11月17日，長征五號遙五運(yùn)載火箭和嫦娥五號探測器已垂直轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)，國人期盼已久的月球采樣大戲已經(jīng)奏響序曲，即將揭開大幕。
據(jù)國家航天局介紹，嫦娥五號任務(wù)是中國探月工程第六次任務(wù)，計劃實現(xiàn)月面自動采樣返回，是我國航天領(lǐng)域迄今最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一。
國際上開展過哪些外星“挖土”的嘗試？有人采集和無人采集哪種方式更好？航天專家向科技日報記者進(jìn)行了介紹。
裝備越好宇航員采集樣品越豐厚
半個世紀(jì)前，美國通過阿波羅計劃，率先從月球帶回了共計381.7千克的月巖樣品。
1969年7月，阿波羅11號飛船降落在月球赤道附近的寧靜之海。完成人類首次登月壯舉的宇航員阿姆斯特朗和奧爾德林，用裝在一根桿子頂端的采樣袋采集土壤，并將裝滿的采樣袋揣在“褲兜”里，又用鏟子和帶有機(jī)械爪的探桿拾取巖石。奧爾德林還抄起鉆桿和錘子，取到了2根巖芯。二人在月球表面待了2小時32分鐘，累計行動了約1公里，直到地面警告他們代謝率過高，才依依不舍地回到飛船上。這次，他們一共得到了21.55千克月球樣品。
阿波羅12號和14號，也降落在月球赤道上，宇航員采集樣品的勁頭越來越足，采回的數(shù)量也越來越多。到阿波羅15號任務(wù)時，宇航員的裝備“鳥槍換炮”，攜帶了一輛由波音公司研制的月球車，宇航員艾爾文也成為首位在月球上開車的人。交通工具的出現(xiàn)，讓登月宇航員的活動范圍大大增加，阿波羅16號宇航員約翰·楊還飆出了時速11公里的月球紀(jì)錄，同時他們采集的樣品相比前幾次任務(wù)也成倍增長。
在阿波羅17號飛船上，出現(xiàn)了一名特殊的宇航員，他就是整個阿波羅計劃中唯一一名地質(zhì)學(xué)家施密特。他的加入，將月球“挖土”事業(yè)推上了巔峰。如癡如狂的施密特帶著指令長塞爾南奮力挖掘，3次月面活動總計工作了22小時，帶回了總重111千克的741個樣本，其中包括一根深鉆3米取得的巖芯。
無人探測采樣活動五花八門
作為登月競賽中美國的對手，蘇聯(lián)由于載人登月計劃受挫，轉(zhuǎn)而開始了無人月球采樣的探索，并成為該技術(shù)途徑的先行者。利用月球16號、20號、24號探測器蘇聯(lián)共在月球采集到了300多克樣品。
隨著航天技術(shù)發(fā)展，人類探索的目標(biāo)不再局限于月球，開展了五花八門的無人外星“挖土”活動。
1999年2月，美國發(fā)射了星塵號彗星探測器，主要任務(wù)是飛往懷爾德2號彗星，在穿過彗尾過程中采集塵埃及氣體樣本，并送回地球。
2004年1月2日，星塵號與懷爾德2號交會，遭到數(shù)百萬彗星微粒的撞擊。其間，星塵號伸出一個類似網(wǎng)球拍的“氣凝膠塵埃收集器”，收集彗星的塵埃微粒。全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩介紹，這個全球獨一無二的“氣凝膠塵埃收集器”，由美籍華人科學(xué)家鄒哲設(shè)計。當(dāng)粒子撞上氣凝膠時，會立即把自己“埋”在里面。采集工作完成后，收集器折疊收入羽毛球狀返回艙，將樣品貯存于容器中，返回地面后，科學(xué)家再從中尋找彗星塵埃。
2001年8月，美國起源號探測器升空，飛行4個月后抵達(dá)日地拉格朗日1點，并在該位置工作850天，采集了10到20微克太陽風(fēng)粒子。
起源號上的收集設(shè)備非常純凈。龐之浩介紹，起源號看上去像一塊打開的腕表，采樣返回艙安裝在平臺頂部。采樣罐內(nèi)裝有太陽風(fēng)粒子采集器陣列和離子集中器，利用中心旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置展開采集器陣列。不過，2004年9月該探測器在返回下降過程中，由于加速度計安裝錯誤，導(dǎo)致主降落傘沒能按程序打開，返回艙以每小時32公里的速度撞到地面而遭到損壞，最終研究人員只收回了部分太陽風(fēng)粒子。
這并非人類第一次嘗試獲取太陽樣本，實際上從阿波羅11號飛船開始，阿波羅計劃也開展了太陽風(fēng)成分實驗。龐之浩說，阿波羅任務(wù)是利用飛船表面的一塊錫箔，在地月空間收集太陽樣本。不過，科學(xué)家很難分辨采到的物質(zhì)究竟是來自太陽還是錫箔本身。
2003年，日本率先開展了小行星采樣嘗試。是年5月，世界首個小行星采樣返回探測器隼鳥1號發(fā)射，于2005年9月飛抵糸川小行星20公里高度軌道。隼鳥1號通過在小行星著陸、吸入飛濺粉塵的方式采集樣品，不過任務(wù)期間它出現(xiàn)故障，直到2010年6月才返回地球。雖然任務(wù)完成得一波三折，但它仍使日本成為全球首個實現(xiàn)小行星采樣返回的國家，目前已確認(rèn)探測器在糸川小行星表面獲取了1500粒樣品。
2014年12月，日本發(fā)射了更先進(jìn)的隼鳥2號，對龍宮小行星進(jìn)行了探測。該探測器的采樣方式是先向小行星發(fā)射金屬彈，然后在撞擊坑處著陸，吸收飛濺碎片后迅速飛離。隼鳥2號先后實施了3次采樣，共采到20克以上樣品。其預(yù)計在2020年底將樣品送回地球。
最近的一次小行星采樣活動，發(fā)生在今年10月20日——美國冥王號探測器使用采樣機(jī)械臂末端的采樣器，從貝努小行星表面采集了60克以上的風(fēng)化層樣品。該探測器計劃在2023年9月將采樣返回艙送回地球。
此外，美國還于今年7月30日發(fā)射了毅力號火星探測器，計劃讓其探索火星杰澤羅隕坑并采集樣品。這些樣品將被毅力號保存，在2031年美歐聯(lián)合實施的太空任務(wù)中帶回地球。
有人采集和無人采集各有千秋
回顧人類的外星“挖土”史可以看出，除了阿波羅計劃采用有人采集方式，其余的均為無人采集。兩種方式孰優(yōu)孰劣？人與機(jī)器相比，“挖土”哪家強(qiáng)？
龐之浩表示，從采樣數(shù)量上看，有人采集無疑占優(yōu)。阿波羅計劃共帶回約380千克樣品，相比同時期蘇聯(lián)實施的無人采集任務(wù)，樣品重量超出上千倍。這些樣品至今都沒有研究完，大部分還封存在實驗室里。
中國航天科工集團(tuán)二院研究員楊宇光認(rèn)為，有人采集更大的優(yōu)點，是可以在任務(wù)中隨機(jī)應(yīng)變，處置不同的情況。
航天器的裝載容量有限，所采集樣品有多大意義，取決于其代表性和特殊性。楊宇光說，例如阿波羅17號任務(wù)中，施密特?fù)斓搅艘粔K橙色月球巖石，極為特別。這樣的稀有樣品，只有靠宇航員仔細(xì)尋找才能得到，通過無人采樣方式幾乎不可能獲取。
然而，宇航員的參與，使得航天任務(wù)的難度和成本大大增加。
楊宇光說，一艘阿波羅飛船重約45噸，而蘇聯(lián)的“月球”系列無人采樣探測器重量不足6噸，我國嫦娥五號探測器重8噸多。同時，載人飛行任務(wù)對安全性、可靠性，以及生命保障系統(tǒng)等要求很高，這都直接影響著工程規(guī)模及成本。
龐之浩進(jìn)一步解釋說，一艘阿波羅登月飛船比等重黃金貴十多倍，而發(fā)射阿波羅飛船所用的土星五號火箭，造價高達(dá)5億美元。阿波羅計劃歷時11年，耗資255億美元，為實施該計劃，美國國家航空航天局（NASA）每年預(yù)算占到美國政府總預(yù)算的4.5%左右，平均每個美國家庭要負(fù)擔(dān)400多美元。
而無人采集不僅工程規(guī)模較小、成本較低，而且無需考慮生保、補(bǔ)給等問題，任務(wù)周期可達(dá)數(shù)年之久，探測距離也達(dá)到數(shù)億公里。楊宇光認(rèn)為，至少在未來十幾年里，無人采集方式都將是外星“挖土”的主流。
不過，有人采集也不是全無用武之地。楊宇光說，對于一些情況復(fù)雜、目的性較強(qiáng)的特殊任務(wù)，例如發(fā)現(xiàn)一顆很有意思的小行星，要去采集一些特別的樣本，就要依靠人來完成了。這種情況下，付出多一些成本和時間，也是值得的。
到更遠(yuǎn)的未來，如果人類在月球建立永久基地，產(chǎn)生了更多科學(xué)與工程上的需求，那么也需要宇航員長期駐扎，開展更大范圍的考察活動。
