昨日(11月17日)，“长征五号遥五”运载火箭和“嫦娥5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，把2000克月球样品运回地球，此举世人瞩目。
2020年，全球不仅发射了3个火星探测器，掀起了火星探测的热潮，还开展了多项地外星球采样返回活动。例如，日本“隼鸟2号”小行星采样返回探测器在完成了对龙宫小行星采样返回任务后，将于2020年年底返回地球;美国首个小行星采样返回探测器“奥西里斯-雷克斯”，也在2020年10月对贝努小行星进行了采样。
这里我们就来聊聊有关地外星球采样返回的那些事。
地外星球采样返回方式多样
目前，探测地外星球有三种常用方法：一是环绕探测，主要用于对地外星球进行综合性普查;二是着陆和巡视探测，主要用于对地外星球进行区域性详查;三是采样返回探测，主要用于对地外星球进行区域性精查，即把采集到的地外星球样品运回地球后，供科学家在实验室里进行精细研究。
这三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，并为下一步奠定基础，最终达到全面、深入了解地外星球的目的。当然，对于一些小天体的探测，也可以通过一次发射先后完成环绕探测和采样返回探测两项任务。
顾名思义，采样返回就是用具有采样返回功能的空间探测器在地外星球采集样品，然后把样品带回地球。采样的方式目前五花八门，这是因为各个地外星球差异很大，所以需要采用不同的采样返回方式。采样并带回地球的样品也是多种多样，可以是尘埃、颗粒、土壤和岩石等。
目前，国外已对月球、彗星和小行星甚至太阳等进行了多次无人采样返回探测，还利用“阿波罗”载人飞船对月球进行了有人采样返回探测。比如，苏联通过发射月球16号、20号和24号，对月球进行了采样返回探测。美国用“起源号”“星尘号”和“奥西里斯-雷克斯”分别对太阳、彗星和小行星进行了无人采样返回。日本的“隼鸟”“隼鸟2号”在小行星采样返回方面做出了成就。
月球采样返回苏联捷足先登
在无人月球采样返回探测方面，苏联可以说是开路先锋，这也许与苏联载人登月半途而废有关，所以转向用无人空间探测器采集月球样品。
1970年9月至1976年8月，苏联先后发射月球16号、20号和24号，开展了3次月球采样返回任务，总共带回326克月球样品。
1970年9月12日，苏联发射了世界第一个无人月球采样返回探测器——“月球16号”。它高约4米，底部直径约4米，重5.8吨，由下降级(又叫着陆器)和上升级(又叫上升器)组成。
位于探测器下部的下降级，装有无线电高度表、修正轨道的游标发动机、减速和着陆的制动发动机、推进剂箱、月球样品采集装置、电源系统、热控系统、通信系统、导航与控制系统、可伸缩的缓冲着陆架等，并且是上升级的发射平台。
用于把装有月球样品的返回舱送回地球的上升级由球形返回舱、柱形仪器舱(包括导航设备和化学电池)和液体推进舱三部分组成。顶部为降落伞和下降天线，返回舱的下部是电池和信号发射装置，中部是装有钻管和月壤的样品舱。
“月球16号”在月面软着陆后，用自动钻孔机采集月球样品，然后把样品封装于返回舱内，接着上升级从月面起飞返回地球，最终返回舱于1970年9月24日在苏联境内着陆。它从月球丰饶海取回了一块101克的小样本。
1972年2月14日发射的“月球20号”与“月球16号”基本相同，但由于遇上了玄武岩，它只从月球阿波罗尼厄斯高地采集到了55克月球样品。
“月球24号”于1976年8月18日在月球危海东南部软着陆。其结构与月球16号、20号一样，但它从2米深处挖取了月球岩，并总共从月球危海获得了170克的样品。
美国地外星球采样返回四处出击
不算“阿波罗”对月球进行的载人采样返回活动，美国现已对彗星、太阳和小行星等地外星球进行了无人采样返回探测。
“星尘号”采集彗星尘埃微粒。1999年2月7日，美国发射了“星尘号”彗星探测器，主要任务是在2004年1月飞到“怀尔德2号”彗星，在穿过彗尾的过程中采集尘埃及气体样品，并在2年后送回地球。
“星尘号”携带了返回舱、彗星与星际尘埃分析仪、尘埃撞击监测仪和太阳能电池板及其保护装置。其中返回舱内装有“气凝胶尘埃收集器”、相机等科学仪器。
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。在此期间，“星尘号”伸出类似网球拍的“气凝胶尘埃收集器”来收集彗星的尘埃微粒。然后折叠收入返回舱，贮存于容器中。
全球独一无二的“气凝胶尘埃收集器”是由当时65岁的美籍华人科学家邹哲设计的，当粒子撞上气凝胶时，会立即把自己“埋”在里面。返回地面后再寻找这些彗星的尘埃微粒。
2006年1月15日，装有彗星物质的返回舱通过降落伞着陆于美国犹他州盐湖城东南160千米的沙漠上。
“起源号”采集太阳风粒子。2001年8月8日，美国“起源号”太阳采样返回探测器升空。2001年12月3日至2004年4月1日，该空间探测器在日地拉格朗日1点(L1)累计采样850天，采集了10-20微克太阳风粒子。
这是继“阿波罗”登月飞船后人类第二次将太阳的样本带回地球。当时“阿波罗”飞船在地球和月球间飞行时采集到了太阳样本。但由于受到技术的限制，使用的采集器是飞船表面的一块锡箔。锡箔上的杂质使研究者难以分辨样本究竟来自太阳还是锡箔本身。
“起源号”上的收集设备特别纯净。“起源号”外形看上去像一块打开的腕表。采样返回舱安装在平台的顶部。返回舱包括热防护罩、后壳、采样罐、降落伞系统和电子设备。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来展开采集器阵列。
2004年9月8日，探测器的返回舱以11.04千米/秒的速度在125千米高度再入地球大气层。返回舱在下降过程中，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32千米/小时的速度撞地而遭到损坏，所以只收回了部分太阳风粒子。
“奥西里斯-雷克斯”采样贝努小行星。2016年9月9日，美国首个小行星采样返回探测器——“奥西里斯-雷克斯”升空，目标是对贝努小行星进行采样返回探测。它于2018年8月抵达贝努，并在环绕贝努的轨道上展开了为期两年的科学研究。2020年10月20日，该探测器使用采样机械臂末端的采样器采集了60克至2千克的贝努表面风化层样品。
这个探测器采用“接触即离”的方式进行采样，即探测器整体并不着陆，当探测器接近目标时伸出采样机械臂，其采样器与贝努表面只接触几秒钟就能完成采样，然后迅速飞离小行星。这种方式省去了采样前的着陆和固定以及采样后离开表面前的解锁过程。
“奥西里斯-雷克斯”将于2021年3月开始返回地球的旅程，计划在2023年9月将采样返回舱送回地球。
小行星采样返回日本首开先河
2003年5月9日，日本发射了世界第一个小行星采样返回探测器“隼鸟”。它于2005年9月中旬飞抵离糸川小行星20千米高的轨道，观测了糸川小行星表面情况，收集了其成分和地形数据。“隼鸟”是通过着陆产生的撞击，吸入飞溅起来的碎石;11月26日，“隼鸟”再次在糸川上着陆并完成采样。
由于出现了一系列故障，导致“隼鸟”于2010年6月13日才返回地球，但它使日本成为世界上首个在月球之外的原始小天体上着陆、取样并携带其样品返回地面的国家。目前已确认探测器在糸川小行星表面采集的样品为1500粒。
2014年12月4日，日本又发射了更先进的“隼鸟2号”小行星采样返回探测器。它于2018年6月进入龙宫小行星轨道后，先对该小行星进行近距离详细观测。接着，向小行星表面投放跳跃式巡视器和小型着陆器，然后对小行星进行表面采样。
2019年2月，“隼鸟2号”首次在龙宫小行星表面采用“接触即离”的撞击式探测，即探测器在安全地飞离龙宫小行星时，进行弹子弹射取样。其弹子质量3.5克，通过弹子弹射装置以300米/秒的速度撞击小行星表面，采样装置采集到了不少于3克从龙宫表面弹射起的飞溅碎片和粒子，发现了水合矿物质。
2019年4月，“隼鸟2号”对另一个着陆点发射撞击装置(也可称金属弹)。撞击装置是内部装满约9.5千克炸药的半球形圆锥结构体，引爆后生成坚硬、带尖头的铜金属块，以2千米/秒的速度撞击龙宫小行星表面，并形成直径约为10米的小行星坑。同年5月，“隼鸟2号”对该小行星坑以“接触即离”方式完成着陆，采集了多于10克的小行星内部样品。
2019年7月，“隼鸟2号”又以上述撞击方式完成另一次采样任务。这次撞击形成了一个直径约为15米的小行星坑。在目标标识器的引导下，“隼鸟2号”从人造小行星坑周边采集了不少于10克的样品。
完成任务后，“隼鸟2号”于2019年11月飞离龙宫小行星。它将于2020年末返回地球，返回密封舱的着陆地点与“隼鸟”相同，仍为澳大利亚区域。
中国“嫦娥5号”采样重量将呈几何级提高
据欧阳自远、叶培健、于登云等多名权威专家介绍，我国计划在2020年底用“长征5号”火箭发射“嫦娥5号”无人月球采样返回器。
这是我国探月工程三期的主任务，由上升器、着陆器、轨道器、返回器四个部分“串联”组成，将先后经历发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行、月面下降、月面采样、月面上升、交会对接、环月等待、月地转移、轨道分离和再入回收等共12个飞行阶段，最终在内蒙古四子王旗着陆，然后将约2000克月球样品送至地面实验室开展精细研究。
其大概过程是：“嫦娥5号”组合体进入月球轨道后将两两分离，轨道器-返回器(简称轨返)组合体留在轨道，着陆器-上升器(简称着上)组合体在月面上降落。着陆后，用着陆器上的电铲铲取月壤，用自动打钻钻取岩芯，采集的样品放在上升器的返回舱里，进行无污染严密封装;随后，上升器从月面起飞，与轨返组合体交会对接，把样品转移到返回器后上升器与轨返组合体分离;接着，轨返组合体踏上归途，在距地球一定高度处返回器从轨返组合体中分离;最终，返回器采用半弹道跳跃再入方式进入大气层，落至预定的着陆场。
如果顺利，“嫦娥5号”将实现我国开展航天活动以来四个“首次”：首次在月面自动采样;首次从月面起飞;首次在38万千米外的月球轨道上进行无人交会对接;首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。
由于苏联当时没有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死重，因此极大压缩了采样重量。“嫦娥5号”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，上升器只需少量燃料，且没有返回舱死重，因此采样重量呈几何级提高。
我们热切期盼“嫦娥5号”圆满完成无人月球采样返回任务。(作者为全国空间探测技术首席科学传播专家)
