無(wú)人火星采樣返回任務(wù)

2024年我國(guó)成功實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面采樣返回任務(wù)，并宣布將天問(wèn)三號(hào)無(wú)人火星采樣返回任務(wù)提前到大約2028年，從而有望領(lǐng)先實(shí)現(xiàn)人類首次火星采樣壯舉。

逐夢(mèng)火星的難度及意義

火星是太陽(yáng)系內(nèi)最像地球的行星，有很多奧秘，被認(rèn)為是人類探索和移居開發(fā)的重要目標(biāo)，可能存在生命。據(jù)科學(xué)家推測(cè)，大約30億年前，火星很可能像地球那樣溫暖濕潤(rùn)，有充裕的大氣和大面積的海洋、河流等水體。因此，遠(yuǎn)古時(shí)代的火星可能像地球那樣孕育過(guò)生命。要想弄清楚火星為什么會(huì)惡化成而今荒蕪的不毛之地，當(dāng)年有沒(méi)有生命甚至現(xiàn)在有沒(méi)有幸存的生命，未來(lái)如何更好地探索和開發(fā)火星，甚至地球的環(huán)境保護(hù)以及生物醫(yī)藥技術(shù)的研發(fā)等都必須通過(guò)獲取火星的新鮮樣本來(lái)完成。

人類當(dāng)前的火星樣本，來(lái)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?yàn)樽矒暨^(guò)程和受地球環(huán)境污染，導(dǎo)致其科學(xué)研究?jī)r(jià)值有限；而人類的火星探測(cè)器無(wú)法配備地面實(shí)驗(yàn)室那樣復(fù)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(jià)值，但采集起來(lái)比月球要困難得多。眾所周知，火星比月球距離地球要遙遠(yuǎn)得多，火星和地球最近時(shí)距離也比月球和地球的距離遠(yuǎn)130倍以上，長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離的深空飛行對(duì)航天器的可靠性、通信測(cè)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(chǎn)生的高溫，并以合理軌跡穿過(guò)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(duì)稀薄，不能單純依靠降落傘著陸，還必須通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)減速緩沖才能軟著陸，這令其進(jìn)入火星大氣并軟著陸的過(guò)程危險(xiǎn)重重。倘若不考慮巡航級(jí)的情況，隔熱罩、降落傘、著陸器、減速推進(jìn)劑等質(zhì)量是其載荷的2.5倍到3倍甚至更多。

而更難的也是最關(guān)鍵是，從火星地表起飛入環(huán)火軌道，這相當(dāng)于在外星球發(fā)射運(yùn)載火箭。由于火星的引力比月球強(qiáng)得多，從月球表面起飛進(jìn)入環(huán)月軌道大約需要2000米/秒的速度，而從火星表面起飛進(jìn)入環(huán)火軌道則需要約5300米/秒，速度本身相差265%。根據(jù)火箭方程增加的推進(jìn)劑以及其他因素（例如額外的推進(jìn)劑儲(chǔ)箱、更強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)等情況下）運(yùn)送同等樣本，從火星比從月球起飛需要的上升器質(zhì)量可能超過(guò)5倍。和月球采樣不同的是，出于行星保護(hù)和冷藏?fù)]發(fā)物避免氣體泄漏等目的，用于火星的采集樣本容器更復(fù)雜更重。連帶讓上升器、著陸器都進(jìn)一步增重，便需要更強(qiáng)的航天運(yùn)輸能力。因?yàn)樾行潜Ｗo(hù)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)特別是防止樣本里可能存在的地外微生物進(jìn)入地球生物圈帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，火星樣本必須有P4級(jí)（最高級(jí)的）生物安全設(shè)施才能夠處理，這就需要專業(yè)建筑、設(shè)備及人員來(lái)確保安全。

由于上升器必須盡可能簡(jiǎn)化減重，所以軌道機(jī)動(dòng)和交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)也可能比月球采樣時(shí)更弱一些。受限于光速導(dǎo)致無(wú)法實(shí)時(shí)通信測(cè)控，讓上升器和返回航天器在環(huán)火軌道上交會(huì)對(duì)接也更困難，需要航天器更智能、更自動(dòng)化——自主交會(huì)對(duì)接并捕獲樣品容器、自動(dòng)封裝進(jìn)返回艙內(nèi)。此外，其還要具備從火星返回地球的軌道機(jī)動(dòng)能力，在接近地球投放樣本返回艙后會(huì)以第二宇宙速度沖進(jìn)地球大氣層，速度比從月球返回更快、受熱更嚴(yán)峻。

無(wú)人火星采樣返回任務(wù)前瞻

那么，火星采樣返回將如何實(shí)現(xiàn)呢？據(jù)已知的公開消息，和一步到位的月球采樣返回不同，我國(guó)的火星采樣返回任務(wù)可能用長(zhǎng)征五號(hào)大型運(yùn)載火箭分兩次發(fā)射，一次是火星采樣著陸器及上升器可能還攜帶小型機(jī)器人和無(wú)人機(jī)以擴(kuò)展采樣范圍，另一次則是返回飛船用來(lái)在環(huán)火軌道捕獲樣本容器并封裝進(jìn)返回艙帶回地球。任務(wù)目標(biāo)區(qū)域可能包括火星烏托邦平原、亞馬孫平原、克里斯平原。

國(guó)際上，馬斯克和NASA曾經(jīng)提出過(guò)重型獵鷹運(yùn)載火箭發(fā)射攜帶上升器的“紅龍”無(wú)人飛船進(jìn)行火星采樣返回任務(wù)。當(dāng)前，歐洲和美國(guó)也計(jì)劃開展聯(lián)合火星采樣返回任務(wù)。2020年發(fā)射的毅力號(hào)火星車就攜帶了采樣裝置和樣品封裝管，已經(jīng)采集了部分樣品等后續(xù)采樣著陸上升器赴火星后交付發(fā)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(fā)利用火星資源的行動(dòng)。美國(guó)航空航天工程師羅伯特·祖布林在20世紀(jì)90年代針對(duì)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(jìn)劑的火星資源原位利用采樣返回技術(shù)。通過(guò)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(yīng)等配合其他方式制造液態(tài)甲烷和液態(tài)氧。2020年發(fā)射的毅力號(hào)火星車攜帶的實(shí)驗(yàn)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(shù)將大大降低火星采樣返回的成本，并且?guī)Щ馗鄻颖尽．?dāng)然，就未來(lái)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(wù)后，要載人探索火星還有很多技術(shù)難題需要攻克，例如在遠(yuǎn)離地球磁場(chǎng)保護(hù)并充滿粒子輻射的深空長(zhǎng)期生存的健康保障、設(shè)備可靠性保障以及重載火星著陸（20噸以上）技術(shù)、火星核電技術(shù)、高性能大規(guī)模深空推進(jìn)技術(shù)等保障。不管怎樣，火星采樣返回任務(wù)是人類探索開發(fā)宇宙承前啟后的重要一步，有助于為我們解答更多太空問(wèn)題并可能給未來(lái)世界帶來(lái)新的變數(shù)。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com