焦維新（北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院）

2020年，深空探測可謂熱鬧非凡。中國的嫦娥五號從月球取樣返回，日本的隼鳥－2探測器從小行星龍宮取樣返回，美國的“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）探測器也從貝努小行星上取得了樣品，正在返回地球的途中。許多國家正醞釀從火星取樣返回的計劃。為什么人類對取樣返回這么重視呢？特別是已經(jīng)有了著陸探測，甚至對一些天體發(fā)射了巡視器，為什么還熱衷于取樣返回呢？本文將重點討論取樣返回的重要性，以及從小行星和火星表面取樣返回的方法。

1 取樣返回的必要性和意義

取樣返回是一種非常重要的探測方式，是其他探測方式無法取代的。這種方式的重要意義概括起來有以下4個方面[1]。

1）一些深層次分析化驗任務(wù)需要做復(fù)雜的樣品準(zhǔn)備工作，而這些工作在地外天體表面是無法完成的，只有在地球的實驗室才能進(jìn)行。例如，要確定樣品的地質(zhì)年代，要求在清潔的條件下先進(jìn)行高純度礦物分離，然后提取和濃縮微量元素，如：銣、鍶和釤。在地面實驗室中進(jìn)行這項工作的程序已經(jīng)很完善，但要在地外天體上進(jìn)行這項工作，條件還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不具備。有些研究需要將樣品加熱到高溫（>1000℃），使用特殊的有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取，然后對萃取物進(jìn)行化學(xué)分析，生成用于有機(jī)分析的衍生物；還有冷凍干燥法等。另一個關(guān)鍵的例子是薄切片的準(zhǔn)備，在做一些測試之前，需要把樣品切成薄片，但是，簡單的機(jī)器人系統(tǒng)不可能完成這樣的工作。

2）有些高精尖儀器無法送到火星或小行星。某些儀器不適合安裝在著陸器上，因為它們太大，需要太多的能量，需要太多的維護(hù)，或者有復(fù)雜的操作程序（例如:加載、操作樣本）。計算機(jī)斷層掃描（CT）就是一個例子。

3）探測儀器的多樣性。到目前為止，原位探測任務(wù)僅限于5～10種科學(xué)儀器。然而，我們可以使用50～100種儀器分析返回的樣品，包括未來的、甚至還沒有設(shè)計出來的儀器。這可以大大增強(qiáng)我們作出初步發(fā)現(xiàn)的能力。

4）對遙感數(shù)據(jù)精確標(biāo)定。軌道器對天體表面的探測基本上都是采用遙感的方法。對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，需要進(jìn)行精確的標(biāo)定。這個標(biāo)定數(shù)據(jù)要求非常準(zhǔn)確。如果對有代表性地區(qū)最關(guān)心物質(zhì)的有關(guān)物理化學(xué)參數(shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確測試，就可以大大提高遙感數(shù)據(jù)的精度。

取樣返回探測對樣品的要求是很高的，要滿足多項條件才能達(dá)到預(yù)定的科學(xué)目標(biāo)。如在月球取樣，要求取樣點具有一定的代表性，如月海地區(qū)、火山活動區(qū)、高山地區(qū)、盆地底部等。另外，不能僅從表面取樣，還要從不同的深度取樣。對小行星取樣，還要考慮不同類型的小行星。小行星雖小，卻是太陽系的“老壽星”，一些小行星在太陽系形成的初期就誕生了，因此，對小行星的深入研究，特別是對返回樣品的研究，可以幫助我們深入了解太陽系的起源與演化。

對小行星取樣將遇到特殊的問題。因為大多數(shù)小行星的尺度小，自轉(zhuǎn)速度快，不適合整個航天器降落到表面，取樣過程一般都是短暫的，這就更需要對取樣方法進(jìn)行研究。

2 小行星取樣方法

近年來，國外對近地小行星（NEA）探測格外重視，繼日本成功實現(xiàn)了對小行星取樣返回探測后，美國和歐洲航天局（ESA）也制定了近地小行星取樣返回探測計劃；我國的一些部門也在醞釀小行星探測計劃。面對小行星探測出現(xiàn)的興旺景象，國外有的學(xué)者甚至認(rèn)為，未來行星科學(xué)的研究將進(jìn)入小行星學(xué)時代。

小行星探測的重要方式是取樣返回，這種方式要重點解決如何將著陸器固定在小行星表面以及如何取樣的問題。因為與大天體的探測相比，近地小行星探測有三個特殊的問題：第一個問題是NEA的引力很低，與在大天體上的著陸探測很不相同，一般不存在嚴(yán)重撞擊目標(biāo)天體的問題，而往往是要注意著陸后的彈跳出逃問題，因此，很多情況下需要考慮固定方法。第二是對NEA表面的地質(zhì)、形態(tài)特征等情況了解甚少，這就給著陸器的設(shè)計帶來很大的不確定性。例如，有的小行星表面是巖石，有的有“土壤”層，對于這兩種情況，著陸的方式就很不同；而且往往是在探測器抵近小行星后才能了解這些具體情況，因此，著陸器的設(shè)計要適應(yīng)比較大范圍的表面情況。第三是由于小行星表面平坦的區(qū)域很小，著陸器難以著陸和停留，也難以支撐來自取樣操作的反作用。

近年來，國外對近地小行星取樣返回探測提出了一些新方法，主要有觸及表面隨即飛離、著陸固定后取樣、短暫懸停隨即飛離等。

觸及表面隨即飛離

在這種“接觸即離”（TAG）方式中，探測器機(jī)動到距離小行星表面幾米的高度，伸出取樣器與表面接觸，并在幾秒鐘的時間內(nèi)取完樣品，然后推進(jìn)器加速，使探測器離開表面。這種方式省去了在取樣前的著陸和固定，以及取樣后離開表面前的解鎖過程。另外，當(dāng)探測器慣性下落時，TAG方式也提供了取樣所需要的正常的接觸力。TAG方式有多種取樣方法，因而適合多種小行星表面情況，如表面有風(fēng)化層，或者表面堅硬的情況。主要的取樣方式包括：發(fā)射子彈后收集碎片、使表面碎片流體化、刷-輪取樣器等。

1）發(fā)射子彈后收集碎片。當(dāng)取樣器接觸到小行星表面時，取樣器發(fā)出一枚子彈，子彈撞擊到表面后，濺起碎屑，被收集器收集，然后小行星探測器開始爬升，離開小行星。日本的“隼鳥”探測器就是采用這種取樣方式，隼鳥－2探測器也同樣采用了這種方式。這種取樣方式適合于小行星表面是巖石或基本沒有風(fēng)化層的情況?；蛘哒f，如果之前不了解小行星表面的情況，可以采用這種取樣方式。

2）使表面碎片流體化。這種取樣方式適合于表面有風(fēng)化層的情況。工作過程是：探測器逐漸下落，當(dāng)接觸即離取樣獲得機(jī)械（TAGSAM）接觸到小行星表面時，取樣器向小行星的風(fēng)化層吹高壓氮氣，在氣流的作用下，使小行星表面碎屑流體化，隨氣流一起被吹進(jìn)取樣器，取樣可在大約5s內(nèi)完成。美國發(fā)射的小行星取樣探測器“奧西里斯-雷克斯”就是采用的這種方式[2]。

“隼鳥”探測器的取樣方式

3）刷-輪取樣方法。刷-輪取樣器是由美國國家航空航天局（NASA）所屬的噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）研發(fā)的。它有兩三個逆時針旋轉(zhuǎn)的刷子，當(dāng)取樣器與小行星表面接觸時，這些旋轉(zhuǎn)的刷子就可以將小行星表面物質(zhì)收集到取樣盒里。這種方式的特點是取樣的速度快，容積大，返回的樣品質(zhì)量在0.35～2.1kg之間。

4）雙夾片取樣方法。這種方法使用雙夾片取樣器，兩個夾片由彈簧驅(qū)動到達(dá)小行星表面，初始是張開的，然后收攏，在大約0.1s的時間內(nèi)完成操作。收攏的夾片可以將樣品送到容器。

著陸固定后取樣

這種操作方式的突出特點是著陸固定。由于小行星的引力微弱，為了保證著陸器正常工作，對著陸器要采取固定的措施。一旦固定后，許多取樣方法都可以使用，包括一些在大行星和月球上采用的方法。這種方式操作的時間一般不受限制，取樣系統(tǒng)也可以比較復(fù)雜，因此可以完成更復(fù)雜的任務(wù)。

“奧西里斯”探測器的大小

取樣器工作示意圖

刷-輪取樣器（左圖為兩刷，右圖為三刷）

雙夾片取樣器操作過程

NEA表面固定方法[3]對著陸器固定的基本要求是能保證接下來的取樣工作順利進(jìn)行。在有些情況下，還要求根據(jù)需要隨時解鎖，以便使著陸器飛離小行星表面。常用的著陸固定方法有以下8種：

1）推進(jìn)器。通過使用推進(jìn)器，將飛船推向小行星的表面。這種方式的優(yōu)點是利用現(xiàn)有技術(shù)，而且隨時都可以取消固定；缺點是消耗燃料，因此固定時間不會太長。

2）魚叉。向小行星表面發(fā)射魚叉，將飛船拉向表面。這種方式的優(yōu)點是可以產(chǎn)生大的固定力；缺點是對小行星表面的特性有限制，適用于有風(fēng)化層的小行星。

3）麻花鉆。在表面用兩個轉(zhuǎn)動方向相反的麻花鉆進(jìn)行鉆探，這樣可以抵消鉆頭轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的反作用力。這種方法的優(yōu)點是固定力大，可以重復(fù)使用；缺點是要求有附加的硬件（鉆頭),對于硬巖石表面需要使用特殊的鉆頭，消耗能量也比較大。

4）支撐力固定。取樣器使用多個支架，每個支架與表面成一定的角度，這樣，在沿著小行星表面的方向就形成了一定的支撐力，用這個支撐力固定。

5）流體固定。取樣器落到表面后，從支架的底部細(xì)管中噴出有一定粘著力的流體，如泡沫、水泥或環(huán)氧樹脂。這樣，在支架底端與表面之間就產(chǎn)生了粘著力。如果想消除這個粘著力，可以對接觸點加熱，粘著力減少，著陸器就可以離開小行星表面。

6）釘子固定。當(dāng)著陸器接近小行星表面時，用射釘槍向表面發(fā)射釘子，達(dá)到固定的目的。

7）微機(jī)架固定。單個微機(jī)架由鑲嵌在剛性架上的尖鉤和彈性彎曲結(jié)構(gòu)組成；一個微機(jī)架陣可有幾十個或幾百個微機(jī)架，因此可承受更大的力。由于每個微機(jī)架有自己的懸掛結(jié)構(gòu)，它可以被拉長或壓縮，能找到巖石上粗糙不平之處以便抓住。

8）磁力固定。用一個磁墊吸引含磁性的小行星表面。這種方法的優(yōu)點是不需要穿進(jìn)表面；但不適用于非磁性天體。

短暫懸停隨后飛離

取樣及樣品保存是取樣返回探測要解決的基本技術(shù)，NASA在這方面開展了細(xì)致的工作。

1）探測器懸停。在這種方式中，探測器在距離目標(biāo)小行星表面大約10m～1km的高度上懸停，然后射出取樣器。取樣器通過系繩與探測器連接，在完成了在小行星表面取樣任務(wù)后，再由系繩將取樣器拉到探測器，并保存好樣品。

2）快速取樣回收系統(tǒng)。美國NASA的戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC）研發(fā)了一種“快速取樣回收系統(tǒng)”（RASARS），其核心部分是“樣品獲取系統(tǒng)”（SAS）。這種取樣系統(tǒng)是從懸停的探測器上向小行星表面發(fā)射魚叉，并穿進(jìn)一定的深度。魚叉由外殼和內(nèi)部取樣芯構(gòu)成，外殼防護(hù)取樣芯，避免在撞擊時受損。在魚叉穿進(jìn)小行星表面后，這個取樣器就開始收集樣品。然后用系繩回收取樣芯，將樣品送入返回容器。整個取樣過程的時間尺度是幾秒到幾分鐘，因此它也適合于緩慢移動的科學(xué)平臺。

探測器在小行星表面上懸停

SAS點火與回收序列

多種方式取樣方法

除了前面介紹的方法之外，在一些文獻(xiàn)中也提出了其他一些方法。

1）鉆探取樣?？筛鶕?jù)科學(xué)目標(biāo)的要求，鉆到一定的深度，并在不同的深度上分別提取樣品。

2）鏟式取樣?！傍P凰”火星探測器已經(jīng)在火星上采用了這種取樣方法。

3）就位水提取系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的功能是在小行星及彗星表面就位提取水，操作時一般有三個步驟：挖掘含冰的風(fēng)化層、從風(fēng)化層中提取水、拋棄碎屑。因此，這種方法是只將水輸送到目的地，而將干燥的碎屑留下。

4）土壤高級處理系統(tǒng)。由NASA研制的這種“土壤先進(jìn)月表系統(tǒng)運行機(jī)器人”（RASSOR）能夠處理天體表面的土壤（風(fēng)化層），從中獲取有用的元素。

SAS點火與回收序列

用于火星土壤取樣的機(jī)器人

3 火星取樣方法[4]

火星取樣返回在技術(shù)上也是相當(dāng)復(fù)雜的，需要在開展這項工作之前逐一攻破。這些技術(shù)包括樣品的提取和密封技術(shù)、從火星表面上升技術(shù)、在火星軌道交會對接技術(shù)、從火星返回地球的技術(shù)，等。人類雖然已從月球、小行星和彗星取樣返回，但還尚未從火星這樣大的天體取樣返回，這對運載火箭和軌道設(shè)計的要求都很高。

取樣返回的操作比較復(fù)雜，與以往三種探測方式相比，增加了取樣和在火星軌道交會對接的環(huán)節(jié)。

在對科學(xué)目標(biāo)論證的基礎(chǔ)上，許多研究團(tuán)隊也對取樣返回的具體實施方案進(jìn)行了細(xì)致的研究?；鹦翘剿鞴ぷ鹘M提出了一個取樣返回參考方案，是眾多方案的一種，其按時間順序給出了取樣返回的全過程，包括從地球發(fā)射運載火箭，到著陸火星，提取樣品，然后返回地球。

2019年，NASA和ESA提出了聯(lián)合火星取樣返回探測計劃，即“四步走”計劃。

采樣

取樣返回過程框圖

取樣返回參考方案

NASA耗資25億美元研制的“火星-2020”探測器已于2020年7月發(fā)射，計劃將著陸在有著40億年歷史的耶澤洛（Jezero）隕石坑。耶澤洛隕石坑里有保存完好的遠(yuǎn)古河流三角洲的化石，該區(qū)域的巖石保存著關(guān)于火星漫長而多樣的地質(zhì)歷史時期的信息?；鹦擒嚳伤奶幓顒?，完成科學(xué)實驗，鉆探小塊泥巖和其他巖石（這些巖石可能蘊藏著古老生命的“蛛絲馬跡”），采集巖心樣本。

每個樣本將包含20g巖石和粗砂，存儲于約手電筒大小的管內(nèi)，NASA會將一些樣本管暫時寄存在火星表面，另一些則放在火星車上。

存樣

地面回收著陸器計劃在2026年7月發(fā)射。熟悉火星探索的人可能會意識到，這個時間遠(yuǎn)早于2026年10月開啟的典型低能量轉(zhuǎn)移窗口。然而，2026年直接飛離地球的著陸器將在2027年8月登陸火星表面。這恰逢火星北部夏末時節(jié)，一年中最大的沙塵暴可能會對太陽能回收著陸器和漫游車造成致命威脅。著陸器將采取一個不尋常的“到火星的長期軌道”，發(fā)射后，著陸器將繞太陽運行1.5圈，于2028年8月到達(dá)，大約是火星北部春分的時候。在每年的這個時候，沙塵是最少的，因此遇到沙塵暴的可能性非常低，能避免著陸器和漫游車任務(wù)中斷，從而繼續(xù)進(jìn)行回收操作。著陸火星后，采樣火星車將從著陸器中駛出，尋找?guī)啄昵吧⒙涞臉颖竟?。火星車將依靠太陽能供電，因此，在陽光日益減弱的冬季到來之前，它只有6個月時間完成任務(wù)。為此，它每天需要前進(jìn)200m，并能自動導(dǎo)航。

一旦采集到所有樣本，探測器將使用甲板上的火箭將它們發(fā)射到軌道上。

交接

隨后，返回火箭將裝滿樣本的容器發(fā)射到距離火星表面300km高的軌道內(nèi)，與ESA的地球返回軌道器“會師”。地球返回軌道器跟隨著陸器一起到達(dá)火星，目的是抓取進(jìn)入火星軌道的樣本。

順利“會師”后，由NASA建造的機(jī)械裝置會將裝載樣本的球體放入一個密閉模塊中，隨后進(jìn)行密封并消毒，該模塊最后會被放置于一輛名為“地球進(jìn)入車”的盤形車內(nèi)，盤形車隨后會在減震器的保護(hù)下，在沒有降落傘減速的情況下，降落于猶他州的沙漠。

返回

NASA-ESA火星樣本返回計劃由NASA的火星上升飛行器、ESA的地球返回軌道飛行器、火星樣本筒，以及地球進(jìn)入艙等多個部件構(gòu)成。

該樣本將于2031年回返回到地球，之后將置于一個隔離設(shè)施中，使其不受地球微生物等的污染。

存儲樣品的容器

甲板上的火箭起飛示意圖

地球返回軌道器

火星樣品返回組件

NASA與ESA合作的火星取樣返回任務(wù)

火星取樣返回是一項非常重要的工作，不僅因為返回的樣品有重要的科學(xué)價值，更重要的是為載人探測火星打下基礎(chǔ)。目前對此項工作的研究還處于起步階段，有關(guān)國家的火星取樣計劃也不夠完備，需要做深入的研究。

4 結(jié)束語

由于外天體的種類繁多，每種類型的天體的大小、形狀、表面特征等情況千差萬別，因此，即使對同一類天體，取樣的方式也多種多樣。我國在這方面的研究也僅僅是開始，今后需要加大力度，結(jié)合小行星探測計劃以及火星取樣返回探測計劃，全面、深入地開展地外天體取樣返回方法和技術(shù)的研究工作。