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(cè)可謂熱鬧非凡。中國(guó)的嫦娥五號(hào)從月球取樣返回，日本的隼鳥(niǎo)－2探測(cè)器從小行星龍宮取樣返回，美國(guó)的“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）探測(cè)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(guó)家正醞釀從火星取樣返回的計(jì)劃。為什么人類對(duì)取樣返回這么重視呢？特別是已經(jīng)有了著陸探測(cè)，甚至對(duì)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(diǎn)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(cè)方式，是其他探測(cè)方式無(wú)法取代的。這種方式的重要意義概括起來(lái)有以下4個(gè)方面[1]。

1）一些深層次分析化驗(yàn)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(wú)法完成的，只有在地球的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行這項(xiàng)工作的程序已經(jīng)很完善，但要在地外天體上進(jìn)行這項(xiàng)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(duì)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(gè)關(guān)鍵的例子是薄切片的準(zhǔn)備，在做一些測(cè)試之前，需要把樣品切成薄片，但是，簡(jiǎn)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(wú)法送到火星或小行星。某些儀器不適合安裝在著陸器上，因?yàn)樗鼈兲?，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(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）就是一個(gè)例子。

3）探測(cè)儀器的多樣性。到目前為止，原位探測(cè)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(lái)的、甚至還沒(méi)有設(shè)計(jì)出來(lái)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(duì)遙感數(shù)據(jù)精確標(biāo)定。軌道器對(duì)天體表面的探測(cè)基本上都是采用遙感的方法。對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，需要進(jìn)行精確的標(biāo)定。這個(gè)標(biāo)定數(shù)據(jù)要求非常準(zhǔn)確。如果對(duì)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(cè)試，就可以大大提高遙感數(shù)據(jù)的精度。

取樣返回探測(cè)對(duì)樣品的要求是很高的，要滿足多項(xiàng)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(diǎn)具有一定的代表性，如月海地區(qū)、火山活動(dòng)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(duì)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(yáng)系的“老壽星”，一些小行星在太陽(yáng)系形成的初期就誕生了，因此，對(duì)小行星的深入研究，特別是對(duì)返回樣品的研究，可以幫助我們深入了解太陽(yáng)系的起源與演化。

對(duì)小行星取樣將遇到特殊的問(wèn)題。因?yàn)榇蠖鄶?shù)小行星的尺度小，自轉(zhuǎn)速度快，不適合整個(gè)航天器降落到表面，取樣過(guò)程一般都是短暫的，這就更需要對(duì)取樣方法進(jìn)行研究。

2 小行星取樣方法

近年來(lái)，國(guó)外對(duì)近地小行星（NEA）探測(cè)格外重視，繼日本成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)小行星取樣返回探測(cè)后，美國(guó)和歐洲航天局（ESA）也制定了近地小行星取樣返回探測(cè)計(jì)劃；我國(guó)的一些部門也在醞釀小行星探測(cè)計(jì)劃。面對(duì)小行星探測(cè)出現(xiàn)的興旺景象，國(guó)外有的學(xué)者甚至認(rèn)為，未來(lái)行星科學(xué)的研究將進(jìn)入小行星學(xué)時(shí)代。

小行星探測(cè)的重要方式是取樣返回，這種方式要重點(diǎn)解決如何將著陸器固定在小行星表面以及如何取樣的問(wèn)題。因?yàn)榕c大天體的探測(cè)相比，近地小行星探測(cè)有三個(gè)特殊的問(wèn)題：第一個(gè)問(wèn)題是NEA的引力很低，與在大天體上的著陸探測(cè)很不相同，一般不存在嚴(yán)重撞擊目標(biāo)天體的問(wèn)題，而往往是要注意著陸后的彈跳出逃問(wèn)題，因此，很多情況下需要考慮固定方法。第二是對(duì)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(jì)帶來(lái)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(duì)于這兩種情況，著陸的方式就很不同；而且往往是在探測(cè)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(jì)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(lái)自取樣操作的反作用。

近年來(lái)，國(guó)外對(duì)近地小行星取樣返回探測(cè)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(cè)器機(jī)動(dòng)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(shí)間內(nèi)取完樣品，然后推進(jìn)器加速，使探測(cè)器離開(kāi)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(kāi)表面前的解鎖過(guò)程。另外，當(dāng)探測(cè)器慣性下落時(shí)，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(jiān)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(shí)，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(cè)器開(kāi)始爬升，離開(kāi)小行星。日本的“隼鳥(niǎo)”探測(cè)器就是采用這種取樣方式，隼鳥(niǎo)－2探測(cè)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(méi)有風(fēng)化層的情況?；蛘哒f(shuō)，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(guò)程是：探測(cè)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(shí)，取樣器向小行星的風(fēng)化層吹高壓氮?dú)?，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(guó)發(fā)射的小行星取樣探測(cè)器“奧西里斯-雷克斯”就是采用的這種方式[2]。

“隼鳥(niǎo)”探測(cè)器的取樣方式

3）刷-輪取樣方法。刷-輪取樣器是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）所屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）研發(fā)的。它有兩三個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的刷子，當(dāng)取樣器與小行星表面接觸時(shí)，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(diǎn)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(gè)夾片由彈簧驅(qū)動(dòng)到達(dá)小行星表面，初始是張開(kāi)的，然后收攏，在大約0.1s的時(shí)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(diǎn)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(duì)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(shí)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(cè)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(guò)程

NEA表面固定方法[3]對(duì)著陸器固定的基本要求是能保證接下來(lái)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(shí)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(guò)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(diǎn)是利用現(xiàn)有技術(shù)，而且隨時(shí)都可以取消固定；缺點(diǎn)是消耗燃料，因此固定時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)。

2）魚(yú)叉。向小行星表面發(fā)射魚(yú)叉，將飛船拉向表面。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生大的固定力；缺點(diǎn)是對(duì)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的麻花鉆進(jìn)行鉆探，這樣可以抵消鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反作用力。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是固定力大，可以重復(fù)使用；缺點(diǎn)是要求有附加的硬件（鉆頭),對(duì)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(gè)支架，每個(gè)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(gè)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(shù)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(gè)粘著力，可以對(duì)接觸點(diǎn)加熱，粘著力減少，著陸器就可以離開(kāi)小行星表面。

6）釘子固定。當(dāng)著陸器接近小行星表面時(shí)，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(gè)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(gè)微機(jī)架陣可有幾十個(gè)或幾百個(gè)微機(jī)架，因此可承受更大的力。由于每個(gè)微機(jī)架有自己的懸掛結(jié)構(gòu)，它可以被拉長(zhǎng)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(gè)磁墊吸引含磁性的小行星表面。這種方法的優(yōu)點(diǎn)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(cè)要解決的基本技術(shù)，NASA在這方面開(kāi)展了細(xì)致的工作。

1）探測(cè)器懸停。在這種方式中，探測(cè)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(guò)系繩與探測(cè)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(cè)器，并保存好樣品。

2）快速取樣回收系統(tǒng)。美國(guó)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(cè)器上向小行星表面發(fā)射魚(yú)叉，并穿進(jìn)一定的深度。魚(yú)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(shí)受損。在魚(yú)叉穿進(jìn)小行星表面后，這個(gè)取樣器就開(kāi)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(gè)取樣過(guò)程的時(shí)間尺度是幾秒到幾分鐘，因此它也適合于緩慢移動(dòng)的科學(xué)平臺(tái)。

探測(cè)器在小行星表面上懸停

SAS點(diǎn)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。可根據(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(cè)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(shí)一般有三個(gè)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(jí)處理系統(tǒng)。由NASA研制的這種“土壤先進(jìn)月表系統(tǒng)運(yùn)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(diǎn)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(kāi)展這項(xiàng)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(huì)對(duì)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(duì)運(yùn)載火箭和軌道設(shè)計(jì)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(cè)方式相比，增加了取樣和在火星軌道交會(huì)對(duì)接的環(huán)節(jié)。

在對(duì)科學(xué)目標(biāo)論證的基礎(chǔ)上，許多研究團(tuán)隊(duì)也對(duì)取樣返回的具體實(shí)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(gè)取樣返回參考方案，是眾多方案的一種，其按時(shí)間順序給出了取樣返回的全過(guò)程，包括從地球發(fā)射運(yùn)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(cè)計(jì)劃，即“四步走”計(jì)劃。

采樣

取樣返回過(guò)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(cè)器已于2020年7月發(fā)射，計(jì)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(zhǎng)而多樣的地質(zhì)歷史時(shí)期的信息。火星車可四處活動(dòng)，完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)，鉆探小塊泥巖和其他巖石（這些巖石可能蘊(yùn)藏著古老生命的“蛛絲馬跡”），采集巖心樣本。

每個(gè)樣本將包含20g巖石和粗砂，存儲(chǔ)于約手電筒大小的管內(nèi)，NASA會(huì)將一些樣本管暫時(shí)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(jì)劃在2026年7月發(fā)射。熟悉火星探索的人可能會(huì)意識(shí)到，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)早于2026年10月開(kāi)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(shí)節(jié)，一年中最大的沙塵暴可能會(huì)對(duì)太陽(yáng)能回收著陸器和漫游車造成致命威脅。著陸器將采取一個(gè)不尋常的“到火星的長(zhǎng)期軌道”，發(fā)射后，著陸器將繞太陽(yáng)運(yùn)行1.5圈，于2028年8月到達(dá)，大約是火星北部春分的時(shí)候。在每年的這個(gè)時(shí)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?yáng)能供電，因此，在陽(yáng)光日益減弱的冬季到來(lái)之前，它只有6個(gè)月時(shí)間完成任務(wù)。為此，它每天需要前進(jìn)200m，并能自動(dòng)導(dǎo)航。

一旦采集到所有樣本，探測(cè)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(huì)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(huì)師”后，由NASA建造的機(jī)械裝置會(huì)將裝載樣本的球體放入一個(gè)密閉模塊中，隨后進(jìn)行密封并消毒，該模塊最后會(huì)被放置于一輛名為“地球進(jìn)入車”的盤(pán)形車內(nèi)，盤(pán)形車隨后會(huì)在減震器的保護(hù)下，在沒(méi)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(jì)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(gè)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(gè)隔離設(shè)施中，使其不受地球微生物等的污染。

存儲(chǔ)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(xiàng)非常重要的工作，不僅因?yàn)榉祷氐臉悠酚兄匾目茖W(xué)價(jià)值，更重要的是為載人探測(cè)火星打下基礎(chǔ)。目前對(duì)此項(xiàng)工作的研究還處于起步階段，有關(guān)國(guó)家的火星取樣計(jì)劃也不夠完備，需要做深入的研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(wàn)別，因此，即使對(duì)同一類天體，取樣的方式也多種多樣。我國(guó)在這方面的研究也僅僅是開(kāi)始，今后需要加大力度，結(jié)合小行星探測(cè)計(jì)劃以及火星取樣返回探測(cè)計(jì)劃，全面、深入地開(kāi)展地外天體取樣返回方法和技術(shù)的研究工作。