11月17日,長征五號遙五運載火箭和嫦娥五號探測器已垂直轉運至發射區,國人期盼已久的月球采樣大戲已經奏響序曲,即將揭開大幕。

  據國家航天局介紹,嫦娥五號任務是中國探月工程第六次任務,計劃實現月面自動采樣返回,是我國航天領域迄今最復雜、難度最大的任務之一。

  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行了介紹。

  裝備越好宇航員采集樣品越豐厚

  半個世紀前,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,采回的數量也越來越多。到阿波羅15號任務時,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,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公里的月球紀錄,同時他們采集的樣品相比前幾次任務也成倍增長。

  在阿波羅17號飛船上,出現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學家施密特。他的加入,將月球“挖土”事業推上了巔峰。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,蘇聯由于載人登月計劃受挫,轉而開始了無人月球采樣的探索,并成為該技術途徑的先行者。利用月球16號、20號、24號探測器蘇聯共在月球采集到了300多克樣品。

  隨著航天技術發展,人類探索的目標不再局限于月球,開展了五花八門的無人外星“挖土”活動。

  1999年2月,美國發射了星塵號彗星探測器,主要任務是飛往懷爾德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,遭到數百萬彗星微粒的撞擊。其間,星塵號伸出一個類似網球拍的“氣凝膠塵埃收集器”,收集彗星的塵埃微粒。全國空間探測技術首席科學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”,由美籍華人科學家鄒哲設計。當粒子撞上氣凝膠時,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微克太陽風粒子。

  起源號上的收集設備非常純凈。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。采樣罐內裝有太陽風粒子采集器陣列和離子集中器,利用中心旋轉機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成分實驗。龐之浩說,阿波羅任務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,科學家很難分辨采到的物質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,不過任務期間它出現故障,直到2010年6月才返回地球。雖然任務完成得一波三折,但它仍使日本成為全球首個實現小行星采樣返回的國家,目前已確認探測器在糸川小行星表面獲取了1500粒樣品。

  2014年12月,日本發射了更先進的隼鳥2號,對龍宮小行星進行了探測。該探測器的采樣方式是先向小行星發射金屬彈,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,發生在今年10月20日——美國冥王號探測器使用采樣機械臂末端的采樣器,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年美歐聯合實施的太空任務中帶回地球。

  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。兩種方式孰優孰劣?人與機器相比,“挖土”哪家強?

  龐之浩表示,從采樣數量上看,有人采集無疑占優。阿波羅計劃共帶回約380千克樣品,相比同時期蘇聯實施的無人采集任務,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。

  中國航天科工集團二院研究員楊宇光認為,有人采集更大的優點,是可以在任務中隨機應變,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號任務中,施密特撿到了一塊橙色月球巖石,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,載人飛行任務對安全性、可靠性,以及生命保障系統等要求很高,這都直接影響著工程規模及成本。

  龐之浩進一步解釋說,一艘阿波羅登月飛船比等重黃金貴十多倍,而發射阿波羅飛船所用的土星五號火箭,造價高達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)每年預算占到美國政府總預算的4.5%左右,平均每個美國家庭要負擔400多美元。

  而無人采集不僅工程規模較小、成本較低,而且無需考慮生保、補給等問題,任務周期可達數年之久,探測距離也達到數億公里。楊宇光認為,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,對于一些情況復雜、目的性較強的特殊任務,例如發現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。

  到更遠的未來,如果人類在月球建立永久基地,產生了更多科學與工程上的需求,那么也需要宇航員長期駐扎,開展更大范圍的考察活動。

  本報記者 付毅飛