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            地外星球采樣返回大戲紛呈

            來源:咸寧網 時間:2020-11-27 15:05
            伸出類似網球拍的“氣凝膠塵埃收集器”來收集彗星塵埃微粒的美國“星塵號”彗星探測器示意圖。
            在“2017年全國科技活動周”現場展出的“嫦娥五號”。
            蘇聯“月球16號”月球采樣返回探測器。
            日本“隼鳥2號”對龍宮小行星采樣前,先釋放了一顆目標標識器。

            近日,“長征五號遙五”運載火箭和“嫦娥5號”探測器在中國文昌航天發射場完成技術區總裝測試工作后,垂直轉運至發射區,計劃于11月下旬擇機實施發射,把2000克月球樣品運回地球,此舉世人矚目。

            2020年,全球不僅發射了3個火星探測器,掀起了火星探測的熱潮,還開展了多項地外星球采樣返回活動。

            這里我們就來聊聊有關地外星球采樣返回的那些事。

            1 地外星球采樣返回方式多樣

            目前,探測地外星球有三種常用方法:一是環繞探測,主要用于對地外星球進行綜合性普查;二是著陸和巡視探測,主要用于對地外星球進行區域性詳查;三是采樣返回探測,主要用于對地外星球進行區域性精查,即把采集到的地外星球樣品運回地球后,供科學家在實驗室里進行精細研究。

            這三種空間探測方式有明顯的遞進關系,每一步都是對前一步的深化,并為下一步奠定基礎,最終達到全面、深入了解地外星球的目的。當然,對于一些小天體的探測,也可以通過一次發射先后完成環繞探測和采樣返回探測兩項任務。

            顧名思義,采樣返回就是用具有采樣返回功能的空間探測器在地外星球采集樣品,然后把樣品帶回地球。采樣的方式目前五花八門,這是因為各個地外星球差異很大,所以需要采用不同的采樣返回方式。采樣并帶回地球的樣品也是多種多樣,可以是塵埃、顆粒、土壤和巖石等。

            目前,國外已對月球、彗星和小行星甚至太陽等進行了多次無人采樣返回探測,還利用“阿波羅”載人飛船對月球進行了有人采樣返回探測。

            2 月球采樣返回蘇聯捷足先登

            在無人月球采樣返回探測方面,蘇聯可以說是開路先鋒,這也許與蘇聯載人登月半途而廢有關,所以轉向用無人空間探測器采集月球樣品。

            1970年9月至1976年8月,蘇聯先后發射月球16號、20號和24號,開展了3次月球采樣返回任務,總共帶回326克月球樣品。

            1970年9月12日,蘇聯發射了世界第一個無人月球采樣返回探測器——“月球16號”。它高約4米,底部直徑約4米,重5.8噸,由下降級(又叫著陸器)和上升級(又叫上升器)組成。

            “月球16號”在月面軟著陸后,用自動鉆孔機采集月球樣品,然后把樣品封裝于返回艙內,接著上升級從月面起飛返回地球,最終返回艙于1970年9月24日在蘇聯境內著陸。它從月球豐饒海取回了一塊101克的小樣本。

            1972年2月14日發射的“月球20號”與“月球16號”基本相同,但由于遇上了玄武巖,它只從月球阿波羅尼厄斯高地采集到了55克月球樣品。

            “月球24號”于1976年8月18日在月球危海東南部軟著陸。其結構與月球16號、20號一樣,但它從2米深處挖取了月球巖,并總共從月球危海獲得了170克的樣品。

            3 美國地外星球采樣返回四處出擊

            不算“阿波羅”對月球進行的載人采樣返回活動,美國現已對彗星、太陽和小行星等地外星球進行了無人采樣返回探測。

            “星塵號”采集彗星塵埃微粒。1999年2月7日,美國發射了“星塵號”彗星探測器,主要任務是在2004年1月飛到“懷爾德2號”彗星,在穿過彗尾的過程中采集塵埃及氣體樣品,并在2年后送回地球。

            “星塵號”攜帶了返回艙、彗星與星際塵埃分析儀、塵埃撞擊監測儀和太陽能電池板及其保護裝置。其中返回艙內裝有“氣凝膠塵埃收集器”、相機等科學儀器。

            2004年1月2日,“星塵號”與“懷爾德2號”交會,遭到數百萬彗星微粒的撞擊。在此期間,“星塵號”伸出類似網球拍的“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。

            2006年1月15日,裝有彗星物質的返回艙通過降落傘著陸于美國猶他州鹽湖城東南160千米的沙漠上。

            “起源號”采集太陽風粒子。2001年8月8日,美國“起源號”太陽采樣返回探測器升空。2001年12月3日至2004年4月1日,該空間探測器在日地拉格朗日1點(L1)累計采樣850天,采集了10-20微克太陽風粒子。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。

            2004年9月8日,探測器的返回艙以11.04千米/秒的速度在125千米高度再入地球大氣層。返回艙在下降過程中,由于加速度計安裝錯誤,導致主降落傘沒能按程序打開,返回艙以32千米/小時的速度撞地而遭到損壞,所以只收回了部分太陽風粒子。

            “奧西里斯-雷克斯”采樣貝努小行星。2016年9月9日,美國首個小行星采樣返回探測器——“奧西里斯-雷克斯”升空,目標是對貝努小行星進行采樣返回探測。它于2018年8月抵達貝努,并在環繞貝努的軌道上展開了為期兩年的科學研究。2020年10月20日,該探測器使用采樣機械臂末端的采樣器采集了60克至2千克的貝努表面風化層樣品。

            “奧西里斯-雷克斯”將于2021年3月開始返回地球的旅程,計劃在2023年9月將采樣返回艙送回地球。

            4 小行星采樣返回日本首開先河

            2003年5月9日,日本發射了世界第一個小行星采樣返回探測器“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,觀測了糸川小行星表面情況,收集了其成分和地形數據。

            由于出現了一系列故障,導致“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在月球之外的原始小天體上著陸、取樣并攜帶其樣品返回地面的國家。目前已確認探測器在糸川小行星表面采集的樣品為1500粒。

            2014年12月4日,日本又發射了更先進的“隼鳥2號”小行星采樣返回探測器。它于2018年6月進入龍宮小行星軌道后,先對該小行星進行近距離詳細觀測。接著,向小行星表面投放跳躍式巡視器和小型著陸器,然后對小行星進行表面采樣。

            2019年2月,“隼鳥2號”首次在龍宮小行星表面采用“接觸即離”的撞擊式探測,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,發現了水合礦物質。

            2019年4月,“隼鳥2號”對另一個著陸點發射撞擊裝置(也可稱金屬彈)。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”對該小行星坑以“接觸即離”方式完成著陸,采集了多于10克的小行星內部樣品。

            2019年7月,“隼鳥2號”又以上述撞擊方式完成另一次采樣任務。這次撞擊形成了一個直徑約為15米的小行星坑。在目標標識器的引導下,“隼鳥2號”從人造小行星坑周邊采集了不少于10克的樣品。

            完成任務后,“隼鳥2號”于2019年11月飛離龍宮小行星。它將于2020年末返回地球,返回密封艙的著陸地點與“隼鳥”相同,仍為澳大利亞區域。

            5 中國“嫦娥5號”采樣重量將呈幾何級提高

            據歐陽自遠、葉培健、于登云等多名權威專家介紹,我國計劃在2020年底用“長征5號”火箭發射“嫦娥5號”無人月球采樣返回器。

            這是我國探月工程三期的主任務,由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個部分“串聯”組成,將先后經歷發射入軌、地月轉移、近月制動、環月飛行、月面下降、月面采樣、月面上升、交會對接、環月等待、月地轉移、軌道分離和再入回收等共12個飛行階段,最終在內蒙古四子王旗著陸,然后將約2000克月球樣品送至地面實驗室開展精細研究。

            如果順利,“嫦娥5號”將實現我國開展航天活動以來四個“首次”:首次在月面自動采樣;首次從月面起飛;首次在38萬千米外的月球軌道上進行無人交會對接;首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

            由于蘇聯當時沒有掌握月球軌道無人交會對接技術,所以其3次無人月球采樣任務采用的都是月面起飛直接返回地球方案,這樣其上升器需要克服返回艙與大量燃料死重,因此極大壓縮了采樣重量?!版隙?號”采用具有世界領先水平的月球軌道無人對接方案轉移月壤,上升器只需少量燃料,且沒有返回艙死重,因此采樣重量呈幾何級提高。

            我們熱切期盼“嫦娥5號”圓滿完成無人月球采樣返回任務。

            (咸寧日報綜合)



            編輯:但堂丹

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