地外天体取样返回的方法

焦维新（北京大学地球与空间科学学院）
地外天体取样返回的方法
2020年，深空探测可谓热闹非凡。

中国的嫦娥五号从月球取样返回，日本的隼鸟－2探测器从小行星龙宫取样返回，美国的“奥西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）探测器也从贝努小行星上取得了样品，正在返回地球的途中。

许多国家正酝酿从火星取样返回的计划。

为什么人类对取样返回这么重视呢？特别是已经有了着陆探测，甚至对一些天体发射了巡视器，为什么还热衷于取样返回呢？本文将重点讨论取样返回的重要性，以及从小行星和火星表面取样返回的方法。

1 取样返回的必要性和意义
取样返回是一种非常重要的探测方式，是其他探测方式无法取代的。

这种方式的重要意义概括起来有以下4个方面[1]。

1）一些深层次分析化验任务需要做复杂的样品准备工作，而这些工作在地外天体表面是无法完成的，只有在地球的实验室才能进行。

例如，要确定样品的地质年代，要求在清洁的条件下先进行高纯度矿物分离，然后提取和浓缩微量元素，如：铷、锶和钐。

在地面实验室中进行这项工作的程序已经很完善，但要在地外天体上进行这项工作，条件还远远不具备。

有些研究需要将样品加热到高温（>1000℃），使用特殊的有机溶剂进行萃取，然后对萃取物进行化学分析，生成用于有机分析的衍生物；还有冷冻干燥法等。

另一个关键的例子是薄切片的准备，在做一些测试之前，需要把样品切成薄片，但是，简单的机器人系统不可能完成这样的工作。

2）有些高精尖仪器无法送到火星或小行星。

某些仪器不适合安装在着陆器上，因为它们太大，需要太多的能量，需要太多的维护，或者有复杂的操作程序（例如:加载、操作样本）。

计算机断层扫描（CT）就是一个例子。

3）探测仪器的多样性。

到目前为止，原位探测任务仅限于5～10种科学仪器。

然而，我们可以使用50～100种仪器分析返回的样品，包括未来的、甚至还没有设计出来的仪器。

这可以大大增强我们作出初步发现的能力。

4）对遥感数据精确标定。

轨道器对天体表面的探测基本上都是采用遥感的方法。

对遥感数据进行分析时，需要进行精确的标定。

这个标定数据要求非常准确。

如果对有代表性地区最关心物质的有关物理化学参数进行了准确测试，就可以大大提高遥感数据的精度。

取样返回探测对样品的要求是很高的，要满足多项条件才能达到预定的科学目标。

如在月球取样，要求取样点具有一定的代表性，如月海地区、火山活动区、高山地区、盆地底部等。

另外，不能仅从表面取样，还要从不同的深度取样。

对小行星取样，还要考虑不同类型的小行星。

小行星虽小，却是太阳系的“老寿星”，一些小行星在太阳系形成的初期就诞生了，因此，对小行星的深入研究，特别是对返回样品的研究，可以帮助我们深入了解太阳系的起源与演化。

对小行星取样将遇到特殊的问题。

因为大多数小行星的尺度小，自转速度快，不适合整个航天器降落到表面，取样过程一般都是短暂的，这就更需要对取样方法进行研究。

2 小行星取样方法
近年来，国外对近地小行星（NEA）探测格外重视，继日本成功实现了对小行星取样返回探测后，美国和欧洲航天局（ESA）也制定了近地小行星取样返回探测计划；我国的一些部门也在酝酿小行星探测计划。

面对小行星探测出现的兴旺景象，国外有的学者甚至认为，未来行星科学的研究将进入小行星学时代。

小行星探测的重要方式是取样返回，这种方式要重点解决如何将着陆器固定在小行星表面以及如何取样的问题。

因为与大天体的探测相比，近地小行星探测有三个特殊的问题：第一个问题是NEA的引力很低，与在大天体上的着陆探测很不相同，一般不存在严重撞击目标天体的问题，而往往是要注意着陆后的弹跳出逃问题，因此，很多情况下需要考虑固定方法。

第二是对NEA表面的地质、形态特征等情况了解甚少，这就给着陆器的设计带来很大的不确定性。

例如，有的小行星表面是岩石，有的有“土壤”层，对于这两种情况，着陆的方式就很不同；而且往往是在探测器抵近小行星后才能了解这些具体情况，因此，着陆器的设计要适应比较大范围的表面情况。

第三是由于小行星表面平坦的区域很小，着陆器难以着陆和停留，也难以支撑来自取样操作的反作用。

近年来，国外对近地小行星取样返回探测提出了一些新方法，主要有触及表面随即飞离、着陆固定后取样、短暂悬停随即飞离等。

触及表面随即飞离
在这种“接触即离”（TAG）方式中，探测器机动到距离小行星表面几米的高度，伸出取样器与表面接触，并在几秒钟的时间内取完样品，然后推进器加速，使探测器离开表面。

这种方式省去了在取样前的着陆和固定，以及取样后离开表面前的解锁过程。

另外，当探测器惯性下落时，TAG方式也提供了取样所需要的正常的接触力。

TAG方式有多种取样方法，因而适合多种小行星表面情况，如表面有风化层，或者表面坚硬的情况。

主要的取样方式包括：发射子弹后收集碎片、使表面碎片流体化、
“隼鸟”探测器的取样方式
板
板
“奥西里斯”探测器的大小 取样器工作示意图
刷-轮取样器（左图为两刷，右图为三刷）双夹片取样器操作过程
这种方式操作的时间一般不受限制，取样系统也可以比较复杂，因此可以完成更复杂的任务。

NEA表面固定方法[3]对着陆器固定的基本要求是能保证接下来的取样工作顺利进行。

在有些情况下，还要求根据需要随时解锁，以便使着陆器飞离小行星表面。

常用的着陆固定方法有以下8种：
1）推进器。

通过使用推进器，将飞船推向小行星的表面。

这种方式的优点是利用现有技术，而且随时都可以取消固定；缺点是消耗燃料，因此固定时间不会太长。

2）鱼叉。

向小行星表面发射鱼叉，将飞船拉向
6）钉子固定。

射钉枪向表面发射钉子，达到固定的目的。

7）微机架固定。

的尖钩和弹性弯曲结构组成；一个微机架阵可有几十个或几百个微机架，因此可承受更大的力。

由于每个微机架有自己的悬挂结构，它可以被拉长或压缩，能找到岩石上粗糙不平之处以便抓住。

8）磁力固定。

表面。

这种方法的优点是不需要穿进表面；但不适用于非磁性天体。

探测器在小行星表面上悬停
SAS 点火与回收序列
多种方式取样方法
3）就位水提取系统。

这种系统的功能是在小行星及彗星表面就位提取水，操作时一般有三个步骤：挖掘含冰的风化层、从风化层中提取水、抛弃碎屑。

因此，（a）点火前的SAS （d）点火后的SAS 内部（e）取样芯回收后的SAS
（c）点火后的SAS
（b）点火前的SAS 内部
3 火星取样方法[4]
火星取样返回在技术上也是相当复杂的，需要
在开展这项工作之前逐一攻破。

这些技术包括样品的提取和密封技术、从火星表面上升技术、在火星轨道交会对接技术、从火星返回地球的技术，等。

人类虽然已从月球、小行星和彗星取样返回，但还尚未从火SAS 点火与回收序列用于火星土壤取样的机器人
对取样返回的具体实施方案进行了细致的研究。

火星探索工作组提出了一个取样返回参考方案，是众多方案的一种，其按时间顺序给出了取样返回的全过程，包括从地球发射运载火箭，到着陆火星，提取样品，然后返回地球。

2019年，NASA 和ESA 提出了联合火星取样返取样返回过程框图
取样返回参考方案
有保存完好的远古河流三角洲的化石，该区域的岩石保存着关于火星漫长而多样的地质历史时期的信息。

火星车可四处活动，完成科学实验，钻探小块泥岩和其他岩石（这些岩石可能蕴藏着古老生命的“蛛丝马迹”），采集岩心样本。

随后，返回火箭将装满样本的容器发射到距离火星表面300km
道器“会师”。

地球返回轨道器跟随着陆器一起到达火星，目的是抓取进入火星轨道的样本。

存储样品的容器甲板上的火箭起飞示意图地球返回轨道器火星样品返回组件NASA与ESA合作的火星取样返回任务。