什么是自动取样返回

实现自动取样返回，是地外天体探测的最高阶段，是进一步研究天体特性的重要手段。获取其他星球的样品是人类梦寐以求的事情，在历史上只有苏联成功实施了3次无人月球自动取样返回，共获得约300克月球样品。

月球自动取样返回探测，是指航天器自主在月面采集月壤及月球岩石的标本，妥善封存后，运送回地球，供科学家们进行进一步的分析化验，以获取更精细的科学成果。这种方式，比人类亲自登上月球进行探测要经济得多，风险小得多，同时又可以使科学家接触到第一现场，因此在人类对外星球的探测历史上占有极其重要的位置。自动取样返回的实现，还可以试验大量技术，为人类登月及安全返回奠定技术基础。

月球样品的自动取样返回，技术难点主要表现在以下几方面：

（1）为实现在月表取样，必须确保月表软着陆成功，同时采样探测器能在月面正常工作。因此月表软着陆是取样返回的必要基础。

（2）着陆后，着陆器或月球车上的科学仪器对着陆区进行探测。而采样探测器，对着陆点附近的月球样品进行选择分析，收集有价值的样品，因此，它需具备钻孔、就地分析、样品的抓取和收集等能力，并能将收集到的样品储存在样品保存容器中。

（3）返回舱中的样品保存容器获得样品后，上升舱将从月面起飞，最终将它送入再入轨道。上升舱在月面点火时，没有精确姿态的发射塔来保证发射状态，只能借助着陆器作为简易发射塔来实施月面起飞。但受月面地形条件等限制，着陆器所提供的起飞条件不一定完全满足最佳的发射要求。因此需要返回器具备一定的轨道和姿态修正能力，同时需要制导导航与控制系统、推进系统和测控通信系统来配合，才能进入正确的月地转移轨道和地球再入轨道，确保回收舱着陆地表的预定区域。

（4）在月地转移轨道，一般需根据飞行情况和测控条件，进行一定的中途轨道修正，以保证回收舱在飞越38万千米的距离后能正确再入地球大气层。

（5）回收舱再入地球大气层时的轨道、速度和姿态决定着地表着陆地点，在充分继承我国返回式卫星返回轨道设计与控制的基础上，还需考虑月球返回轨道的特点，并进行相应改进。我国可选择利用的着陆区域不是很大，因此必须提高落点的精度。

（6）回收舱在再入地球时，其再入速度可达到11千米/秒左右，比地球轨道返回卫星的再入速度大，因此再入时的最高温度将达到约10000℃。这对气动防热烧蚀材料的选择、气动外形的设计提出了更高要求。

（7）月壤样品的封装、标识、储存、防护等。月球上的岩石、月壤等样品是在月球的真空环境下存在的，而地球是一个有大气的环境。因此，对采集到的月球样品要进行很好的封装、储存和防护，一方面避免在返回过程中再入大气层时被气动热破坏，一方面避免样品与地球的空气接触，改变了其原有的物理特性。

自动取样器

为了实现在月面自动取样，需要可以适应月面环境的取样器。

苏联早期自动取样使用的是钻式取样器，钻取了月面下35厘米左右深处的月壤。其主要功能包括：

誗钻探月壤；

誗在不破坏层理的情况下形成月壤样品（不混合月壤层）；

誗把月壤样品装载到返回舱专门容器内，运回地球。

月壤取样装置外观如图7-1所示，其主要部件见图7-2。

月壤取样装置包括：钻头、带柔性取土器的柱形钻探器、把钻探器输送到工作面的机构、用于固定所有执行机构的承力桁架、把柔性取土器装载到返回舱舱内的机构、控制组件、执行机构工作参数检测传感器、星载电缆网等。

传动装置的钻头保证柱形钻探器的转动和冲击旋转运动，可钻探多石月壤和颗粒状岩石。

图7-1　苏联“月球24号”探测器的月壤取样装置外观

钻探器用于破坏岩石并且选取柱形样品。压碎土壤借助带有硬“牙”的两级钻头实现。钻探器的管壁上有专门的带子，它们能够从管外部拉伸到内腔并且随着钻探深度包住柱形月壤。在金属钻管出口处有外部软管（柔性取土器），包住岩石的带子拉伸到这里。柔性取土器用于装载月壤样品，目的是从钻探器取出月壤并装载到返回舱。

钻探器移动以及把它压紧到工作面借助传送机构进行（利用着陆部件重量），甚至可以在非常坚硬的岩石上采集月壤样本。

带有钻探设备的桁架从侧面固定在月球着陆器的三个点上。桁架的基础是两个导轨，带钻探器的钻头借助传送机构和绳索系统在导轨上向下运动。

随着钻探加深，钻探器获取的月壤逐渐进入钻探器内部的带子中，并保持层理不变。月壤通过带子进入上部的柔性取土器中，取土器缠绕到转载机构的滚筒上。钻探和缠绕结束后，连接滚筒与传动装置的锁定机构释放，将带有月壤的滚筒推入返回舱内。然后，爆炸螺栓解锁，抛射开传动机构，关闭并密封返回舱舱盖。为避免干扰上升舱起飞（图7-3），安装有其余机构的桁架倒向月面。

图7-2　苏联“月球24号”探测器使用的月壤取样装置主要部件图

“月球24号”的月壤取样装置钻探深度超过2米。取出高为整个深度、质量为170克的柱形月壤，并在不破坏层理的情况下运送回地球（图7-4）。

图7-3　苏联早期自动取样装置对月壤采样的主要操作图：①探测器着陆在月面，②钻探器接触月面，③钻探器开始探入取样，④月壤通过柔性取土器输送到滚筒，⑤带有取土器的滚筒送入返回舱，⑥返回舱在月面起飞准备返航

图7-4　“月球24号”取样装置工作图。中间大图为月面取样探测器全貌，其余诸图为：①钻探器压紧到工作面，②选取柱形样品并把它包装到柔性取土器，③从钻探器中取出取土器，④取土器缠绕到滚筒上

近年来，人们又研究了新型的地外天体表面取样装置（图7-5），它们比先前的设备更灵活、更精细，可以根据需要更好地获取样品。