探月工程“繞、落、回”三步走實(shí)現(xiàn)圓滿成功，“嫦娥五號(hào)”已經(jīng)為我國(guó)帶回了月球樣品，我們不禁把目光投向了更遠(yuǎn)的太空，離我們真正看到“火星樣品”還有多遠(yuǎn)？

我國(guó)的火星取樣會(huì)在何時(shí)？

我國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)”于2020年7月23日發(fā)射，2021年2月進(jìn)入火星軌道，5月15日成功著陸火星，5月22日“祝融號(hào)”火星車安全駛離著陸平臺(tái)，到達(dá)火星表面，開(kāi)始巡視探測(cè)。目前，“祝融號(hào)”已行駛超過(guò)1000米，對(duì)火星表面形貌、構(gòu)造，物質(zhì)組分，磁場(chǎng)等開(kāi)展科學(xué)探測(cè)。

而我國(guó)的火星取樣返回任務(wù)計(jì)劃在2030年前后實(shí)施。

從火星采樣返回有多難？

與月球采樣返回相比，火星采樣返回對(duì)工程技術(shù)提出了更高的要求，相較于月球，除了火星距離地球更遠(yuǎn)導(dǎo)致的時(shí)延問(wèn)題，還包括火星與月球引力不同并且存在大氣層。

同開(kāi)展火星著陸探測(cè)時(shí)，進(jìn)入、下降和著陸（EDL）的“恐怖八分鐘”類似，在火星表面發(fā)射入軌和火星軌道交會(huì)對(duì)接同樣是任務(wù)最關(guān)鍵、最危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)之一。在擁有大氣的地外行星表面上實(shí)現(xiàn)火箭自主發(fā)射入軌和在深空行星軌道上實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的交會(huì)對(duì)接將成為新挑戰(zhàn)，要求航天器具備更高的自主性和可靠性。

俗話說(shuō)摸著石頭過(guò)河，我們來(lái)看看其他國(guó)家是怎么做的。

火星采樣返回的四個(gè)步驟

據(jù)美國(guó)《科學(xué)》雜志網(wǎng)站2019年11月22日?qǐng)?bào)道，由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）共同設(shè)計(jì)的“火星采樣返回”（Mars Sample Return，MSR）任務(wù)現(xiàn)已敲定：耗資70億美元，包括采集樣品、收集樣管、火軌交接、返回地球四個(gè)關(guān)鍵步驟，計(jì)劃從火星上采集約600克樣本送回地球。

MSR任務(wù)預(yù)計(jì)時(shí)間跨度逾十年，2020年和2026年分別實(shí)施1次和2次地球發(fā)射，2020年實(shí)施1次火星發(fā)射，2031年將返回地球。分別由“毅力”號(hào)火星車、樣品收集火星車、樣品返回著陸器、返回地球軌道器完成。

2020年7月發(fā)射成功的“毅力”號(hào)火星車，作為MSR任務(wù)的第一步，將完成采集樣品這一重大使命。隨后預(yù)計(jì)2026年前后，NASA將與ESA合作完成兩次發(fā)射，包括向火星發(fā)射攜帶樣品采集火星車的返回著陸器和返回地球軌道器。2028年實(shí)施1次火星發(fā)射，通過(guò)火星上升火箭將樣品入軌儲(chǔ)納球送入環(huán)火軌道與返回地球軌道器交接，預(yù)計(jì)2031年將火星樣品帶回地球。

NASA與ESA火星取樣返回任務(wù)概念圖（圖片來(lái)源：NASA）

MSR任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星采樣返回四個(gè)關(guān)鍵步驟包括：

采集樣品：“毅力”號(hào)攜帶了43根手電筒大小的樣品保存管，每個(gè)樣本將包含20克巖石和粗砂，其中5根作為參考管，以確定精心挑選的火星巖石和沙礫樣品沒(méi)有受到源于地球的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物污染。部分樣品管會(huì)存儲(chǔ)在“毅力”號(hào)中，部分緩存在精確標(biāo)注的火星表面以便于后續(xù)樣管收集任務(wù)的開(kāi)展。

收集樣管：NASA將發(fā)射樣品返回著陸器和樣品收集火星車在“毅力”號(hào)著陸點(diǎn)附近降落，通過(guò)樣品收集火星車將“毅力”號(hào)采集到的樣品裝載到入軌儲(chǔ)納球中，樣品收集過(guò)程預(yù)計(jì)用時(shí)6個(gè)月，最終通過(guò)上升火箭從火星表面發(fā)射至火星低空環(huán)繞軌道。

火軌交接：ESA研發(fā)的樣品返回軌道器屆時(shí)將降低軌道至合適高度，通過(guò)抓取和導(dǎo)入模塊將樣品轉(zhuǎn)移至保存模塊并對(duì)其進(jìn)行密封和消毒，確保火星樣品不會(huì)泄漏污染地球，同時(shí)也不會(huì)被地球污染。

返回地球：地球返回軌道器將在地火轉(zhuǎn)移窗口返回至地球，隨后其中的返回地球模塊將釋放地球再入器進(jìn)入地球大氣層硬著陸于預(yù)定的著陸區(qū)內(nèi)。

攜有樣品管的火星上升火箭發(fā)射概念圖（圖片來(lái)源：NASA）

誰(shuí)正在火星上采樣？

作為MSR“四步走”的第一步，2021年2月，耗資25億美元的“毅力”號(hào)火星車經(jīng)過(guò)7個(gè)月的太空飛行后成功著陸在耶澤羅隕石坑。耶澤羅隕石坑里有保存完好的遠(yuǎn)古河流三角洲的化石，該區(qū)域的巖石保存著關(guān)于火星漫長(zhǎng)而多樣的地質(zhì)歷史時(shí)期的信息。

“毅力”號(hào)共配置7臺(tái)有效載荷，分別為桅桿相機(jī)-Z、超級(jí)相機(jī)、X射線巖石化學(xué)行星儀器、“夏洛克”紫外光譜儀、火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)、火星環(huán)境動(dòng)態(tài)分析儀、火星亞表面雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)。

“毅力”號(hào)火星車有效載荷分布情況（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

“毅力”號(hào)的主要任務(wù)目標(biāo)之一是收集和儲(chǔ)存火星表面的樣本，這些樣本將包括巖芯、表土和大氣等。在采集樣本之前，“毅力”號(hào)使用鉆頭研磨接近預(yù)定取芯目標(biāo)的巖石表面上部幾毫米處。然后，將附近的科學(xué)載荷盡可能靠近裸露的巖石，開(kāi)展相關(guān)探測(cè)并收集數(shù)據(jù)。接下來(lái)，使用“毅力”號(hào)機(jī)械臂末端的旋轉(zhuǎn)沖擊鉆將火星表面的樣品鉆入超清潔樣品管，并進(jìn)行評(píng)估、成像和密封。

截至目前“毅力”號(hào)火星車已經(jīng)完成了7個(gè)樣管樣品的采集工作（包括5個(gè)樣品管、1個(gè)參考管和一個(gè)未采到樣本的樣品管）。

第一個(gè)收集到的是參考管，用于確認(rèn)采樣過(guò)程中沒(méi)有受到污染。第二根樣品管本想收集名為“Roubion”的巖石樣本，但由于鉆取過(guò)程中導(dǎo)致巖石破碎并未收集巖石樣本，取而代之的是這成為了“毅力”號(hào)采集到的第一個(gè)火星大氣樣本。第三根和第四根樣本是在一個(gè)名為“Rochette”的山脊頂部，采取這種成對(duì)采集的策略目的是為后續(xù)任務(wù)中提供將樣本返回地球的一種選擇。這個(gè)名為“Montdenier”和“Montagnac”成為“毅力”號(hào)在火星上最先采集到的兩個(gè)巖芯樣本。采用與上述采樣策略相同的策略在名為“Se?i?tah”區(qū)域的“Brac”處采集到了第五和第六個(gè)巖芯樣本。在2021年接近尾聲時(shí)，“毅力”號(hào)采集到了名為“Robine”的第五個(gè)巖芯樣本，這也是“毅力”號(hào)采集到的第七個(gè)樣品管。

2021年8月6日，“毅力”號(hào)火星車首次嘗試采樣。（圖片來(lái)源：NASA）

“毅力”號(hào)火星車采樣位置（包括一次參考管，六次樣品管）（圖片來(lái)源：NASA）

結(jié)語(yǔ)

目前火星研究仍受到火星車攜帶的分析儀器和探測(cè)手段等諸多限制，一些深層次分析工作只有在地球?qū)嶒?yàn)室才能進(jìn)行。因此，火星的探測(cè)未來(lái)十年的重點(diǎn)將會(huì)是采樣返回，這對(duì)于認(rèn)知類地行星起源和生命宜居性、奠定未來(lái)載人登火基礎(chǔ)具有重大意義。

偉大事業(yè)始于夢(mèng)想，基于創(chuàng)新，成于實(shí)干。我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器通過(guò)一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視三大目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)航天事業(yè)自主創(chuàng)新，跨越發(fā)展的標(biāo)志性成就。在不久的將來(lái)，中國(guó)也將實(shí)施火星取樣返回任務(wù)，這將前所未有地推進(jìn)和深化火星科學(xué)研究，有望取得重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)的新突破和新認(rèn)知。

（作者單位：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)總體部）

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