如何从行星土壤上采集样本并返回？
2017/6/6 17:44:17 中国科普博览
本文转载自国家空间科学中心(ID:nssc1958)
如何从行星土壤上采样并返回？
上周六，国家空间科学中心的空少为大家留出上面这个航天问题，想要查看原问题背景介绍的朋友们可以点击《如何从行星土壤上采样并返回？》~下面就让我们一起来看看空少的解答吧!
空少正解
答：如果说行星登陆是航天技术上的一顶皇冠，那么采样返回就是这个皇冠上最耀眼的明珠。
最初人们了解行星是通过地面观测获得直观印象，著名科学家伽利略就曾借助自制的44 厘米望远镜首次对月亮进行了科学观测，并绘制了第一张月球表面的素描图，从此开启了人类历史正式对地球以外星球的观测。
随着航天技术的发展，人类不但能够把卫星送上天，还能飞到行星的周围进行飞掠观测，例如早期对火星、木星、土星的探测都是飞到它们的身边留下惊鸿一瞥。
但要想真正了解行星的特性还得对它进行长期全方位的观测，“环绕它”就是个不错的方法，这也就促使了诸如“探路者”号火星探测器、“卡西尼”号土星探测器、“先驱者”号金星探测器和“朱诺”号木星探测器等一系列行星环绕专属探测器的诞生。
即便这样，也满足不了人类对太阳系和宇宙的好奇心，只有亲临现场才能获得第一手珍贵资料，自此，针对各类星体的登陆器如雨后春笋般不断从地球出发向深空挺近，就像人类派遣的“太空使者”一样络绎不绝。
目前为止，人类探测最多的地外星体当属地球的好伴侣—月球，从1958年开始，人类进行了130多次的月球之旅，除了发射绕月飞行的无人轨道探测器和登陆器外，人类还第一次完成了地外星球的采样并返回。
在此期间，人类第一次登上了月球并成功返回，从此拉开了人类探索太空的新序幕。通过无人采样返回人们可以获得来自目标星球的珍贵土壤样品，这些样品对于科研人员来说比黄金还贵重，没有什么比来自实地的样品更能了解和如此近距离地接触一颗星球。
目前，人类已经成功对月球、“糸川”小行星和“维尔特二号”彗星进行过采样并返回，但是针对不同的星球表面特性，采样的方法却是不一样的。
以月球为例，月球表面样品分为月壤(直径小于1厘米)和月岩，在月面取样任务中，主要采取与地面相同的两种方法，机械臂采样和钻取法采样。
但由于月球引力只有地球的六分之一，所以钻取法并不是什么月岩都能钻的，一不小心就可能飞上天。
“阿波罗”月球车采用了两种方法进行取样，而“月球”16号探测器只采用了钻取法，但是收获颇丰，共钻取了101克样品返回地球。据悉“嫦娥”五号将同时搭载以上两种取样设备，利用钻取法获得月面以下深度的样品，同时利用机械臂收集月球表面覆盖的月壤。
对于小行星和彗星来说，通常采用接触式取样的方法。简单来说，就是让样品飞一会儿，然后进入取样器。“星尘”号彗星探测器就利用飞越彗星的时候，借助气溶胶收集器被动接受彗星及其彗尾的成分完成样品采集，这个取样器是个多孔机构，采集面积累计可达到1平方米。
2016年发射成功的“奥利西斯”号小行星探测器将开启对“贝努”小行星的采样返回任务，预计2019年“奥利西斯”号与目标小行星—“贝努”相遇，环绕505天后，对其进行全球成像观测，之后采取一种“接触即离”的采样方式获取至少60g的样品，并于2023年返回地球。
这种采样方式继承了“星尘”号技术，被认为是未来小行星探测的主要方式，无可挑剔!它是怎么做到的呢？
“接触即离”式采样设备由两个主要部件构成，取样头和转轴相连的定位臂。取样头用于获得样品，当取样头与小行星表面接触时，机械臂通过弹簧的压缩来缓冲撞击。弹簧支撑头贴在“贝努”表面，同时释放采样气体(氮气)，气流扰动小行星表面的尘埃，使其跟随气体流入机械臂头部的样品隔间并收入样品采集器中。
采集完毕后，采样机械臂和头部分离，机械臂回到探测器的另一侧，而其头部则被放入样品返回舱一同返回地球。(完整过程如下图所示)
月球上采样完成了，该如何返回呢？
主要步骤就是着陆的逆过程，返回器从月面起飞，到达预定的绕月轨道，与之前在此轨道“等候”的轨道舱进行对接。为了准确入轨完成对接必须进行大量复杂的轨道计算，并根据上升器不断变化地状态参数来进行飞行轨迹的调整。
远在38万千米以外的这个对接动作可比近地轨道的交会对接复杂得多。目前掌握返回技术的国家并不多，可以称得上是航天技术之冠了。
“无人采样并返回”这项皇冠技术能帮助人类真正实现太空探索的互通互联，将以往一去不复返的悲壮旅程变成对地外星球的友好访问。
无人采样返回的探测方式好处大大滴，但是要求极高，难度极大。他不仅要求能够准确在目标星球软着陆，还要求能够成功在星球表面获得样品并返回，而如今一个又一个勇士成功地完成了采样返回任务，为我们积累大量技术和经验，相信未来太空频繁地交流不会离我们太远。我们也祝愿即将执行采样返回任务的“嫦娥”五号一切顺利!
留言区·精选
@歌者
应该分为这几部分：着陆舱，返回上升段和样本酬载舱，如果燃料够可以直接用返回上升段加速至登陆行星低轨后回地球，实在不够可以先上升对接一个轨道驻留器后抛弃上升段再返回地球
@ 水蛇?
用钻石钻头(比较软的话用钢钻)钻孔并放入返回仓，然后起飞，再自动对接并飞回地球在用充气热盾返回。
@ 春子弄墨
是不是应该，根据被指定采样的行星以往探测的结果，先行锁定目标样品，尽可能已知目标样品的指标，其中大小指标尤为重要吧。然后，就取决于采样方式的选择是机器手采集还是人着陆时采集，目标样品巨大的话就非的机器手来采，比较小的适当，就在有人着陆时直接收集。
@ 雷神
先着陆，有机器人进行采集样品，再放到能返回的飞行器，然后返回地球
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