嫦娥五號(hào)采樣大戲奏序曲 到外星去“挖土”，真人和機(jī)器誰更強(qiáng)
11月17日，長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭和嫦娥五號(hào)探測(cè)器已垂直轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)，國(guó)人期盼已久的月球采樣大戲已經(jīng)奏響序曲，即將揭開大幕。
據(jù)國(guó)家航天局介紹，嫦娥五號(hào)任務(wù)是中國(guó)探月工程第六次任務(wù)，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)月面自動(dòng)采樣返回，是我國(guó)航天領(lǐng)域迄今最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一。
國(guó)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?qǐng)?bào)記者進(jìn)行了介紹。
裝備越好宇航員采集樣品越豐厚
半個(gè)世紀(jì)前，美國(guó)通過阿波羅計(jì)劃，率先從月球帶回了共計(jì)381.7千克的月巖樣品。
1969年7月，阿波羅11號(hào)飛船降落在月球赤道附近的寧?kù)o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(jī)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(shí)32分鐘，累計(jì)行動(dòng)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(hào)和14號(hào)，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(shù)量也越來越多。到阿波羅15號(hào)任務(wù)時(shí)，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(xiàn)，讓登月宇航員的活動(dòng)范圍大大增加，阿波羅16號(hào)宇航員約翰·楊還飆出了時(shí)速11公里的月球紀(jì)錄，同時(shí)他們采集的樣品相比前幾次任務(wù)也成倍增長(zhǎng)。
在阿波羅17號(hào)飛船上，出現(xiàn)了一名特殊的宇航員，他就是整個(gè)阿波羅計(jì)劃中唯一一名地質(zhì)學(xué)家施密特。他的加入，將月球“挖土”事業(yè)推上了巔峰。如癡如狂的施密特帶著指令長(zhǎng)塞爾南奮力挖掘，3次月面活動(dòng)總計(jì)工作了22小時(shí)，帶回了總重111千克的741個(gè)樣本，其中包括一根深鉆3米取得的巖芯。
無人探測(cè)采樣活動(dòng)五花八門
作為登月競(jìng)賽中美國(guó)的對(duì)手，蘇聯(lián)由于載人登月計(jì)劃受挫，轉(zhuǎn)而開始了無人月球采樣的探索，并成為該技術(shù)途徑的先行者。利用月球16號(hào)、20號(hào)、24號(hào)探測(cè)器蘇聯(lián)共在月球采集到了300多克樣品。
隨著航天技術(shù)發(fā)展，人類探索的目標(biāo)不再局限于月球，開展了五花八門的無人外星“挖土”活動(dòng)。
1999年2月，美國(guó)發(fā)射了星塵號(hào)彗星探測(cè)器，主要任務(wù)是飛往懷爾德2號(hào)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(hào)與懷爾德2號(hào)交會(huì)，遭到數(shù)百萬彗星微粒的撞擊。其間，星塵號(hào)伸出一個(gè)類似網(wǎng)球拍的“氣凝膠塵埃收集器”，收集彗星的塵埃微粒。全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩介紹，這個(gè)全球獨(dú)一無二的“氣凝膠塵埃收集器”，由美籍華人科學(xué)家鄒哲設(shè)計(jì)。當(dāng)粒子撞上氣凝膠時(shí)，會(huì)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(xué)家再?gòu)闹袑ふ义缧菈m埃。
2001年8月，美國(guó)起源號(hào)探測(cè)器升空，飛行4個(gè)月后抵達(dá)日地拉格朗日1點(diǎn)，并在該位置工作850天，采集了10到20微克太陽風(fēng)粒子。
起源號(hào)上的收集設(shè)備非常純凈。龐之浩介紹，起源號(hào)看上去像一塊打開的腕表，采樣返回艙安裝在平臺(tái)頂部。采樣罐內(nèi)裝有太陽風(fēng)粒子采集器陣列和離子集中器，利用中心旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置展開采集器陣列。不過，2004年9月該探測(cè)器在返回下降過程中，由于加速度計(jì)安裝錯(cuò)誤，導(dǎo)致主降落傘沒能按程序打開，返回艙以每小時(shí)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(fēng)粒子。
這并非人類第一次嘗試獲取太陽樣本，實(shí)際上從阿波羅11號(hào)飛船開始，阿波羅計(jì)劃也開展了太陽風(fēng)成分實(shí)驗(yàn)。龐之浩說，阿波羅任務(wù)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(xué)家很難分辨采到的物質(zhì)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(gè)小行星采樣返回探測(cè)器隼鳥1號(hào)發(fā)射，于2005年9月飛抵糸川小行星20公里高度軌道。隼鳥1號(hào)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(wù)期間它出現(xiàn)故障，直到2010年6月才返回地球。雖然任務(wù)完成得一波三折，但它仍使日本成為全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)小行星采樣返回的國(guó)家，目前已確認(rèn)探測(cè)器在糸川小行星表面獲取了1500粒樣品。
2014年12月，日本發(fā)射了更先進(jìn)的隼鳥2號(hào)，對(duì)龍宮小行星進(jìn)行了探測(cè)。該探測(cè)器的采樣方式是先向小行星發(fā)射金屬?gòu)?，然后在撞擊坑處著陸，吸收飛濺碎片后迅速飛離。隼鳥2號(hào)先后實(shí)施了3次采樣，共采到20克以上樣品。其預(yù)計(jì)在2020年底將樣品送回地球。
最近的一次小行星采樣活動(dòng)，發(fā)生在今年10月20日——美國(guó)冥王號(hào)探測(cè)器使用采樣機(jī)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(fēng)化層樣品。該探測(cè)器計(jì)劃在2023年9月將采樣返回艙送回地球。
此外，美國(guó)還于今年7月30日發(fā)射了毅力號(hào)火星探測(cè)器，計(jì)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(hào)保存，在2031年美歐聯(lián)合實(shí)施的太空任務(wù)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(jì)劃采用有人采集方式，其余的均為無人采集。兩種方式孰優(yōu)孰劣？人與機(jī)器相比，“挖土”哪家強(qiáng)？
龐之浩表示，從采樣數(shù)量上看，有人采集無疑占優(yōu)。阿波羅計(jì)劃共帶回約380千克樣品，相比同時(shí)期蘇聯(lián)實(shí)施的無人采集任務(wù)，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(shí)驗(yàn)室里。
中國(guó)航天科工集團(tuán)二院研究員楊宇光認(rèn)為，有人采集更大的優(yōu)點(diǎn)，是可以在任務(wù)中隨機(jī)應(yīng)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(hào)任務(wù)中，施密特?fù)斓搅艘粔K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(xì)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(wù)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(lián)的“月球”系列無人采樣探測(cè)器重量不足6噸，我國(guó)嫦娥五號(hào)探測(cè)器重8噸多。同時(shí)，載人飛行任務(wù)對(duì)安全性、可靠性，以及生命保障系統(tǒng)等要求很高，這都直接影響著工程規(guī)模及成本。
龐之浩進(jìn)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(fā)射阿波羅飛船所用的土星五號(hào)火箭，造價(jià)高達(dá)5億美元。阿波羅計(jì)劃歷時(shí)11年，耗資255億美元，為實(shí)施該計(jì)劃，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）每年預(yù)算占到美國(guó)政府總預(yù)算的4.5%左右，平均每個(gè)美國(guó)家庭要負(fù)擔(dān)400多美元。
而無人采集不僅工程規(guī)模較小、成本較低，而且無需考慮生保、補(bǔ)給等問題，任務(wù)周期可達(dá)數(shù)年之久，探測(cè)距離也達(dá)到數(shù)億公里。楊宇光認(rèn)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(duì)于一些情況復(fù)雜、目的性較強(qiáng)的特殊任務(wù)，例如發(fā)現(xiàn)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(shí)間，也是值得的。
到更遠(yuǎn)的未來，如果人類在月球建立永久基地，產(chǎn)生了更多科學(xué)與工程上的需求，那么也需要宇航員長(zhǎng)期駐扎，開展更大范圍的考察活動(dòng)。