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到外星去“挖土”,真人和机器谁更强

时间:2020-11-20 15:39:54 来源:科技日报

11月17日,长征五号遥五运载火箭和嫦娥五号探测器已垂直转运至发射区,国人期盼已久的月球采样大戏已经奏响序曲,即将揭开大幕。

  据国家航天局介绍,嫦娥五号任务是中国探月工程第六次任务,计划实现月面自动采样返回,是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一。

  国际上开展过哪些外星“挖土”的尝试?有人采集和无人采集哪种方式更好?航天专家向科技日报记者进行了介绍。

  装备越好宇航员采集样品越丰厚

  半个世纪前,美国通过阿波罗计划,率先从月球带回了共计381.7千克的月岩样品。

  1969年7月,阿波罗11号飞船降落在月球赤道附近的宁静之海。完成人类首次登月壮举的宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林,用装在一根杆子顶端的采样袋采集土壤,并将装满的采样袋揣在“裤兜”里,又用铲子和带有机械爪的探杆拾取岩石。奥尔德林还抄起钻杆和锤子,取到了2根岩芯。二人在月球表面待了2小时32分钟,累计行动了约1公里,直到地面警告他们代谢率过高,才依依不舍地回到飞船上。这次,他们一共得到了21.55千克月球样品。

  阿波罗12号和14号,也降落在月球赤道上,宇航员采集样品的劲头越来越足,采回的数量也越来越多。到阿波罗15号任务时,宇航员的装备“鸟枪换炮”,携带了一辆由波音公司研制的月球车,宇航员艾尔文也成为首位在月球上开车的人。交通工具的出现,让登月宇航员的活动范围大大增加,阿波罗16号宇航员约翰·杨还飙出了时速11公里的月球纪录,同时他们采集的样品相比前几次任务也成倍增长。

  在阿波罗17号飞船上,出现了一名特殊的宇航员,他就是整个阿波罗计划中唯一一名地质学家施密特。他的加入,将月球“挖土”事业推上了巅峰。如痴如狂的施密特带着指令长塞尔南奋力挖掘,3次月面活动总计工作了22小时,带回了总重111千克的741个样本,其中包括一根深钻3米取得的岩芯。

  无人探测采样活动五花八门

  作为登月竞赛中美国的对手,苏联由于载人登月计划受挫,转而开始了无人月球采样的探索,并成为该技术途径的先行者。利用月球16号、20号、24号探测器苏联共在月球采集到了300多克样品。

  随着航天技术发展,人类探索的目标不再局限于月球,开展了五花八门的无人外星“挖土”活动。

  1999年2月,美国发射了星尘号彗星探测器,主要任务是飞往怀尔德2号彗星,在穿过彗尾过程中采集尘埃及气体样本,并送回地球。

  2004年1月2日,星尘号与怀尔德2号交会,遭到数百万彗星微粒的撞击。其间,星尘号伸出一个类似网球拍的“气凝胶尘埃收集器”,收集彗星的尘埃微粒。全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩介绍,这个全球独一无二的“气凝胶尘埃收集器”,由美籍华人科学家邹哲设计。当粒子撞上气凝胶时,会立即把自己“埋”在里面。采集工作完成后,收集器折叠收入羽毛球状返回舱,将样品贮存于容器中,返回地面后,科学家再从中寻找彗星尘埃。

  2001年8月,美国起源号探测器升空,飞行4个月后抵达日地拉格朗日1点,并在该位置工作850天,采集了10到20微克太阳风粒子。

  起源号上的收集设备非常纯净。庞之浩介绍,起源号看上去像一块打开的腕表,采样返回舱安装在平台顶部。采样罐内装有太阳风粒子采集器阵列和离子集中器,利用中心旋转机械装置展开采集器阵列。不过,2004年9月该探测器在返回下降过程中,由于加速度计安装错误,导致主降落伞没能按程序打开,返回舱以每小时32公里的速度撞到地面而遭到损坏,最终研究人员只收回了部分太阳风粒子。

  这并非人类第一次尝试获取太阳样本,实际上从阿波罗11号飞船开始,阿波罗计划也开展了太阳风成分实验。庞之浩说,阿波罗任务是利用飞船表面的一块锡箔,在地月空间收集太阳样本。不过,科学家很难分辨采到的物质究竟是来自太阳还是锡箔本身。

  2003年,日本率先开展了小行星采样尝试。是年5月,世界首个小行星采样返回探测器隼鸟1号发射,于2005年9月飞抵糸川小行星20公里高度轨道。隼鸟1号通过在小行星着陆、吸入飞溅粉尘的方式采集样品,不过任务期间它出现故障,直到2010年6月才返回地球。虽然任务完成得一波三折,但它仍使日本成为全球首个实现小行星采样返回的国家,目前已确认探测器在糸川小行星表面获取了1500粒样品。

  2014年12月,日本发射了更先进的隼鸟2号,对龙宫小行星进行了探测。该探测器的采样方式是先向小行星发射金属弹,然后在撞击坑处着陆,吸收飞溅碎片后迅速飞离。隼鸟2号先后实施了3次采样,共采到20克以上样品。其预计在2020年底将样品送回地球。

  最近的一次小行星采样活动,发生在今年10月20日——美国冥王号探测器使用采样机械臂末端的采样器,从贝努小行星表面采集了60克以上的风化层样品。该探测器计划在2023年9月将采样返回舱送回地球。

  此外,美国还于今年7月30日发射了毅力号火星探测器,计划让其探索火星杰泽罗陨坑并采集样品。这些样品将被毅力号保存,在2031年美欧联合实施的太空任务中带回地球。

  有人采集和无人采集各有千秋

  回顾人类的外星“挖土”史可以看出,除了阿波罗计划采用有人采集方式,其余的均为无人采集。两种方式孰优孰劣?人与机器相比,“挖土”哪家强?

  庞之浩表示,从采样数量上看,有人采集无疑占优。阿波罗计划共带回约380千克样品,相比同时期苏联实施的无人采集任务,样品重量超出上千倍。这些样品至今都没有研究完,大部分还封存在实验室里。

  中国航天科工集团二院研究员杨宇光认为,有人采集更大的优点,是可以在任务中随机应变,处置不同的情况。

  航天器的装载容量有限,所采集样品有多大意义,取决于其代表性和特殊性。杨宇光说,例如阿波罗17号任务中,施密特捡到了一块橙色月球岩石,极为特别。这样的稀有样品,只有靠宇航员仔细寻找才能得到,通过无人采样方式几乎不可能获取。

  然而,宇航员的参与,使得航天任务的难度和成本大大增加。

  杨宇光说,一艘阿波罗飞船重约45吨,而苏联的“月球”系列无人采样探测器重量不足6吨,我国嫦娥五号探测器重8吨多。同时,载人飞行任务对安全性、可靠性,以及生命保障系统等要求很高,这都直接影响着工程规模及成本。

  庞之浩进一步解释说,一艘阿波罗登月飞船比等重黄金贵十多倍,而发射阿波罗飞船所用的土星五号火箭,造价高达5亿美元。阿波罗计划历时11年,耗资255亿美元,为实施该计划,美国国家航空航天局(NASA)每年预算占到美国政府总预算的4.5%左右,平均每个美国家庭要负担400多美元。

  而无人采集不仅工程规模较小、成本较低,而且无需考虑生保、补给等问题,任务周期可达数年之久,探测距离也达到数亿公里。杨宇光认为,至少在未来十几年里,无人采集方式都将是外星“挖土”的主流。

  不过,有人采集也不是全无用武之地。杨宇光说,对于一些情况复杂、目的性较强的特殊任务,例如发现一颗很有意思的小行星,要去采集一些特别的样本,就要依靠人来完成了。这种情况下,付出多一些成本和时间,也是值得的。

  到更远的未来,如果人类在月球建立永久基地,产生了更多科学与工程上的需求,那么也需要宇航员长期驻扎,开展更大范围的考察活动。

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编辑: 刘坤媛
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