2030年或迎火星採樣「返回潮」，大量高風險關鍵技術需提前部署攻關

2020年7月23日12時41分，中國首個自主發射的火星探測任務「天問一號」順利升空，正式開啟火星之旅。2020年是全球火星探測元年，而2030年則可能迎來火星採樣「返回潮」。

截至目前，美、日和我國都宣布了火星採樣返回任務的計劃或相關設想：

美國國家航空航天局（NASA）將分步實施2030「火星採樣返回」（MSR）任務；

日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）計劃於2024年發射火星衛星探測任務（MMX），2029年實現火衛一（Phobos）樣品返回地球；

中國也規劃了2030年前後火星採樣返回任務，分析火星宜居環境及其演化歷史等。

為此，《科技導報》專訪了中國科學院國家空間科學中心空間科學與深空探測規劃論證中心團隊，邀請他們從空間科學戰略研究的視角對火星探測任務進行解讀。論證中心正高級工程師範全林介紹了各國規劃的火星採樣返回實施方案和技術探索。

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科技導報：在2020火星探測任務中，美國的火星2020任務（Mars 2020）涉及到的「採樣」預備工作引發關注，「採樣」成功意味著什麼？

範全林：由於目前火星（圖1）研究不能像科學家在地面實驗室那樣做很多複雜的分析工作，所以採樣返回，即使只帶回少量樣品，也能通過大量高精密先進儀器分析，給出更為全面細緻的結果，這對於尋找生命指徵、地質組成及演化、氣候變化及大氣與地面相互作用，以及載人登陸探測等多項關鍵科學問題有望給出明確答案。

圖1 火星地表圖 來源：NASA

科技導報：美國火星探測技術處於領先地位，2030年美國MSR任務中關鍵步驟和目標是什麼？面臨哪些技術挑戰？

範全林：美國MSR任務將分步實施，預計歷時逾10年，2020年和2026年分別實施1次和2次地球發射，2028年實施1次火星發射，2031年將約600g火星樣品返回地球。MSR任務包括4個關鍵步驟。

第一步是採集樣品，由毅力號（圖2）完成。

圖2 美國毅力號

第二步是收集樣管，主要由樣品收集火星車(SFR)完成。

第三步是火軌交接，火星上升火箭(MAV)從火星表面發射，搭載樣品入軌儲納球(OS)上升進入環火軌道。

第四步是返回地球，由返回地球軌道器(ERO)攜帶返回地球模塊(ERM)脫離環火軌道，完成火地飛行，對準地球軌道後ERM釋放地球再入器(EEV)，後者再入地球大氣層並硬著陸於猶他州（Utah）的沙漠或乾涸的湖床。

MSR任務的科學目標是，闡述火星與地球環境的相似性和可能存在生命等問題，其在任務規劃和科學目標制定上享有優先權。

MSR任務需要突破的重點技術包括樣品採集與保存、樣品火軌交接、非傳統地火霍曼轉移飛行、滅菌與行星保護、首次火星MAV發射等。

科技導報：為順利完成2030年火星採樣計劃，我國需首先突破哪些關鍵技術？

範全林：關於無人火星採樣返回，目前的預研表明，火星樣品採集封裝、火表起飛上升、火星軌道交會捕獲、樣品轉移收納、地火返回及再入等多個環節，涉及大量關鍵技術環節，都具有較高的技術風險，需要提前部署攻關突破。

科技導報：美日火星採樣返回任務對我國有什麼啟示？

範全林：根據規劃，我國擬於2030年前後實施火星取樣返回任務，對火星隕石（圖3）和返回樣品進行分析，研究制約火星有機質的成因、水巖作用、幔源揮發分含量等關鍵科學問題。

圖3 火星鐵隕石 圖源：NASA

第一，分析NASA的MSR任務，美國縱為航天強國，依然採取了分步實施的審慎策略。

其主要原因是行星採樣返回技術難度大，分步實施既有降低技術難度和風險的考慮，且利用6年左右時間實現自主探測與採樣保存，再返回，便於開展細緻的樣品分析與採集工作。

第二，數據中繼對於火星探測和採樣返回任務至關重要。

在「專注快速」的理念下，NASA將主要利用在役的火星軌道器提供數據中繼。

圖4 「天問一號」 來源：新華社

當前，我國首次火星探測任務「天問一號」（圖4）正在實施，探月工程嫦娥五號採樣返回任務在按計劃推進。「鵲橋」中繼衛星，將位於月背的嫦娥四號科學數據第一時間傳回地球，具有重大科學與工程意義。

國際火星採樣返回任務分步實施與數據中繼的策略，和我國火星任務的相關規劃與技術路線有異曲同工之妙，值得繼續關注。

科技導報：登上火星去探索更多的生存空間，不僅是人類的夢想，也是人類未來可能必須要進行的計劃。關於載人登陸火星，各國有計劃嗎？

範全林：載人登陸火星，各國在政府層面尚未正式出臺有關計劃，目前已安排的（機器人/衛星）火星探測器和相關計劃都可謂是未來載人登陸火星的鋪墊。

從商業航天的角度，美國太空探索技術公司(SpaceX)的埃隆·馬斯克一直在宣稱SpaceX長期計劃的核心：將人類送入火星，並在火星生活。