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除了月球,人类还从哪些地外天体带回了“土特产”

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  2020年12月17日,我国嫦娥五号探测器的返回器把1731克月球样品带回地球,使我国成为世界第三个在月球采样返回地球的国家。此前,苏联和美国也分别进行过无人和有人的月球采样返回探测。那么,除了月球之外,人类还对哪些星球进行过采样返回探测呢?

  多姿多彩的采样返回

  顾名思义,地外星球采样返回活动就是用具有采样返回功能的空间探测器在地外星球着陆并采集样品,然后把采集到的样品带回地球,在实验室由科学家用多种设备进行深入研究。

  目前,有形形色色的地外星球采样返回方式,这是因为每个地外星球差异很大,所以需要采用不同的采样返回方式;另外也跟不同国家的技术水平和不同年代的发展水平各异有关。

  除了月球,国外已对小行星、彗星甚至太阳等进行过无人采样返回探测。例如,日本通过先后发射“隼鸟”、“隼鸟2号”小行星探测器,分别对2颗小行星进行了无人小行星采样返回,其中“隼鸟2号”在2019年完成了对龙宫小行星采样返回任务后,于2020年12月返回了地球;美国的首个小行星采样返回探测器奥西里斯-雷克斯在2020年10月对贝努小行星进行了采样,计划于2023年返回地球。

  

  另外,美国通过发射起源号太阳探测器,对太阳进行了无人太阳风粒子采样返回;还通过发射星尘号彗星探测器,对怀尔德2号彗星进行了无人彗星采样返回。

  小行星采样返回受青睐

  近些年,由于多种原因,对小行星探测日益受到重视,其中日本和美国还分别开展了小行星采样返回探测活动。

  2003年5月9日,日本发射了世界第一个小行星采样返回探测器“隼鸟”。其质量为510千克,由服务舱、有效载荷舱组成,其中的有效载荷系统包括飞行任务仪器系统、采样器、再入密封舱和跳跃式机器人。

  

  它于2005年9月中旬飞抵糸川小行星轨道,观测了糸川小行星表面情况,收集了其成分和地形数据。准备完毕后,2005年11月,“隼鸟”实现了在糸川小行星上的着陆采样,它是通过着陆产生的撞击,吸入飞溅起来的碎石。

  由于出现了一系列故障,所以“隼鸟”于2010年6月13日才返回地球,但它使日本成为世界上首个在月球之外的原始小天体上着陆、取样并携带其样品返回地面的国家。目前已确认探测器在糸川小行星表面采集的样品为1500粒。通过对“隼鸟”采集的样品进行分析和研究发现,糸川小行星已有800万年的历史。

  

  2014年12月4日,日本发射了更先进的“隼鸟2号”小行星采样返回探测器。它于2018年6月进入龙宫小行星轨道后,先对该小行星进行近距离详细观测。接着,向小行星表面投放跳跃式巡视器和小型着陆器。然后,对小行星表面采样。

  2019年2月,“隼鸟2号”首次在龙宫小行星表面采用“一触即离”的采样方式,从撞击器形成的撞击坑内成功采集到小行星样品。其具体过程是:它在安全地飞离龙宫小行星表面时,进行了弹子弹射取样。其弹子质量3.5克,通过弹子弹射装置以300米/秒的速度撞击小行星表面,采样装置采集了从龙宫表面弹射起的飞溅碎片和粒子,发现了水合矿物质。

  2019年4月,“隼鸟2号”对另一个着陆点发射撞击装置(也可称金属弹)。撞击装置是内部装满约9.5千克炸药的半球形圆锥结构体,引爆后生成坚硬、带尖头的铜金属块,以2千米/秒的速度撞击龙宫小行星表面,并形成直径约为10米的小行星坑。同年5月,“隼鸟2号”对该小行星坑以“一触即离”方式完成着陆,采集了小行星内部样品。2019年7月,“隼鸟2号”又以上述撞击方式完成另一次采样任务。

  完成任务后,“隼鸟2号”于2019年11月飞离龙宫小行星。它于2020年12月6日返回地球,返回密封舱的着陆地点与“隼鸟”相同,仍为澳大利亚区域。它送回地球的龙宫小行星沙粒至少合计5.4克以上,实现了人类第二次小行星采样返回。

  

  2016年9月9日,美国首个小行星采样返回探测器——“奥西里斯-雷克斯”升空,目标是对贝努小行星进行采样返回探测,研究太阳系的形成和演化、行星形成的初始阶段以及形成生命的有机复合物的起源。这也是首项研究原始B型小行星的任务。

  “奥西里斯-雷克斯”由探测器平台、5台科学设备和一个采样机械臂以及一个用于将样品送回地球的样品返回舱组成。它于2018年8月抵达贝努,并在环绕贝努的轨道上对其进行全球表面成像观测,展开了为期两年的科学研究。2020年10月20日,该探测器使用采样机械臂末端的采样器采集了60克-2千克的贝努表面风化层样品

  

  这个探测器也采用“一触即离”的方式进行采样,即探测器整体并不着陆,当探测器接近目标时伸出采样机械臂,其采样器与贝努表面只接触几秒钟就在瞬间完成采样,然后迅速飞离小行星。这种方式省去了在采样前的着陆和固定以及采样后离开表面前的解锁过程。另外,当探测器在惯性下落时,接触即离也提供了采样所需要的正常接触力。

  

  “奥西里斯-雷克斯”将于2021年3月开始返回地球的旅程,计划在2023年9月将采样返回舱送回地球。在进入地球大气前4小时,探测器将释放采样返回舱。随后探测器将进行碰撞规避机动,并不进入地球大气,而是进行在绕太阳轨道上运行。采样返回舱将以12.2千米/秒的速度进入地球大气,并通过降落伞系统进行减速,最后在美国犹他州测试与训练靶场软着陆。

  彗星采样方法新颖

  1999年2月7日,美国发射了星尘号彗星探测器,任务是在2004年1月飞到怀尔德2号彗星,在穿过彗尾的过程中采集尘埃及气体样本,并送回地球。

  星尘号的大小像电话亭一样,重385千克,携带了返回舱、彗星与星际尘埃分析仪、尘埃撞击监测仪和太阳能电池板及其保护装置。其中46千克重的返回舱内装有“气凝胶尘埃收集器”、高分辨率相机和其他科学仪器。

  2004年1月2日,星尘号与怀尔德2号交会,当时它距离彗核约240千米。在这么近的距离,星尘号遭到数百万彗星微粒的撞击。在此期间,星尘号伸出类似网球拍的“气凝胶尘埃收集器”来收集彗星的尘埃微粒。然后折叠收入返回舱,贮存于容器中。

  

  

  全球独一无二的“气凝胶尘埃收集器”是由一位65岁的美籍华人科学家邹哲设计的,当粒子撞上气凝胶时,会立即把自己“埋”在里面。返回地面后再寻找这些彗星的尘埃微粒。

  2006年1月15日,装有彗星物质的羽毛球状返回舱通过降落伞着陆于犹他州盐湖城东南160千米的沙漠上,它是空军的试验与训练靶场。

  虽说星尘号所采集的彗星样本质量还不到1/1000盎司(1盎司相当于28.35克),可这是人类第一次用航天器对彗星进行取样研究。1毫克彗星尘埃大概有100万个彗星粒子,所以科学家很满意。

  

  太阳采样返回不完美

  2001年8月8日,美国起源号太阳探测器升空。2001年12月3日-2004年4月1日,该探测器在日地拉格朗日1点(L1)累计采样850天,采集了约10-20微克太阳风粒子。

  

  这是继“阿波罗”登月飞船后人类第二次将太阳的样本带回地球。当时“阿波罗”飞船在地球和月球间飞行时采集到了太阳样本。但由于受到技术的限制,使用的采集器是飞船表面的一块锡箔。锡箔上的杂质使研究者难以分辨样本究竟来自太阳还是锡箔本身。

  起源号上的收集设备特别纯净。另外,由于传统的着陆方式可能会损坏这些脆弱的样本,所以起源号在返回时,原计划采用直升机在空中直接把该探测器回收,即起源号返回时先打开降落伞,减缓下降的速度,然后在空中用直升机直接回收。

  2004年9月8日,起源号的返回舱以11.04千米/秒的速度在125千米高度再入地球大气层。但返回舱在下降过程中,由于加速度计安装错误,导致主降落伞没能按程序打开,返回舱以32千米/小时的速度撞地而遭到损坏,所以只收回了部分太阳风粒子。

  

  至今,人类对火星的探测只实现了“绕、着、巡”,还没有实现采样返回,主要原因还是火星距离遥远,环境特殊和引力较大等。不过,美欧、日本和俄罗斯等一些国家已计划在2030年左右对火星进行采样返回探测,从而最终确定火星上到底是否有生命,火星地质的组成、气候变化及大气与地面相互作用。

  

  我国也拟于2028年实施火星采样返回任务,对火星陨石和返回样品进行分析,研究制约火星有机质的成因、水岩作用和幔源挥发分含量等关键科学问题。

  来源:中国的航天

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