欧美去火星取样打包一拖再拖，中国出手了

火星。图源：新华网

在距离地球 5500 万公里到近 4 亿公里的太空中，高悬着一颗暗红色行星。它在古代西方被称为玛尔斯（战神），在古代中国则被称为 " 荧惑 "。

火星，地球的亲密邻居、无数科幻作品中的 " 另一个地球 "，今天依旧被人们寄予 " 人类第二家园 " 的厚望。

然而，现在人类尚未从火星上取回过哪怕一克土壤。

" 祝融号 " 火星车与 " 天问一号 " 探测器在火面上。图源：国家航天局

9 月 5 日，在安徽黄山召开的第二届深空探测（天都）国际会议主论坛上，天问三号任务总设计师刘继忠宣布，天问三号任务以生命痕迹探寻为第一科学目标，计划在 2028 年前后实施两次发射任务，目标是实现人类历史上首次火星样品返回地球。

为什么从火星采样返回如此之难，" 言出必行 " 的中国航天，又有怎样的底气去为全人类开创历史？

图源：电影《火星救援》

火星是谁：可能是人类的 " 第二家园 "

火星是谁？我们从三个维度来认识它：

——现实中，它是太阳系第四颗行星。它的直径是地球的 53%，质量是地球的 11%，重力是地球的 38%，日照量是地球的 44%。火星的橘红色外表是因为地表的赤铁矿。它基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，没有稳定的液态水体。大气中二氧化碳占了 95%，平均气温 -63 ℃，气压只有地球的 1%，既稀薄又寒冷，每年常有沙尘暴发生。

——文学作品中，它是人们对地外文明最近距离的想象。《火星叔叔马丁》《异星战场》《世界之战》《火星人玩转地球》《全面回忆》《红色星球》…… 太多的科幻小说和影视剧，寄托了人们对于红色星球上存在生命乃至高度发达文明的幻想。

图源：IC PHOTO

——科学家眼中，它有可能是人类的 " 第二家园 "。因为在很多层面，火星都和地球较为相似。自转轴倾角、自转周期与地球非常接近，火星上的一天只比地球上的一天长 41 分 19 秒；公转一周的时间不到地球两倍，地球上的一年是 365 天，而火星上的一年则是 687 天。此外，火星也有四季变化和白天黑色，它的两极还有水冰与干冰组成的极冠，会随着季节消长。

万一地球遇到了什么不可抗拒的、巨大的全球性毁灭的灾难，人类能不能找到第二个栖息地？中国科学院院士、探月工程首任首席科学家欧阳自远提出：" 现在整个太阳系里唯一的选择就是火星。"

火星上是否存在过生命？人类如何在火星生存？刘继忠表示，从火星把那里的土壤带回来，我们能更接近这些问题的答案。

" 地球上有大量精密仪器，动辄数吨重，可以对火星土壤和空气的成分进行纤毫必呈的深入研究。" 曾参与 " 天问一号 " 火星探测任务的中国科学院国家空间科学中心研究员、中国航天科普大使刘勇告诉潮新闻记者，" 这么重的设备，以我们现有的航天水平，是难以送到火星上去的。受条件限制，探测器在火星表面进行的研究，顶多就能知道点皮毛。"

欧阳自远期待，随着火星研究的逐步深入，未来地球、火星将成为人类社会持续发展的命运共同体。

1975 年美发射 " 海盗 1 号 " 火星探测器。图源：新华网

探索火星：人类悲壮征途已超 60 年

很多中国人的印象里，探索火星好像不是什么难事。2020 年，中国首度出手，天问一号就三步并一步，" 绕、落、巡 " 一次到位。

事实上，这背后是中国科学家付出的艰苦卓绝的努力。探索火星的难度，远远超乎我们的想象。从 60 多年前人类开始火星探索，迄今共向那里发射了 40 多颗探测器，其中大约一半折戟沉沙。

飞向红色星球的探测器前赴后继，在这一次次悲壮的行程中，我们对于火星逐渐也有了些了解。

1960 年 10 月，前苏联发射 " 火星 -1960A" 探测器，由于火箭故障未能进入地球轨道。它被看作是人类火星探测的开端。

1972 年，美国 " 水手 9 号 " 成为火星第一颗人造卫星，拍摄了火星全貌，发回 7329 张照片。1976 年 7 月，美国 " 海盗 1 号 " 释放着陆器，并向地球发回彩色照片。

2020 年 7 月 30 日，卡纳维拉尔角空军基地，" 毅力 " 号火星车搭乘的 " 宇宙神 5" 型火箭发射升空。新华社发（美国宇航局供图）

此后，美国、欧洲对于火星的探测，越来越深入，相继实现了首次漫游考察，发现了火星南极存在冰冻水。2021 年，当我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功时，美国 " 毅力号 " 火星车也成功登陆火星，开始进行火星表面采样。

已经采样了，为什么不带回来？因为，这实在是太难了。

" 毅力号 " 的采样行动，来自美国宇航局（NASA）和欧洲空间局（欧空局）联合进行的 " 火星样品返回 "（MSR）项目。这是目前世界上除了天问三号以外，唯一进行中的火星采样返回项目。

欧美的这份 " 火星快递 " 计划包括四个步骤——

第一步，2020 年发射 " 毅力号 " 收集样本，截至去年 10 月底，已成功在火星上采集到 23 个岩石样本；第二步，欧空局发射地球返回轨道器 ERO，在火星轨道上等待样品送达；第三步，发射样品返回飞升器（SRL）着陆火星，收集 " 毅力号 " 放置的样品，然后 SRL 从火面发射进入火星轨道；第四步，SRL 与在轨的 ERO 对接，完成样品转移后，ERO 进入火地转移轨道，返回地球。

据 NASA 独立审查小组发报告称，" 火星采样返回 " 计划的初始预计成本为 44 亿美元，但新情况是预计花费 80 亿至 110 亿美元才可能完成任务。

" 毅力 " 号火星车在火星着陆的过程。新华社发（美国宇航局供图）

2023 年 9 月发布的一项独立审查委员会评估报告显示，火星样本返回项目总体预算可能高达 110 亿美元，并且要到 2040 年才能将样本送回，这比原计划推迟了 9 年。

刘勇告诉潮新闻记者，NASA 用于载人登月的阿尔忒弥斯计划支出预计到 2025 年将涨到惊人的 930 亿美元。" 大量经费都投入月球方向了，火星这边就钱就不够了。"

难在哪里：火面起飞和样品转移都需要自动完成

美欧计划一再延宕，中国的快递计划目前进展如何？

" 火星采样返回，整个任务过程非常复杂，包括 13 个阶段，采取就位和遥感等探测方式。" 刘继忠这样介绍天问三号任务：预计 2028 年前后，在海南文昌用 40 天左右的时间，使用两枚长征五号运载火箭，分两次发射天问三号的轨道器 - 返回器组合体（轨返组合体）和着陆器 - 上升器组合体（着上组合体），两个组合体各自飞往火星。

天问三号任务过程示意图。新华社发（深空探测实验室供图）

今年全国两会期间，孙泽洲向媒体透露了火星采样返回的两大难点——

第一，采样困难。如何在火星表面获取样品，从火面上起飞上升，是一大难点。

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩告诉记者，火星上的重力大约是月球上的重力的两倍多，这就对航天器在火星表面的起飞、上升带来了更大挑战。

" 火星的环绕速度是 3.5 公里 / 秒，逃逸速度达 5.03 公里 / 秒；而月球的环绕速度为 1.68 公里 / 秒、逃逸速度为 2.36 公里 / 秒，可见，想离开火星比离开月球难多了。" 刘勇解释说，" 每秒 1 公里，就是狙击步枪子弹出膛的速度，从火星表面起飞并飞往地球，必须达到这个速度的 5 倍以上。"

加上火星大气层内发射升空时，羽流干扰和气动参数等条件都不确定，入轨精度又非常高，这难度可想而知。

第二，样品转移困难。采样返回需要在轨道上完成两个目标之间的交会和样品转移，在系统设计上，对探测器的智能化提出了更高的要求。

这是因为，随着深空探测越走越远，地面深空探测网的导航定位能力也会有所下降。地月距离约 38 万公里，而地球与火星的距离约在 5500 万公里到接近 4 亿公里之间，差了两三个数量级。当地火之间处于最大距离时，无线电信号单程需要花费 20 分钟，来回就得 40 分钟 …… 显然，我们根本不可能在地球上进行遥控。