我國有望2028年實施火星采樣返回，挖土量可達1公斤，美國僅600克

幸福總是來得猝不及防，天問一號著陸器攜帶著祝融號火星車，于5月15號凌晨成功降落在火星表面。這一“落”非同小可，要知道之前能夠實現火星軟著陸的國家只有一個半，美國著陸了9次，蘇聯雖然也著陸了一次，但僅工作了20秒即告失聯。嚴格意義上說，中國是世界上第二個成功登上火星的國家。

天問一號攜祝融號火星車成功著陸

至此為止，天問一號任務已經成功了一大半，可以展望接下來的計劃了，根據歐陽自遠院士的介紹，下一步的目標將是像嫦娥五號那樣，實現火星采樣返回。就在去年年底，嫦娥五號實現了我國首次月球無人采樣返回，帶來了1731克月球樣品，轟動了全世界。既然中國能實現月球采樣返回，那么距離火星采樣返回還有多遠呢？

實事求是地講，探火的難度相比探月要大得多，想實現火星采樣返回更是需要巨大的技術跨越，能做到的玩家可不太多，巧合的是，中國和美歐都提出了在2028年實現火星采樣返回的計劃，相當宏大。實現這些計劃的難度將是地獄級的，在介紹這兩個計劃之前，咱們先來看看火星采樣返回有多難。

火星采樣返回

探測火星本就難于登天，火星采樣返回的難度更是猶如地獄

首先，火星離我們太遠了，最近的時候也有5500萬公里，最遠的時候達到4億公里，而月球離我們只有“區區”38萬公里，有著量級上的差別。距離遠會產生許多問題，首當其沖的就是航天器發射要達到更高的速度，需要更大的火箭，或者更少的載荷。

例如，同樣是長征五號，其地月轉移軌道的運載能力在9噸左右（嫦娥五號重8.2噸），而地火轉移軌道就減小到了6噸。這個差別看起來并不是特別大，但足以使探火任務的載荷重量受到較大的限制。

距離遠帶來的另一主要影響就是飛行時間變長，長五送嫦娥五號到達環月軌道只需要幾天時間，但送天問一號去火星就飛了近7個月，這還是在利用了最佳時間窗口才完成的。長時間的飛行對航天器的可靠性提出了更高的挑戰。

天問一號飛了約7個月才到達火星附近

而幾億公里的距離還帶來了更加不好解決的問題：信號延遲和深空測控難題。當火星與地球最遠時，光速跑一趟單程都需要20多分鐘。這就意味著在火星表面或附近的航天器根本無法實時接收地球的指令，必須有“自作主張”的能力，比如天問著陸器在降落最后階段就是需要“自主避障”。

深空測控則是另一個難題。探火屬于深空探測，為了接收來自火星的信息，需要在全球不同位置設置深空站或測量船，用巨大口徑的天線來獲取微弱的信息。

內烏肯深空站

目前具有完整深空網的只有美國、歐洲和中國。美國的最完善，印度的曼加里安號火星探測器就是靠了美國深空網的支持，才有可能前往火星。中國深空網的建設比較晚，但是厚積薄發，已經建成佳木斯、喀什、阿根廷內烏肯等深空站，以及其它測控站點，足以支撐探索火星以及更遠太空的任務。

以上介紹了火星的遙遠距離對探火造成的難度，然而這僅僅是開始，更難的還在后面，那就是火星的自然條件，使得火星采樣返回的過程遠比月球復雜得多。月球最大的好處是質量小、引力小，月球表面的引力只有地球表面的6分之一，環繞速度也只有1.68公里/秒，比地球的7.9公里/秒要小得多，這使得航天器在月球上的降落和起飛都相對容易。

嫦娥五號上升器從月面起飛

然而火星就沒那么好對付了，它雖然比地球小不少，但表面重力達到了地球的3/8，比月球要大得多，而且火星還有一層稀薄的大氣層。火星的環繞速度則達到了3.53公里/秒，比月球的兩倍還多，在其表面著陸的難度也就比月球大得多，不過火星的大氣層可以用來做氣動減速，在一定程度上有利于節省著陸所需的燃料。

但采樣返回最重要也是最難的階段是從火星表面起飛，進入環火軌道。這需要上升器達到4000米/秒至6000米/秒的速度增量，而火星大氣層的阻力對起飛也是一種負擔。在進入火星軌道后，上升器與返回器對接，交接樣品，由返回器帶回地球。

這個返回器需要單獨從地球發射到火星軌道，再擺脫火星引力將樣品送回地球。就算是單程就已經很難了，再來個火星往返，簡直是難于登天。返回器需要攜帶大量的燃料，歷經漫長的時間，才能回到地球上空，將樣品艙拋下。樣品艙沒有任何動力，純粹靠大氣減速后落到地面。

樣品艙以極高速度返回地球

由此可見，即便不考慮采樣過程，只是到火星表面打個來回就已經如此復雜，每一步出錯都將功敗垂成。那么美國、歐洲和中國都打算用什么方式來實現呢？咱們先來看看美歐的MSR“火星采樣返回”項目。

美歐合作開展MSR項目，原計劃2026年發射

MSR項目由NASA發起，后來歐空局ESA也加入進來。毅力號火星車和機智號火星直升機從某種程度上講也是MSR的一部分。MSR計劃在2026年發射一個4500公斤重的樣品返回著陸器（SRL），2028年8月在火星著陸，著陸重量為1200公斤，它包含著陸器、樣品轉移漫游車（SFR）和火星上升器（MAV），目前傾向于采用動力著陸平臺構型方案，由著陸器平臺自帶的反推火箭實現最后階段的減速著陸，這正是天問一號的方案。

樣品返回著陸器SRL在火星表面著陸

樣品轉移漫游車SFR由歐空局研發，它將至少在火星表面工作6個月，拾取毅力號采集并封裝的31根樣品管。你沒看錯，MSR要運回的正是如今毅力號將要采集的樣品。毅力號共裝了42根樣品管，每個可裝20克火星樣品。其中31根會陸續放置在火星的特定位置，供SFR拾取。如果到2028年毅力號還能動的話，還可自行將剩余的樣品管送到SRL的著陸地點，“親手”交貨。

漫游車將樣品交給著陸器

至少31根樣品管和100毫升的火星氣體將被放置在樣品容器中，由火星上升器MAV在2029年8月發射升空并進入環火星軌道。MAV相當于一枚小型兩級運載火箭，重約400公斤，由于火星特殊的溫度環境，目前比較可行的是兩級火箭均采用固體燃料，可以耐低溫和長期儲存。由于必須足夠小，但又要能克服火星引力將樣品送上軌道，MAV的研制難度將非常大。

攜帶樣品容器的火星上升器MAV發射

樣品容器靠自己當然是無法回到地球的，它在火星軌道會被樣品返回軌道器ERO捕獲。這個ERO同樣將由歐空局制造，也是在2026年發射，它將在火星軌道上等待，直到捕獲樣本容器，將其裝入樣品返回艙中，再啟動發動機返回地球。

樣品返回軌道器由阿里安6火箭發射，重達6噸，與天問一號相當。為了實現火星往返游，ERO進行地火轉移、火星逃逸和火地轉移時將使用比沖極高的離子發動機，而火星捕獲和變軌則使用化學發動機。它將在2031年9月左右回到地球附近，將樣品返回艙拋入地球大氣層，自己則回到星際空間。最后回到地面的，只有不到100公斤的樣品返回艙。

歐洲負責研制并發射的樣品返回軌道器

這一組合拳打下來，勢必讓人眼花繚亂。如果從2020年毅力號發射算起，整個MSR項目耗時十余年，耗資將達到38至44億美元。它的風險非常大，各個部分稍有差池，幾十億美元就打了水漂了，如果所有環節均成功，人類將首次獲得600克左右的火星樣品和100毫升火星大氣。

如此復雜昂貴的任務，如果放在過去恐怕只有NASA和ESA才玩得轉，即便是這兩大巨頭，在前期論證和準備過程中也遇到了諸多困難，目前SRL的發射時間也已經由2026年推遲到了2028年，樣品返回地球的時間恐怕也要順延。于是，他們遇到了來自中國航天的強力挑戰。

我國火星采樣返回計劃：2028年發射，采樣一公斤超過美歐

繼天問一號成功繞火和落火之后，我國預計將可能于2028年開展火星采樣返回任務，屆時將分別用長征三號乙發射由火星著陸器和上升器組成的著上組合體（相當于SFL），用長征五號發射由軌道艙和返回艙構成的軌返組合體（相當于ERO）。這就好像將嫦娥五號分拆為兩部分，由兩枚火箭發射。預計著陸器將于2029年10月在火星著陸，并用9個月的時間進行火星表面取樣。

我國火星采樣返回任務的預計時間表

我國火星采樣過程很可能也和嫦娥五號類似，并沒有學美歐那種花哨的“毅力號扔豆子，漫游車撿豆子”的玩法，而是老老實實地用機械臂進行采樣、封裝。采樣完成后，上升器攜帶樣品起飛并進入火星軌道，與著上組合體對接后將樣品交給后者。著上組合體隨后離開火星，踏上返回地球的漫漫征程。

15個月后，也就是2031年9月左右，返回艙將進入地球大氣層并著陸。據中國探月總工程師吳偉仁院士介紹，將爭取實現中國人手里面有一公斤的火星樣品，這比美歐MSR項目的600克還要多不少。

嫦娥五號使用機械臂在月面采樣

中國航天后來居上，有望先于美歐實現采樣返回

人馬君認為，按照目前的形勢，我國先于美歐實現火星采樣返回的可能性很大。這并不是信口開河，而是基于很多理由推斷出來的。例如，美歐的MSR項目原定2026年發射，2031年返回，樣品返回著陸器足足要走兩年多才能在火星著陸，而我們只需要11個月。如今MSR的發射時間又延遲到了2028年，如果還沿用原方案的話，2031年想返回地球是鐵定沒戲了。

中國的另一大優勢，是上升器在無人狀態下從外星球起飛，以及在外星球軌道上無人交會對接和樣品轉移技術，在嫦娥五號月球采樣任務中得到了完美地驗證，目前在全世界都是“獨一份兒”。

嫦娥五號上升器與軌道返回器無人交會對接

美國在阿波羅登月中雖然也實現了月球采樣返回，但卻是在有人駕駛的條件下完成的。蘇聯雖然成功進行過月球無人采樣返回，但卻不是交會對接方式，無法應用于火星。至于隼鳥號、冥王號等取樣任務，目標都是引力極小的小行星，與月球、火星的著陸、起飛方式完全不同。因此在這方面，作為后起之秀的中國航天，反而是最有經驗的。

此次天問一號攜祝融號火星車成功落火，也是中國的一大加分項。美國MSR項目傾向采用的動力著陸平臺方式，就與天問著陸器的著陸方式非常類似。與毅力號那種復雜昂貴的“天空起重機”相比，天問一號這種著陸方式更加簡單可靠，適合采樣返回這類長周期、高風險項目。而天問一號留在環火星軌道上的環繞器，也可以為下一次火星任務提供通信中繼和著陸區勘察服務。

天問一號著陸方式更為可靠

其實，中國航天還有一項隱藏的優勢，那就是心齊，能夠集中力量辦大事。相比之下，MSR項目由美歐合作完成，歐空局在里面扮演了相當重要的角色，不僅要建造樣品轉移漫游車，還負責研制和發射樣品返回飛行器，將樣品萬里迢迢送回地球，是項目的關鍵一環。而到目前為止，歐空局所有登陸火星的嘗試無一成功，也就從來沒能實際操縱過一輛火星車，可以說經驗不足。

此外，當年的土星探測項目“卡西尼-惠更斯”號也是一個美歐合作項目，歐空局研制了惠更斯號探測器。惠更斯號成功登陸了土衛六并且工作了90分鐘，然而歐洲人編寫的一個軟件指令程序卻存在低級錯誤，導致一半的照片數據未能傳回母船卡西尼號，留下了巨大的遺憾。這件事也說明了多國合作項目的復雜性，存在不可預知的風險。

美歐合作的卡西尼-惠更斯項目

而這些問題在中國航天是不存在的。雖然火星探測這種高度復雜的任務也有著繁瑣的接口關系，但卻都是“人民內部矛盾”，不需要不同國家之間的協調。團結就是力量，人馬君堅信只要火星采樣返回項目能夠如期開展，中國航天人一定能夠排除萬難來完成它，再結合前面的分析，相比美歐的贏面會很大！