樣返回活動(dòng)。
（一）日本的兩只“隼鳥”
01、“隼鳥”：首次采集小行星樣品
因?yàn)樾⌒行切螤畈灰?guī)則，平均直徑只有千米量級(jí)，地貌復(fù)雜，引力約比地球小4～5個(gè)數(shù)量級(jí)，表面溫差大。所以，進(jìn)行小行星采樣返回與月球采樣返回技術(shù)有所不同。
2003年5月9日，日本發(fā)射了世界上第一個(gè)小行星采樣返回探測(cè)器“隼鳥”。它于2005年9月中旬飛抵離糸川小行星20千米高的軌道，觀測(cè)了糸川小行星表面情況，收集了其成分和地形數(shù)據(jù)。為使“隼鳥”能夠在預(yù)先選定的著陸點(diǎn)著陸，2005年11月，“隼鳥”實(shí)現(xiàn)了在糸川小行星上的著陸采樣，通過著陸產(chǎn)生的撞擊，吸入飛濺起來(lái)的碎石。
由于出現(xiàn)了一系列故障，“隼鳥”于2010年6月13日才返回地球，但它使日本成為世界上首個(gè)在月球之外的原始小天體上著陸、取樣并攜帶樣品返回地面的國(guó)家。目前已確認(rèn)探測(cè)器在糸川小行星表面采集的樣品為1500粒。通過對(duì)“隼鳥”采集的樣品進(jìn)行分析和研究發(fā)現(xiàn)，糸川小行星已有800萬(wàn)年的歷史。
02、隼鳥2號(hào)：新穎的撞擊式探測(cè)
2014年12月4日，日本發(fā)射了更先進(jìn)的隼鳥2號(hào)小行星采樣返回探測(cè)器。它于2018年6月進(jìn)入龍宮小行星軌道后，先對(duì)該小行星進(jìn)行了近距離詳細(xì)觀測(cè)，接著，向小行星表面投放跳躍式巡視器和小型著陸器，然后對(duì)小行表面進(jìn)行采樣。
2019年2月，隼鳥2號(hào)首次在龍宮小行星表面采用“接觸即離”方式著陸，在安全地飛離龍宮小行星時(shí)，進(jìn)行了彈子彈射取樣。其彈子質(zhì)量為3.5克，通過彈子彈射裝置以300米/秒的速度撞擊小行星表面，采樣裝置采集到了不少于3克從龍宮表面彈射起的飛濺碎片和粒子，發(fā)現(xiàn)了水合礦物質(zhì)。
2019年4月，隼鳥2號(hào)對(duì)另一個(gè)著陸點(diǎn)發(fā)射撞擊裝置（也可稱金屬?gòu)棧Ｗ矒粞b置是內(nèi)部裝滿約9.5千克炸藥的半球型圓錐結(jié)構(gòu)體，引爆后生成堅(jiān)硬、帶尖頭的銅金屬塊，以2千米/秒的速度撞擊龍宮小行星表面，并形成直徑約為10米的小行星坑。同年5月，隼鳥2號(hào)對(duì)該小行星坑以“接觸即離”方式完成著陸，采集了多于10克的小行星內(nèi)部樣品。2019年7月，“隼鳥2號(hào)”又以上述撞擊方式完成了另一次采樣任務(wù)。
完成任務(wù)后，隼鳥2號(hào)于2019年11月飛離龍宮小行星，它將于近期返回地球。
（二）美國(guó)的采集量最大
2016年9月9日，美國(guó)首個(gè)小行星采樣返回探測(cè)器——“奧西里斯-雷克斯”升空，目標(biāo)是對(duì)貝努小行星進(jìn)行采樣返回探測(cè)，研究太陽(yáng)系的形成和演化、行星形成的初始階段以及形成生命的有機(jī)復(fù)合物的起源。
“奧西里斯-雷克斯”由探測(cè)器平臺(tái)、5臺(tái)科學(xué)設(shè)備、1個(gè)采樣機(jī)械臂以及1個(gè)用于將樣品送回地球的樣品返回艙組成。它于2018年8月抵達(dá)貝努小行星，并在環(huán)繞貝努小行星的軌道上對(duì)其進(jìn)行全球表面成像觀測(cè)，展開了為期兩年的科學(xué)研究。2020年10月20日，該探測(cè)器使用采樣機(jī)械臂末端的采樣器，采集了60克～2千克的貝努小行星表面風(fēng)化層樣品。
“奧西里斯-雷克斯”將于2021年3月開始返回地球的旅程，計(jì)劃在2023年9月將采樣返回艙送回地球。在進(jìn)入地球大氣前4小時(shí)，探測(cè)器將釋放采樣返回艙。隨后探測(cè)器將進(jìn)行碰撞規(guī)避機(jī)動(dòng)，并不進(jìn)入地球大氣，而是在繞太陽(yáng)軌道上運(yùn)行。采樣返回艙將以12.2千米/秒的速度進(jìn)入地球大氣，并通過降落傘系統(tǒng)進(jìn)行減速，最后在猶他州測(cè)試與訓(xùn)練靶場(chǎng)軟著陸。
四、彗星采樣返回活動(dòng)有新招
1999年2月7日，美國(guó)發(fā)射了星塵號(hào)彗星探測(cè)器，任務(wù)是在2004年1月飛到懷爾德2號(hào)彗星，在穿過彗尾的過程中采集塵埃及氣體樣本，并送回地球。
“星塵號(hào)”的大小像電話亭一樣，重385千克，攜帶了返回艙、彗星與星際塵埃分析儀、塵埃撞擊監(jiān)測(cè)儀和太陽(yáng)能電池板及其保護(hù)裝置。其中46千克重的返回艙內(nèi)裝有“氣凝膠塵埃收集器”、高分辨率相機(jī)和其他科學(xué)儀器。
2004年1月2日，“星塵號(hào)”與懷爾德2號(hào)彗星交會(huì)，當(dāng)時(shí)它距離彗核約240千米。在這么近的距離，“星塵號(hào)”遭到數(shù)百萬(wàn)彗星微粒的撞擊。在此期間，“星塵號(hào)”伸出類似網(wǎng)球拍的“氣凝膠塵埃收集器”來(lái)收集彗星的塵埃微粒，然后折疊收入返回艙，貯存于容器中。
全球獨(dú)一無(wú)二的“氣凝膠塵埃收集器”是由一位65歲的美籍華人科學(xué)家鄒哲設(shè)計(jì)的，當(dāng)粒子撞上氣凝膠時(shí)，會(huì)立即把自己“埋”在里面，返回地面后再尋找這些彗星的塵埃微粒。
2006年1月15日，裝有彗星物質(zhì)的羽毛球狀返回艙通過降落傘著陸于美國(guó)猶他州鹽湖城東南160千米的沙漠上。
雖說(shuō)“星塵號(hào)”所采集的彗星樣本質(zhì)量還不到1/1000盎司（1盎司相當(dāng)于28.35克），但這是人類第一次用航天器對(duì)彗星進(jìn)行取樣研究。1毫克彗星塵埃大概有100萬(wàn)個(gè)彗星粒子，所以科學(xué)家很滿意。
五、太陽(yáng)采樣返回活動(dòng)尚不完美
2001年8月8日，美國(guó)起源號(hào)太陽(yáng)探測(cè)器升空。2001年12月3日-2004年4月1日，該探測(cè)器在日地拉格朗日1點(diǎn)（L1）累計(jì)采樣850天，采集了約10～20微克太陽(yáng)風(fēng)粒子。
這是繼“阿波羅”登月飛船后人類第二次將太陽(yáng)的樣本帶回地球。當(dāng)時(shí)“阿波羅”飛船在地球和月球間飛行時(shí)采集到了太陽(yáng)樣本，但由于受到技術(shù)的限制，使用的采集器是飛船表面的一塊錫箔，錫箔上的雜質(zhì)使研究者難以分辨樣本究竟來(lái)自太陽(yáng)還是錫箔本身。
“起源號(hào)”上的收集設(shè)備特別純凈，另外，由于傳統(tǒng)的著陸方式可能會(huì)損壞這些脆弱的樣本，所以“起源號(hào)”在返回時(shí)，原計(jì)劃是采用直升飛機(jī)在空中直接把該探測(cè)器回收，即“起源號(hào)”返回時(shí)先打開降落傘，減緩下降的速度，然后在空中用直升飛機(jī)直接回收。
2004年9月8日，“起源號(hào)”的返回艙以11.04千米/秒的速度在125千米高度再入地球大氣層。但返回艙在下降過程中，由于加速度計(jì)安裝錯(cuò)誤，導(dǎo)致主降落傘沒能按程序打開，返回艙以32千米/小時(shí)的速度撞地而遭到損壞，所以只收回了部分太陽(yáng)離子。
結(jié)語(yǔ)
至今，人類對(duì)火星的探測(cè)只實(shí)現(xiàn)了“繞、著、巡”，還沒有實(shí)現(xiàn)采樣返回，主要原因是火星距離遙遠(yuǎn)、環(huán)境特殊和引力較大等。不過，美國(guó)、日本、俄羅斯等一些國(guó)家已計(jì)劃在2030年左右對(duì)火星進(jìn)行采樣返回探測(cè)，從而最終確定火星上是否有生命，火星地質(zhì)的組成、氣候變化及大氣與地面的相互作用等。
我國(guó)也擬于2028年實(shí)施火星采樣返回任務(wù)，對(duì)火星隕石和返回樣品進(jìn)行分析，研究制約火星有機(jī)質(zhì)的成因、水巖作用、幔源揮發(fā)分含量等關(guān)鍵科學(xué)問題。
從月球采樣返回到火星采樣返回，中國(guó)深空探測(cè)將逐漸走向宇宙更深處！
