到外星去“挖土”,真人和机器谁更强

  嫦娥五号采样大戏奏序曲
  到外星去“挖土”,真人和机器谁更强

  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。

嫦娥五号即将升空,中国要去月球“挖土”啦

  九天揽月星河阔,十六春秋绕落回。11月17日,被称为“胖五”的长征五号遥五运载火箭和嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场完成技术区总装测试工作后,垂直转运至发射区,计划于11月下旬择机实施发射。

图片来源:国家航天局

  本次嫦娥五号月球探测器计划首次实现从月球的采样返回,把月壤或月岩等宝贵样品带回地球,届时将有望为我国探月工程重大科技专项“绕、落、回”三步走发展战略画上一个圆满的句号。

  地月之间平均单程距离约为38万公里,走一个来回将近80万公里,月球样品中究竟有哪些奥秘值得我们如此费力去挖掘?回望历史,人类在去月球“挖土”这件事上取得过哪些成就?本次我国嫦娥五号任务从取样地点到采样重量上会有哪些特别之处呢?

  月壤虽是土,价值抵万金

  “月壤即月球的土壤,虽然在月球上唾手可得,但是对地球人来说却蕴藏着巨大的科学价值。”中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙说,月壤是研究月球的样本,由月球岩石在遭受陨石撞击、太阳风轰击和宇宙射线辐射等空间风化作用后形成,其中有大量的月球岩石碎块、矿物及陨石等物质。科学家通过研究这些月壤物质,既可以了解月球的地质演化历史,也可以为了解太阳活动等提供必要的信息。

  “探测月球有3种常用方法。”全国空间探测首席科学传播专家庞之浩告诉科技日报记者,一是环绕探测,主要用于对月球进行综合性普查;二是着陆和巡视探测,主要用于对月球进行区域性详查;三是采样返回探测,主要用于对月球进行区域性精查。相比前两种方法,采样返回探测,可以将月球的月壤等关键性样品运回地面实验室供科学家进行精准分析研究,有利于进一步了解月球的状态、温度、物质含量等重要信息,深化对月壤、月壳和月球形成演化的认识。

  庞之浩表示,从技术层面看,3种空间探测方式有明显的递进关系,每一步都是对前一步的深化,并同时为下一步奠定基础,最终达到全面、深入了解月球的目的。完成月球取样返回任务,需要经历一个全面、精细、深入的科学探测过程,可以突破一系列关键技术,并为今后载人登月和月球基地选址等提供有关数据、奠定技术基础。

  “挖土”有魅力,各国都很拼

  “冷战期间,当时的航天超级大国美国和苏联都很热衷于去月球采样。”庞之浩介绍,苏联月球16号探测器从月球丰饶海取回了一块101克的小样本。月球20号探测器和月球24号探测器则分别从阿波罗尼厄斯高地和月球危海采集到了55克与170克样品。

  “载人飞船从月球采样返回,不仅采集量大、选择性强,而且采集范围可以很广,因为航天员可以到舱外活动,还能乘月球车漫游到比较远的地方去采集月球样品。例如美国阿波罗系列任务采样位置的地理分布、地质特征就非常丰富。”庞之浩说。

  1969年7月至1972年12月,美国通过阿波罗11号到阿波罗17号载人飞船实施了7次载人登月任务,除了阿波罗13号因发生故障中途返回,其余6艘飞船皆完成登月,成功将12名航天员送上月球,共带回月壤和月岩样品约381.7千克。

  据介绍,阿波罗11号着陆在月球赤道附近的宁静之海,选择这个地点的原因是这里比较平坦,便于飞船降落和宇航员舱外活动。

  阿波罗12号与阿波罗14号均着陆在月球赤道平原上,前者着陆于风暴海,后者降落在位于距离阿波罗12号着陆地右侧177公里的哥白尼陨石坑。

  阿波罗15号着陆在月球北半球中部阿基米德陨石坑东南的亚平宁山脉脚下,而阿波罗16号则是人类第一次在月球赤道以南的中部高地西奥菲勒斯陨石坑附近着陆。

  阿波罗17号则在月球北半球的陶勒斯-利特罗山谷着陆,该地既可以从谷底采集较为年轻的岩石样本,也可以从月球高地采集较老的岩石样本。

  图片来源:视觉中国

  “通过对月球样品的分析,科学家们取得了丰硕的成果。”庞之浩说,科研人员通过研究发现,月壤中含有大量微小的橘红色玻璃形式颗粒,这些颗粒一般富含铝、硫和锌,它们是在月幔部分融化过程中,于月球表面下约300千米深处形成,因火山活动而喷出到月球表面。通过对样品的分析与实验证实,月壤和月岩中氧化铁的含量很高,从中可以制取水和氧,未来可利用月面物质支持月球基地的运行,并为登月飞行器补充燃料。更重要的是,科学家还在采集回来的样品中发现了核聚变的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗规模,月球上的氦-3用于核聚变发电后能够满足人类约1万年的能源需求。

  嫦娥有特色,选址位置新

  “我国嫦娥五号对月壤的采样能力更强。”庞之浩表示,苏联月球16号、月球20号和月球24号3个无人月球探测器进行了3次月球采样返回任务,带回的月球土壤样品仅约330克,而我国仅嫦娥五号1个探测器就计划带回2千克月球样品。

  据庞之浩介绍,采样重量会出现这么大的差别,是因为当时的苏联尚未掌握月球轨道无人交会对接技术,所以其3次无人月球采样任务采用的都是月面起飞直接返回地球方案,这样其上升器需要克服返回舱与大量燃料带来的巨大负重,因此极大压缩了采样重量。而嫦娥五号计划采用具有世界领先水平的月球轨道无人对接方案转移月壤,上升器不用搭载返回舱,只需少量燃料,因此采样重量呈几何级提高。

  另据相关报道,嫦娥五号的取样地址也很有特色,具有很高的研究价值。嫦娥五号将在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆,此地从未有其他国家的探测器到访过。风暴洋相对较年轻,富集铀、钍、钾等放射性元素,该地存在大约13亿至20亿年前的玄武岩,获得这些年轻玄武岩的同位素年龄,将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。

  正如11月5日国际顶尖科学期刊《自然》刊文所言,嫦娥五号可以填补科学家对月球火山活动研究的一个重要空白。此前对美、苏获取月壤样品的研究表明,月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰,然后减弱并停止。但对月球表面的观测发现,某些区域可能含有最近10至20亿年前才形成的火山熔岩,这与嫦娥五号着陆地区的年龄相仿。如果嫦娥五号采回的样本能够证实这段时间月球仍在活动,将改写月球的历史。(实习记者 于紫月)

嫦娥五号即将升空 “挖土”之旅或可改写月球历史

  嫦娥五号即将升空 “挖土”之旅或可改写月球历史

  九天揽月星河阔,十六春秋绕落回。11月17日,被称为“胖五”的长征五号遥五运载火箭和嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场完成技术区总装测试工作后,垂直转运至发射区,计划于11月下旬择机实施发射。

  本次嫦娥五号月球探测器计划首次实现从月球的采样返回,把月壤或月岩等宝贵样品带回地球,届时将有望为我国探月工程重大科技专项“绕、落、回”三步走发展战略画上一个圆满的句号。

  地月之间平均单程距离约为38万公里,走一个来回将近80万公里,月球样品中究竟有哪些奥秘值得我们如此费力去挖掘?回望历史,人类在去月球“挖土”这件事上取得过哪些成就?本次我国嫦娥五号任务从取样地点到采样重量上会有哪些特别之处呢?

  月壤虽是土,价值抵万金

  “月壤即月球的土壤,虽然在月球上唾手可得,但是对地球人来说却蕴藏着巨大的科学价值。”中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙说,月壤是研究月球的样本,由月球岩石在遭受陨石撞击、太阳风轰击和宇宙射线辐射等空间风化作用后形成,其中有大量的月球岩石碎块、矿物及陨石等物质。科学家通过研究这些月壤物质,既可以了解月球的地质演化历史,也可以为了解太阳活动等提供必要的信息。

  “探测月球有3种常用方法。”全国空间探测首席科学传播专家庞之浩告诉科技日报记者,一是环绕探测,主要用于对月球进行综合性普查;二是着陆和巡视探测,主要用于对月球进行区域性详查;三是采样返回探测,主要用于对月球进行区域性精查。相比前两种方法,采样返回探测,可以将月球的月壤等关键性样品运回地面实验室供科学家进行精准分析研究,有利于进一步了解月球的状态、温度、物质含量等重要信息,深化对月壤、月壳和月球形成演化的认识。

  庞之浩表示,从技术层面看,3种空间探测方式有明显的递进关系,每一步都是对前一步的深化,并同时为下一步奠定基础,最终达到全面、深入了解月球的目的。完成月球取样返回任务,需要经历一个全面、精细、深入的科学探测过程,可以突破一系列关键技术,并为今后载人登月和月球基地选址等提供有关数据、奠定技术基础。

  “挖土”有魅力,各国都很拼

  “冷战期间,当时的航天超级大国美国和苏联都很热衷于去月球采样。”庞之浩介绍,苏联月球16号探测器从月球丰饶海取回了一块101克的小样本。月球20号探测器和月球24号探测器则分别从阿波罗尼厄斯高地和月球危海采集到了55克与170克样品。

  “载人飞船从月球采样返回,不仅采集量大、选择性强,而且采集范围可以很广,因为航天员可以到舱外活动,还能乘月球车漫游到比较远的地方去采集月球样品。例如美国阿波罗系列任务采样位置的地理分布、地质特征就非常丰富。”庞之浩说。

  1969年7月至1972年12月,美国通过阿波罗11号到阿波罗17号载人飞船实施了7次载人登月任务,除了阿波罗13号因发生故障中途返回,其余6艘飞船皆完成登月,成功将12名航天员送上月球,共带回月壤和月岩样品约381.7千克。

  据介绍,阿波罗11号着陆在月球赤道附近的宁静之海,选择这个地点的原因是这里比较平坦,便于飞船降落和宇航员舱外活动。

  阿波罗12号与阿波罗14号均着陆在月球赤道平原上,前者着陆于风暴海,后者降落在位于距离阿波罗12号着陆地右侧177公里的哥白尼陨石坑。

  阿波罗15号着陆在月球北半球中部阿基米德陨石坑东南的亚平宁山脉脚下,而阿波罗16号则是人类第一次在月球赤道以南的中部高地西奥菲勒斯陨石坑附近着陆。

  阿波罗17号则在月球北半球的陶勒斯-利特罗山谷着陆,该地既可以从谷底采集较为年轻的岩石样本,也可以从月球高地采集较老的岩石样本。

  “通过对月球样品的分析,科学家们取得了丰硕的成果。”庞之浩说,科研人员通过研究发现,月壤中含有大量微小的橘红色玻璃形式颗粒,这些颗粒一般富含铝、硫和锌,它们是在月幔部分融化过程中,于月球表面下约300千米深处形成,因火山活动而喷出到月球表面。通过对样品的分析与实验证实,月壤和月岩中氧化铁的含量很高,从中可以制取水和氧,未来可利用月面物质支持月球基地的运行,并为登月飞行器补充燃料。更重要的是,科学家还在采集回来的样品中发现了核聚变的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗规模,月球上的氦-3用于核聚变发电后能够满足人类约1万年的能源需求。

  嫦娥有特色,选址位置新

  “我国嫦娥五号对月壤的采样能力更强。”庞之浩表示,苏联月球16号、月球20号和月球24号3个无人月球探测器进行了3次月球采样返回任务,带回的月球土壤样品仅约330克,而我国仅嫦娥五号1个探测器就计划带回2千克月球样品。

  据庞之浩介绍,采样重量会出现这么大的差别,是因为当时的苏联尚未掌握月球轨道无人交会对接技术,所以其3次无人月球采样任务采用的都是月面起飞直接返回地球方案,这样其上升器需要克服返回舱与大量燃料带来的巨大负重,因此极大压缩了采样重量。而嫦娥五号计划采用具有世界领先水平的月球轨道无人对接方案转移月壤,上升器不用搭载返回舱,只需少量燃料,因此采样重量呈几何级提高。

  另据相关报道,嫦娥五号的取样地址也很有特色,具有很高的研究价值。嫦娥五号将在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆,此地从未有其他国家的探测器到访过。风暴洋相对较年轻,富集铀、钍、钾等放射性元素,该地存在大约13亿至20亿年前的玄武岩,获得这些年轻玄武岩的同位素年龄,将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。

  正如11月5日国际顶尖科学期刊《自然》刊文所言,嫦娥五号可以填补科学家对月球火山活动研究的一个重要空白。此前对美、苏获取月壤样品的研究表明,月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰,然后减弱并停止。但对月球表面的观测发现,某些区域可能含有最近10至20亿年前才形成的火山熔岩,这与嫦娥五号着陆地区的年龄相仿。如果嫦娥五号采回的样本能够证实这段时间月球仍在活动,将改写月球的历史。