除了嫦娥五號，還有哪些探測器從太空采樣返回？

北京時間2020年12月17日凌晨，去去就回的嫦娥五號歷時23天，順利從月球挖土而歸。

而就在11天前的12月6日清晨，日本JAXA的隼鳥2號探測器歷經(jīng)6年的跋涉，將來自小行星“龍宮”的樣品送回了地球。

主動前往太空采回樣品，在人類歷史上還不多見。短短半個月里兩份來自太空的“土特產(chǎn)”，這無疑是2020這個坎坷之年回饋人類智慧和堅韌的一份大禮。

除了帶回星際塵埃和太陽風(fēng)粒子，在人類短短六十多年的深空探測史上，迄今為止只完成過9次月球采樣返回，1次彗星采樣返回和2次小行星采樣返回。每一次，都伴隨著未知、艱險和挑戰(zhàn)，每一次，都是載入史冊的壯舉。

Part.1

先驅(qū)者阿波羅和月球號

1969年7月20日，NASA阿波羅11號登月艙帶著兩名宇航員——尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林——成功踏上月球正面的靜海基地。

這不僅是人類首次載人登陸月球，也讓月球成為了人類目前為止唯一親身探測過的地外天體。

奧爾德林走下梯子，阿姆斯特朗拍攝 |AS11-40-5866

在總計2.5個小時的月面出艙活動時間里，兩位宇航員完成了三次月面采樣，共采集了21.6公斤月球巖石和土壤樣本并帶回地球。

阿波羅11號月球樣品匯總。

數(shù)據(jù)來源：NASA，整理：haibaraemily

如今的我們依然會驚嘆，人類的第一次太空采樣居然就有如此“高規(guī)格”，不僅真人出馬，而且?guī)资锏赝貛ж洝苯泻髞碇徊闪藥资松踔翈缀量说臒o人采樣任務(wù)哭暈在廁所。

美國國家航空航天博物館&NASA

阿波羅11號第三次樣本采集（Documented Sample）▼

（左）奧爾德林用直徑2厘米的巖管采集了2管深達(dá)月表以下13厘米的巖芯樣本；

（右）阿波羅11號使用的采樣管長這樣（紅色箭頭） | NASA

阿姆斯特朗第三次采集的月面樣本示例 | NASA

此后的阿波羅12、14、15、16、17號均成功實現(xiàn)了載人登月、月球巖石和土壤采樣和返回，而且一次比一次采得多。

風(fēng)格逐漸大膽.jpg

到了1972年的阿波羅17號就更加彪悍了，這次任務(wù)的宇航員們不僅在月面艙外活動了22個小時，采回了110.5公斤月球樣品（均為史上之最），更夸張的是，這次任務(wù)是直接把活的地質(zhì)學(xué)家送上了月球。

阿波羅17號的登月宇航員之一，哈里森·施密特，在成為NASA宇航員之前是根正苗紅的地質(zhì)學(xué)家，有地質(zhì)學(xué)本碩博學(xué)位。地質(zhì)學(xué)家的實地考察和采樣，讓阿波羅任務(wù)真正實現(xiàn)了哪里有科學(xué)價值挖哪里，把專業(yè)挖土做到了極致。事實上，哈里森·施密特也是登上月球的12名宇航員中唯一一名科學(xué)家。

除了采集樣品，阿波羅載人任務(wù)還充分利用真人優(yōu)勢，在月球表面完成了包括地震實驗、熱流探測、重力儀和激光反射陣列安裝等一系列直到今天都無法超越的月球?qū)嵉靥綔y。這個和本篇關(guān)系不大，就不多說了。

六次阿波羅載人登月著陸點和當(dāng)時著陸留下的各種設(shè)備

阿波羅11號登月一年后，姍姍來遲的蘇聯(lián)月球16號才于1970年9月20日著陸在月球正面的豐富海，并采集了101克月球樣品帶回。蘇聯(lián)的三次月球采樣任務(wù)：月球16號、月球20號、月球24號均為無人采樣返回，這也是嫦娥五號之前人類唯三的無人月球采樣任務(wù)。

受限于火箭運力和返回方式（阿波羅返回時采用交會對接，而月球號則是上升器從月面起飛后直接返回），三次月球號任務(wù)采回的樣品都只有幾十到一百多克，相比于阿波羅任務(wù)實在不算多。

月球20號和24號鉆取采集的樣品示例。

三次采樣分別帶回了101克、55克和170克月球樣品

| NASA/Meyer [3]

阿波羅和月球任務(wù)采回的樣品被接下來四十多年里的行星科學(xué)家們孜孜不倦地鉆研至今，幫助人們揭開了諸多月球謎題。但遺憾的是，隨著阿波羅載人登月的成功，美蘇太空競賽迅速進(jìn)入了尾聲，月球采樣熱潮在鼎盛時期戛然而止——1976年蘇聯(lián)的月球24號任務(wù)之后，月球采樣沉寂了整整44年。

Part.2

重啟月球采樣的嫦娥五號

四十年后，讓人類探測器重返月球的，是不斷崛起的中國力量。

2013年，嫦娥三號成功著陸月球正面的雨海西北部，并釋放月球車玉兔號。這是繼美國的阿波羅號和蘇聯(lián)的月球號任務(wù)的37年之后，人類探測器再一次成功踏上月球表面。之后的2019年，嫦娥四號更是實現(xiàn)了人類探測器首次踏上月球背面的壯舉。

2013年12月15日，嫦娥三號著陸器的地形地貌相機

和月球車玉兔的全景相機完成兩器互拍

|中國探月工程

僅僅一年之后，破繭重生的長征五號火箭帶著嫦娥五號挑戰(zhàn)了更高難度——月球采樣返回。

2020年11月24日凌晨出發(fā)，2020年12月17日凌晨返回，中國迄今為止最復(fù)雜的探月任務(wù)嫦娥五號，滿分完成了前往月球-月面采樣-月面起飛-月軌對接-返回地球等一系列復(fù)雜操作，實現(xiàn)了諸多中國深空探測史上的“第一次”。

嫦娥五號順利著陸在月球正面風(fēng)暴洋北部的呂姆克山（Mons Rümker）一帶，采集到了至少2公斤月球樣品。這是迄今為止的月球無人采樣返回任務(wù)里采回的最多樣品量，把第二名遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在了身后。

之前那版你們說橙色晃眼，換了個顏色…

而在嫦娥五號之后，中國的嫦娥六號還會前往月球南極采樣，抵達(dá)更多前輩探測器未曾到達(dá)過的月面，完成更多前輩探測器不曾完成過的壯舉。

Part.3

“捕捉”彗星的星塵號

相比于“近在咫尺”的月球，前往彗星和小行星的采樣之路注定更加充滿意外和艱險。但人類不曾停下探索未知的腳步。

1999年2月7日，NASA的星塵號探測器發(fā)射升空，它的目標(biāo)之一，是采集彗星維爾德2號（81P/Wild）彗發(fā)中的塵埃以及星際塵埃樣品并帶回地球。

這是一顆公里級大小的彗星，每6.4年環(huán)繞太陽一周。相比于之后人類試圖采樣的幾顆小天體，彗星維爾德2號算得上是龐然大物了。

塵埃那么小的東西要如何采集，更何況還是彗星的塵埃？尚無任何前輩經(jīng)驗可以照搬的星塵號只能極盡巧思，自力更生。

星塵號使用二氧化硅氣凝膠（aerogel）材質(zhì)制作了一個網(wǎng)球拍大小的收集裝置，這種材質(zhì)質(zhì)地像海綿那樣疏松多孔，99.8%的空間都被空氣填充，因此密度極低，雖然是固體，卻極其輕盈。當(dāng)探測器從彗星彗發(fā)飛過時，星塵號就迎面展開這個收集裝置，溫柔無損地把被氣凝膠攔住的塵埃收集起來。這種用氣凝膠收集粒子的方式曾于1996-1997年間在和平號空間站上試驗過，后來NASA的起源號探測器也用類似的方式（但不是用的氣凝膠這種材質(zhì)）收集過太陽風(fēng)粒子。

星塵號捕獲塵埃的氣凝膠收集裝置 | NASA

2003年12月31日，星塵號進(jìn)入彗星維爾德2號的彗發(fā)，成功“截胡”下了一點塵埃。

2006年1月15日，星塵號的返回艙回到地球。

星塵號共帶回了約100萬顆塵埃顆粒，總計質(zhì)量約1毫克[4]。

星塵號收集樣品的氣凝膠切片中采集到的彗星塵埃（箭頭處）| NASA

盡管帶回的“土特產(chǎn)”不多，但星塵號為人類首次帶回了彗星塵埃的樣品，直到今天依然是獨一份。

Part.4

歷經(jīng)坎坷的隼鳥號

2003年，JAXA的隼鳥號探測器發(fā)射升空，目標(biāo)是前往近地小行星絲川（Itokawa）展開探測并帶回樣品。

小行星絲川是一顆阿波羅型近地小行星，光譜成分分類屬于S型（巖質(zhì)），大小約535 米× 294米 × 209米，每1.5年環(huán)繞太陽一周。

隼鳥號的旅程并不順利，還沒飛到目標(biāo)就已經(jīng)故障不斷，抵達(dá)小行星絲川后釋放著陸器和著陸采樣也沒能按預(yù)期進(jìn)行，燃料泄露、滿身傷病，甚至長期陷入失聯(lián)和瀕死狀態(tài)…但它還是頑強克服了種種艱難和困境，在2010年6月奇跡般地將來自絲川的樣品送回了地球。

對于這類直徑不足1公里的小型小行星，采集樣品又有新的難題。絕大多數(shù)小行星自己不會噴發(fā)“土特產(chǎn)”，不允許探測器像星塵號那樣不接觸表面就能完成采樣；小天體自身的引力也太小，探測器很難穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)匕踩懚环磸?fù)彈跳；另一方面，前往小行星的探測器相比于月球和火星探測器也通常輕小得多，不具備在小行星上著陸再起飛的條件。

隼鳥號首次嘗試了“接觸即離開”（Touch and Go）的方式：探測器受控降落直到采樣桿觸碰到小天體表面，在接觸的幾秒鐘里完成采樣，然后蜻蜓點水一般點火起飛離開。

一旦探測器檢測到底部長長的采樣桿接觸到了小行星表面，就即刻從采樣桿中以300米/秒的速度發(fā)射出一枚鉭質(zhì)子彈，子彈撞出的碎屑被彈射入采樣桿中，經(jīng)過多次反射探測器所收集。

隼鳥號的采樣桿接觸小行星表面示意

和隼鳥號設(shè)計的小行星采樣方式 | JAXA [5]

盡管隼鳥號的采樣工作沒能順利開展，但這種“接觸即離開”的采樣方式本身還是得到了認(rèn)可，被后來的JAXA隼鳥2號和NASA的冥王號探測器所沿用。而且幸運的是，隼鳥號返回艙里還是帶回了一些采樣過程中飛入的小行星塵埃顆粒。

隼鳥號共采回約1500顆塵埃樣品，總質(zhì)量不到1毫克。雖然重量不多，部分樣品也存在被污染的可能性[5]，但依然為行星科學(xué)家們提供了許多來自小行星絲川的“一手”信息。（量多量少，都有科學(xué)價值?。?/p>

隼鳥號帶回的一顆絲川顆粒上，

科學(xué)家們用掃描電鏡和透射電鏡發(fā)現(xiàn)了

多達(dá)15個亞微米級直徑的撞擊坑 |JAXA

更重要的是，作為人類首次小行星采樣的嘗試，隼鳥號的“不死鳥”精神，至今仍在鼓舞著后人繼續(xù)探索宇宙。

Part.5

隼鳥2號和冥王號

而在星塵號和隼鳥號這兩次小天體采樣的經(jīng)驗之下，JAXA和NASA在十多年后相繼再次開始了前往小天體采樣的嘗試，隼鳥2號和冥王號（奧斯里斯號，OSIRIS-REx）橫空出世。

這一次，它們都瞄準(zhǔn)了近地小行星小行星——同為C類（碳質(zhì)）小行星的“龍宮”和“貝努”。

更令人欣慰的是，這一次，兩個探測器都非常順利，也都采回了遠(yuǎn)多于上一次的樣品。

沿用了隼鳥號的鉭質(zhì)子彈采樣法，隼鳥2號在2019年里完成了兩次采樣，分別采集了來自小行星龍宮表面和地下兩種樣品。

隼鳥2號計劃采回100毫克小行星龍宮樣品，但實際“開箱”稱重結(jié)果顯示共采回了5.4克，是計劃采樣量的50多倍，而且可能采集到了小行星龍宮的氣體物質(zhì)。

另一邊，NASA的冥王號也已在2020年10月順利完成了樣品采集和封裝。在接觸采樣階段，冥王號選擇發(fā)射壓縮氮氣來激起小行星表面物質(zhì)，相比于“彈射子彈式”，這種“塵吸式”采樣或可采集到更多樣品。

冥王號采樣時采樣臂頭部工作示意圖 | NASA(動圖)

冥王號計劃采集60克-2公斤小行星貝努的樣品，如果一切順利的話，它將于2021年3月啟程，2023年9月24日將樣品送回地球。

冥王號和隼鳥2號的探測日程|University of Arizona

Part.6

更多太空采樣，未來可期

我國的首個小行星采樣和彗星探測任務(wù)也在緊密籌劃之中。它計劃2024年發(fā)射，環(huán)繞探測近地小行星2016HO3并采集樣品，然后送回地球。這顆小行星據(jù)估計直徑只有40-100米，這將是人類探測的個頭最小的小行星。

2016 HO3是一顆地球的準(zhǔn)衛(wèi)星，

不過它距離地球的平均距離比地月距離遠(yuǎn)得多

（始終距地球在地月距離的38-100倍之間），

并沒有真的被地球的引力所俘獲成為真正的衛(wèi)星 | DSI

作為我國首個小天體探測任務(wù)，這次任務(wù)絕對可以算得上是目標(biāo)遠(yuǎn)大。在完成對小行星2016HO3的近距離探測和采樣，把“土特產(chǎn)”快遞送回地球之后，它還會繼續(xù)前行，前往主帶彗星133P/Elst-Pizarro進(jìn)行近距離探測。

2002年9月7日，位于Mauna Kea的夏威夷大學(xué)2.2米口徑望遠(yuǎn)鏡拍攝的R波段

（波長0.65微米）影像中觀測到的主帶彗星133P/Elst-Pizarro。

圖幅0.5′×1.5′，總有效曝光時間1.1小時 | 參考文獻(xiàn)[6]

除了小行星采樣，火星采樣返回也在我國的深空探測規(guī)劃之中。另一邊，即將抵達(dá)火星的NASA的毅力號火星車，將在接下來的幾年里開始火星采樣和封裝工作。只不過，這些樣品在短期內(nèi)還無法回到地球——要等到將來的火星返回任務(wù)來回收和帶回。

Mars2020（毅力號）采樣返回的超時空接力，

(2)(3)(4)任務(wù)可以一次完成，也可以分期完成 |漢化自：Nature News

在隼鳥2號的巨大成功之后，JAXA則打算繼續(xù)發(fā)揮小天體探測的經(jīng)驗和優(yōu)勢，正在規(guī)劃中的火衛(wèi)一采樣返回任務(wù)MMX（火星衛(wèi)星探測任務(wù)），有望在2025年左右發(fā)射。

JAXA接下來的火衛(wèi)一采樣返回任務(wù)MMX | JAXA

隨著科技的發(fā)展，或許我們有生之年還能看到人類的探測器前往更遙遠(yuǎn)的地方，帶回更遠(yuǎn)星球的樣品也說不定呢。讓我們拭目以待吧~

原文標(biāo)題：除了嫦娥五號，還有哪些探測器從太空帶回過“土特產(chǎn)”？

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