如果有一個世界第一的機會放在你面前你不去珍惜，那簡直就是暴殄天物。

火星采樣返回被認為是繼阿波羅載人登月計劃之後最具挑戰的空間探測任務，需要突破一系列技術瓶頸，正如《我們選擇登月》演講中說的那樣，“我們決定在這十年間登上月球并實現更多夢想，并非它們輕而易舉，而正是因為它們困難重重。”，火星采樣返回任務同樣如此。

阿波羅11号飛船“鷹”号登月艙

高難度空間探測任務的實施不僅可以帶動一大批相關産業鍊的快速疊代升級，任務成功帶來的戰略影響同樣無與倫比。獲取火星樣本能夠加深對火星的認識，天體生物學預計也将獲得新的突破，這不僅有利于尋找地外生命，對于保護地球也有着特殊意義。

正因為上述需求，世界三大航天實體都在瞄準這一任務，NASA與歐空局正在聯合實施“火星樣本回送”計劃，我國按照“一步實現繞落巡，二步完成采樣回”的火星探測工程規劃，目前也已經着手火星采樣返回任務。

希望号探測器拍攝的火星

前年，與祝融号一道奔向火星的NASA“毅力号”任務可謂是先聲奪人，該火星車正是“火星樣本回送”計劃的首次發射，火星車搭載了采集火星樣本的機械臂、鑽取設備、樣本存儲裝置等設備，在執行巡視探測任務的同時，它将利用這些設備采集火星樣本，并将樣本容器放置在行進路線上。

毅力号火星車

毅力号火星樣本采集流程：

伸出采樣機械臂

鑽取樣本

将樣本管轉移至車體

樣本管轉移至車體底部容器中

毅力号火星車自然是沒有能力将樣本送返地球的，火星樣本回送計劃的重頭戲不是毅力号，而是原計劃在2025年與2026年發射的兩個航天器，分别是“地球返回軌道器”與“樣本取回着陸器”。

NASA牽頭研制的是“樣本取回着陸器”，該航天器并沒有火星采樣功能，其主要工作就是取回由毅力号火星車采集的火星樣本容器，并将其發射至環火星軌道。

“樣本取回着陸器”由火星進入艙、火星樣本運輸車、着陸器、上升器組成，原計劃2026年發射。進入艙與着陸器負責着陸火星，火星樣本運輸車負責收集運輸毅力号采集的樣本容器，并将其運輸至上升器，上升器負責攜帶樣本容器自火星表面發射起飛至火星軌道，而後由地球返回軌道器捕獲樣本容器。

樣本取回着陸器登陸火星構型（早期設計）

“地球返回軌道器”由歐空局牽頭研制，配置有返回器與軌道器，該探測器負責在火星軌道捕獲樣本容器，其中軌道器負責地火轉移與火地轉移，返回器可經受第二宇宙速度再入地球大氣的熱流燒蝕，其主要職責是将火星樣本帶回地球。

地球返回軌道器效果圖

值得一提的是，該返回器并沒有配置降落傘，主要依靠氣動減速，最終着陸緩沖靠的是“硬抗”（着陸在沙漠地區），隻要樣本容器不摔壞就能達成任務設定目标。

如果一切順利，NASA與歐空局将有望于2031年獲得火星樣本，這一時間點也是我們瞄準的獲取火星樣本的時間，而最新的動态表明前者已經失守2031年時間節點。

NASA主管科學的負責人澤布琛近日披露，NASA和歐空局已同意修改“火星樣本回送計劃”的進度與設計方案。

具體修改如下：

歐空局牽頭研制的“地球返回軌道器”發射計劃推遲兩年，至2027年發射；

NASA牽頭研制的“樣本取回着陸器”發射計劃推遲兩年，至2028年發射，同時該航天器進行拆分，由一次發射改為兩次發射，就是将上升器與樣本運輸車分開發射。

推遲發射的原因是多方面的，主要原因是研制進度跟不上，同時歐空局富蘭克林号火星車任務的屢屢推後也進一步幹擾了火星采樣返回任務的實施。

歐空局富蘭克林号火星車的推遲也在影響着火星樣本回送任務

改動最大的莫過于“樣本取回着陸器”一分為二，此舉主要是技術原因。原計劃一次發射方案中進入艙需要同時裝載“着陸上升組合體”還有一輛由歐空局研制的“樣本運輸車”，這樣一來進入艙規模就需要在毅力号任務使用的進入艙基礎上進一步放大，估測進入艙大底直徑将達到5.4米，比毅力号火星車使用的4.5米直徑進入艙規模更大，這就要求有更大包絡的運載火箭整流罩。

毅力号任務進入艙最大直徑約4.5米

火箭問題的難度倒是可以克服，最難的還是大載重火星着陸技術。因為5.4米直徑進入艙将改變此前經過驗證的4.5米直徑進入艙關于火星大氣進入、下降、着陸的一系列技術經驗，這将為任務的實施帶來不可預知的風險。

這種不可預知的風險在歐空局ExoMars2022火星探測項目中體現得淋漓盡緻，該探測器由于着陸規模超重，加上反推發動機推力有限，因此不得不在傘系減速階段使用兩套主傘方案，兩年前該探測器就曾因降落傘缺陷不得不推遲發射，即便後來缺陷問題得以解決，但事實上也增大了任務失敗的風險。

承載富蘭克林号火星車的進入艙傘系減速配置

樣本取回着陸器經過拆分之後，将使用兩枚火箭分别發射“着上組合體”與“樣本運輸車”，這樣一來二者可使用經過好奇号與毅力号驗證的火星着陸技術。

着陸器與上升器組合體效果圖

樣本運輸車着陸火星效果圖

樣本運輸車收集樣本容器效果圖

長期以來，有一部分人看到NASA一些新鮮玩意的時候總是發出一些諸如“外星科技”之類的奇怪感歎，殊不知人家實際上是通過不斷地打怪通關發展出來的，那些指望靠所謂的創新一口吃成大胖子的想法與客觀世界往往相去甚遠。

NASA半個世紀前發射的水手三号火星飛越探測器

在繼承中發展，在繼承中創新才是必由之路，而事實上NASA曆來就是如此，大洋彼岸當前火星表面着陸能力是1噸級，他們為了具備這一能力足足探索了近半個世紀，這其中包括火星環繞、火星着陸、火星表面巡視等一系列任務的曆練。由此更能體現天問一号一步實現繞落巡火星的難能可貴。

經過新一輪的任務設計修改之後，NASA與歐空局聯合實施的“火星樣本回送”任務從發射着上組合體以及火星樣本運輸車為時間起點計算，整個過程将耗時約5年時間，之所以耗時這麼長是因為其軌道器配置的軌控發動機是離子推力器，此類電推進系統通常有着大比沖優勢，所需工質少，可以大幅度壓縮探測器的整體規模，但耗時更長的缺點也是顯而易見。

NASA獲得火星樣本的時間不會早于2033年（圖為上升器釋放封裝樣本容器效果圖）

耗時5年就意味着他們獲取火星樣本的時間是2033年，機會曆來是留給有準備的人，這樣一來我們就将大概率成為世界第一個獲得火星樣本的國家。

我國後續将依次實施小行星采樣返回、火星采樣返回、木星系探測、太陽系邊際探測等深空探測任務，按照命名規則小行星采樣返回任務可能會命名為“天問二号”，然而在行星探測工程立項之前該任務已經被冠名為“鄭和号”，也就是說天問二号仍然可能是火星采樣返回的任務名稱，具體如何命名還得看之後的事态發展，這裡姑且将火星采樣返回任務暫定名為“天問二号”。

行星探測工程圖形标識

探月工程總師吳偉仁前不久就披露了火星采樣返回任務的實現時間，就是2030年以前。

如此表述存在兩種可能，一種可能是2030年前，以火星樣本抵達地球的時間節點計算，這就要求火星樣本采樣返回探測器最晚将于2026年發射；

另一種可能是以“火星樣本采樣返回探測器”的地球出發時間為節點計算，這就要求該探測器最晚将于2028年發射。如此一來火星樣本抵達地球的時間則是2031年，整個任務過程耗時約3年。

兩種可能比較現實的選擇是後者，而不論何種選項我們拿到火星樣本的時間都将早于NASA與歐空局聯合實施的“火星樣本回送計劃”。

我們的火星探測規劃：一步實現繞落巡，二步完成采樣回。

運載火箭的運力有多大，航天舞台就有多大，這一定律放在火星任務上同樣适用。正因為長征五号大推力運載火箭出色的高軌運力，才使得近5噸級的天問一号有條件完成一步實現繞落巡火星的工程目标，而火星采樣返回探測器的發射質量勢必将超越5噸級規模，不過這一次火箭運力問題将不再是核心瓶頸，因為我們可以有多種選擇。

發射天問一号火星探測器的長征五号遙四運載火箭

按照原計劃，天問二号将采用兩枚火箭發射方案，即長征五号火箭發射軌道器與返回器組合體，長征三号乙火箭發射着陸器與上升器組合體。

火星采樣返回任務兩次發射方案

如今又多出了兩種選擇，發射着陸器與上升器組合體的火箭可以選用高軌運力相較于長征三号乙更具優勢的長征七号甲運載火箭。

長征七号甲運載火箭

再就是可以基于921新一代載人運載火箭選擇單枚火箭發射方案，直接将着陸器與上升器組合體 軌道器與返回器組合體送入地火轉移軌道。該型火箭将于2026年左右具備載人飛行能力，也就是說至少在2026年前它就能夠實現首飛，完全能夠滿足2028年發射火星采樣返回探測器的時間要求，且載人火箭的高可靠與高安全性更有保障。

921新一代載人運載火箭效果圖

不過，就任務設計的便利性而言，選擇兩枚火箭發射方案更具優勢。單枚發射方案意味着更大規模的航天器組合體，在進行近火制動時需要消耗更多的推進劑，進一步增大了軌道器的負荷。

如果是兩枚火箭發射方案則不同，着陸器與上升器組合體隻需配置小規模地火轉移模塊，抵近火星後無需近火制動可直接實施火星登陸任務，利用火星大氣這個天然的減速場實施減速。軌道器與返回器組合體的規模可以限制在5噸級，同時再輔以大氣輔助變軌技術實施近火制動，推進劑消耗量将實現最小化，利于之後火地返回任務的實施。

天問二号任務時期我們将具備火星直接登陸能力

我國火星采樣返回任務與NASA/歐空局聯合實施的火星樣本回送計劃都是在一系列成熟貨架産品與技術基礎上進行适度創新。

負責地火轉移、火星環繞、火地轉移任務的軌道器可直接沿用天問一号軌道器設計。

天問一号軌道器

負責火星樣本回送地球任務的返回器可繼承嫦娥五号返回器設計，該型返回器具備經受第二宇宙速度再入地球大氣燒蝕的能力。

嫦娥五号返回器

負責着陸器與上升器組合體登陸火星的進入艙可在天問一号進入艙基礎上進行适應性修形，整體規模不會有大的變化，這樣一來降落傘、7500N變推力發動機、相控陣雷達敏感器、激光三維成像敏感器等設備都可直接繼承下來。

天問一号進入艙

至于火星表面采樣技術，經過嫦娥五号與嫦娥六号兩次月球采樣返回任務的曆練，我們的表取與鑽取設備能力将得到進一步穩步的提高。

在此基礎上火星采樣返回任務就剩下“火星表面起飛上升技術”與“環火軌道樣本容器捕獲與轉移技術”兩大難關，對于我們而言這兩大難關并非一片空白。

通過嫦娥五号任務我們已經掌握地外天體無人自動起飛技術，誠然，火星與月球相比有着更為複雜的大氣環境會幹擾火面起飛上升任務，但嫦娥五号上升器所應用的制導導航與控制技術同樣可以在火星任務中加以應用，隻需将火星大氣的這一變量因素加入進來。

火星采樣返回探測器

環火軌道樣本容器捕獲與轉移技術同樣可以在嫦娥五号任務中找到技術遺産，後者是目前人類唯一一次地外天體軌道無人交會對接紀錄保持者，即便是NASA目前也不具備此項能力。

火面上升器受限于有限的規模，的确難以像嫦娥五号上升器那樣配置較為完善的對接測量敏感器，在環火軌道交會對接任務中更依賴基于軌返組合體的主動捕獲能力，然而兩個航天器實施空間交會的自主導引技術與嫦娥五号相比仍有着諸多共通性。

天問一号一步實現繞落巡火星的背後是嫦娥探月工程的披荊斬棘，天問二号火星采樣返回任務更将是深空探測領域的集大成者，在此項任務完成之際，近地軌道天宮空間站早已進入常态化運營階段，月球之上一座由我們主導的月面科研站正在開展大規模集中建設，載人登月能力也将在這一時期具備，一幅橫跨地月系囊括地火系的深空探測圖景将呈現在世人面前，一系列重大任務的實施勢必将航天強國建設推向新的高峰。

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