对行星进行取样返回有什么难点？为什么到目前为止一直采用原位分析？ 第1页

行星分为太阳系内行星和系外行星。一般来说，探测手段有遥测（比如天文观测）、飞临观测（比如轨道器进行观测）、原位分析、采样返回等，除了天文观测以外的后面几种一般都需要发射人造飞行器到近地空间以外的深空，因此一般也称为深空探测。

不幸的是，我们目前还没对系外行星进行过天文观测以外的探测活动（霍金的“摄星”计划倒是个让人激动的想法），而即便是对太阳系内的行星，包括大行星和小行星在内，进行的深空探测次数也不多，所以其实还并不能说“一直采用原位分析”。

从1961年，前苏联首次发射金星探测器开始，人类拉开了行星际航天器发射的序幕。到目前为止，探测了离地球最近的月球，对太阳系所有的大行星都进行了探测，探测了冥王星、谷神星这样的矮行星，还探测了为数众多的小行星。上述这些探测活动中，采样返回的只有月球（例如阿波罗，以及计划中的嫦娥五号）、近地小行星（日本隼鸟1号/2号、美国OSIRIS-REx）。如果原位探测特指着陆器探测表面及表面以下，或者探测大气层的话，那么其实有原位探测的活动都并不多。大行星中，只有金星和火星有着陆器，其他都只有飞临探测或者轨道器绕飞探测。

小结一下，采样返回的任务确实稀少。那么采样返回的任务到底难在哪里呢？

我认为，这里有任务和技术两个层面的难处。

首先是任务层面的难处。

采样返回的任务周期长、成本高、目标选取难、难立项。

大名鼎鼎的卡西尼－惠更斯任务，从1997年发射到2004年才进入土星轨道，到2005年才着陆泰坦，而如果要返回，那至少还要再过7、8年的时间。被评选为2014年十大科技成果的罗塞塔任务，从发射开始算，过了10年才进入目标天体67P轨道。如果要返回，那又要再过10年才能完成任务了。任务的周期一旦长到这种程度，且不谈带来的成本增加和技术困难，光从政策风险、财政风险、人事风险来说，就是相当困难的。

此外，参考我刚刚回答的另一个关于小行星探测的回答：

，选取探测目标要考虑投入产出比。要开展采样返回任务，需要对目标天体有更为详细的认识，而要获取这么多详细的认识，目标价值要高、要热门（例如火星）。具备这样条件的目标本来就不多。小天体中有趣的目标一定很多，但问题是我们对它们还缺乏了解。

最后，就是立项困难。成本高、周期长的任务，且不说如果立项之后实际开展的难度，立项本身就很困难。这里不再展开了。相信大伙儿一定围观了很多关于大对撞机的讨论吧。

其次，是技术层面的难处。

技术层面的难处，将要点概括起来说是：大个头的目标返回时再发射难度大；小个头的目标附着难、取样难。

展开来说，假设探测目标行星质量为M, 表面半径r, 轨道器质量, 上升器质量, 一开始轨道器和上升器一起到达距离行星中心R的轨道，然后上升器软着陆，采样，再上升回到轨道器所在的R高度轨道，与轨道器对接，然后一起加速离开。如果不考虑推进剂重量的变化，那么整个过程中，减速消耗的能量是，加速逃逸消耗的能量也是，所以总共消耗的能量是. 如果再进一步的假设行星密度（火星、地球、金星、月球密度接近，在3克每立方厘米到5克每立方厘米之间，略高与岩石的密度2克每立方厘米，后者是小行星的参考密度），再假设R略大于r（即）那么总能量. 可见，能量消耗随目标半径平方增加而增加（副产品：上升器和轨道器总重不变的前提下，上升器轻量化一些更能节省能量）。

小个头的目标，重力也弱。要采样，先要附着在目标表面。啥叫附着？通俗的说，就是把探测器和目标固定在一起，不要乱动。如果没有这一道工序，就无法采样。常见的采样方法，其实跟地质考察差不多，也是钻头、锤击等这些操作。如果不附着上，那么一钻头下去，可能探测器自己就旋转起来了；一锤子下去，探测器自己就弹飞了；因为重力太微弱呀。所以，微重力下的附着技术本身就是个研究热门。我不懂，感兴趣的同学可以自行查文献学习。

此外，目标表面的环境未知数太多，也面临困难。金星表面这种极端环境且先不说，就算是小天体的表面，也不那么容易。比如，就算我们有了各种在地球仿真环境测试好用的附着手段，但如果事先不知道目标表面是冰还是岩石，是松散结合的还是紧密结合的，哪里有沟，哪里有坑，是不是有磁场干扰仪器工作，就还是没办法开展工作。这就又回到了第一部分说的任务层面的困难。

所以，归根结底，采样返回任务的难点就一个：成本（经费、周期、机会等各种成本）。