無人火星采樣返回任務

2024年我國成功實現人類首次月球背面采樣返回任務，并宣布將天問三號無人火星采樣返回任務提前到大約2028年，從而有望領先實現人類首次火星采樣壯舉。

逐夢火星的難度及意義

火星是太陽系內最像地球的行星，有很多奧秘，被認為是人類探索和移居開發的重要目標，可能存在生命。據科學家推測，大約30億年前，火星很可能像地球那樣溫暖濕潤，有充裕的大氣和大面積的海洋、河流等水體。因此，遠古時代的火星可能像地球那樣孕育過生命。要想弄清楚火星為什么會惡化成而今荒蕪的不毛之地，當年有沒有生命甚至現在有沒有幸存的生命，未來如何更好地探索和開發火星，甚至地球的環境保護以及生物醫藥技術的研發等都必須通過獲取火星的新鮮樣本來完成。

人類當前的火星樣本，來自火星遭撞擊后飛濺到太空并有幸墜入地球的火星隕石。因為撞擊過程和受地球環境污染，導致其科學研究價值有限；而人類的火星探測器無法配備地面實驗室那樣復雜齊全的精密儀器，這就需要專門采集樣本帶回地球研究。

火星樣本非常有價值，但采集起來比月球要困難得多。眾所周知，火星比月球距離地球要遙遠得多，火星和地球最近時距離也比月球和地球的距離遠130倍以上，長時間遠距離的深空飛行對航天器的可靠性、通信測量控制等都有更高要求。和月球不同，火星有稠密的大氣，要想在火星著陸必須能承受和大氣摩擦產生的高溫，并以合理軌跡穿過火星大氣避免打水漂一樣彈開或者像流星一樣燒毀隕落。和地球不同，火星大氣相對稀薄，不能單純依靠降落傘著陸，還必須通過發動機減速緩沖才能軟著陸，這令其進入火星大氣并軟著陸的過程危險重重。倘若不考慮巡航級的情況，隔熱罩、降落傘、著陸器、減速推進劑等質量是其載荷的2.5倍到3倍甚至更多。

而更難的也是最關鍵是，從火星地表起飛入環火軌道，這相當于在外星球發射運載火箭。由于火星的引力比月球強得多，從月球表面起飛進入環月軌道大約需要2000米/秒的速度，而從火星表面起飛進入環火軌道則需要約5300米/秒，速度本身相差265%。根據火箭方程增加的推進劑以及其他因素（例如額外的推進劑儲箱、更強發動機等情況下）運送同等樣本，從火星比從月球起飛需要的上升器質量可能超過5倍。和月球采樣不同的是，出于行星保護和冷藏揮發物避免氣體泄漏等目的，用于火星的采集樣本容器更復雜更重。連帶讓上升器、著陸器都進一步增重，便需要更強的航天運輸能力。因為行星保護的嚴格標準特別是防止樣本里可能存在的地外微生物進入地球生物圈帶來的風險，火星樣本必須有P4級（最高級的）生物安全設施才能夠處理，這就需要專業建筑、設備及人員來確保安全。

由于上升器必須盡可能簡化減重，所以軌道機動和交會對接系統也可能比月球采樣時更弱一些。受限于光速導致無法實時通信測控，讓上升器和返回航天器在環火軌道上交會對接也更困難，需要航天器更智能、更自動化——自主交會對接并捕獲樣品容器、自動封裝進返回艙內。此外，其還要具備從火星返回地球的軌道機動能力，在接近地球投放樣本返回艙后會以第二宇宙速度沖進地球大氣層，速度比從月球返回更快、受熱更嚴峻。

無人火星采樣返回任務前瞻

那么，火星采樣返回將如何實現呢？據已知的公開消息，和一步到位的月球采樣返回不同，我國的火星采樣返回任務可能用長征五號大型運載火箭分兩次發射，一次是火星采樣著陸器及上升器可能還攜帶小型機器人和無人機以擴展采樣范圍，另一次則是返回飛船用來在環火軌道捕獲樣本容器并封裝進返回艙帶回地球。任務目標區域可能包括火星烏托邦平原、亞馬孫平原、克里斯平原。

國際上，馬斯克和NASA曾經提出過重型獵鷹運載火箭發射攜帶上升器的“紅龍”無人飛船進行火星采樣返回任務。當前，歐洲和美國也計劃開展聯合火星采樣返回任務。2020年發射的毅力號火星車就攜帶了采樣裝置和樣品封裝管，已經采集了部分樣品等后續采樣著陸上升器赴火星后交付發射并由另外的返回飛船帶回地球。

此外，值得一提的是火星采樣返回可能也是最先開發利用火星資源的行動。美國航空航天工程師羅伯特·祖布林在20世紀90年代針對火星采樣返回的昂貴和低效就提出了利用火星資源就地制造起飛返回推進劑的火星資源原位利用采樣返回技術。通過攜帶少量氫，在火星表面利用火星大氣中的二氧化碳，借助薩巴蒂爾反應等配合其他方式制造液態甲烷和液態氧。2020年發射的毅力號火星車攜帶的實驗裝置，便成功在火星表面電解了二氧化碳制造氧氣。這類利用火星資源的技術將大大降低火星采樣返回的成本，并且帶回更多樣本。當然，就未來載人火星探索而言，建立火星科考站也是必不可少的。

完成火星采樣返回任務后，要載人探索火星還有很多技術難題需要攻克，例如在遠離地球磁場保護并充滿粒子輻射的深空長期生存的健康保障、設備可靠性保障以及重載火星著陸（20噸以上）技術、火星核電技術、高性能大規模深空推進技術等保障。不管怎樣，火星采樣返回任務是人類探索開發宇宙承前啟后的重要一步，有助于為我們解答更多太空問題并可能給未來世界帶來新的變數。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com