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、彗星甚至太陽進(jìn)行了無人采樣返回探測(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)行了無人彗星采樣返回。
美國(guó)通過發(fā)射起源號(hào)太陽探測(cè)器，對(duì)太陽進(jìn)行了無人太陽采樣返回。
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)：無人月球采樣返回
01、蘇聯(lián)的月球采樣三劍客
在無人月球采樣返回探測(cè)方面，蘇聯(lián)可以說是開路先鋒。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)行無污嚴(yán)密封裝。由于月球環(huán)境特殊，又是無人采樣，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38萬千米外的月球軌道上進(jìn)行無人交會(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靜之海，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，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（也可稱金屬彈）。撞擊裝置是內(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“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100萬個(gè)彗星粒子，所以科學(xué)家很滿意。
五、太陽采樣返回活動(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微克太陽風(fēng)粒子。
這是繼“阿波羅”登月飛船后人類第二次將太陽的樣本帶回地球。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自太陽還是錫箔本身。
“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離子。
結(jié)語
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！
