中国甩出王炸！天问3号2028年发射，比美国早2年实现火星挖土返回

人马座说 2024-09-06 16:07:36

正当美国人为了抢在中国前面实现载人登月而焦头烂额时，没想到中国又向另一颗星球甩出了王炸：实施火星采样返回任务的天问三号行星际探测器，将比原计划提前2年发射，先于美国和欧洲带回从火星挖到的样品，这将是人类首次！

9月5日在安徽黄山举行的第二届深空探测（天都）国际会议主论坛上，天问三号任务总设计师刘继忠为大家带来了令人振奋的消息，他宣布天问三号将于2028年前后发射，执行两次发射任务，实现火星样品返回地球。今年6月国家航天局副局长卞志刚透露的时间是2030年，现在比原计划整整早了两年。而美国与欧洲合作的火星采样任务，原定发射时间则是2030年。

这就意味着如果一切顺利的话，我国将比美国提前2年实现火星采样返回，成为世界上首个将火星土带回地球的国家！火星与地球的距离最远时超过了4亿公里，最近时也有5500万公里，远远大于月球与地球的距离，拿到火星土的难度当然要远大于取回月壤。如果中国成功了，就意味着无论是月球还是火星，我国在采样返回方面都将占据世界领先地位。

以嫦娥五号和六号的经验来看，从38万公里外的月球采样返回，已经非常困难了，世界上做到这一点的国家目前只有中美俄三家。而从4亿公里外的火星挖土带回来，难度将几何级放大，而我国很可能将成为全地球独一份！那么大家一定很好奇天问三号会如何实现这一壮举，下面就介绍一下它的任务流程，那是相当的紧张刺激！

天问三号的各个部分与嫦娥五号、六号类似，分为着上组合体和轨返组合体两大块，但区别在于这两大部分是分别由两发火箭发射的。比较重的着上组合体使用我国目前最强的火箭长征五号，而较轻的轨返组合体则由长征三号乙发射。天问三号的轨返组合体由轨道器和返回器组成，作用也比较好理解，就是将从火星挖到的样品带回地球，并进入地球大气层着陆。

着上组合体却要比嫦五嫦六复杂的多！天问三号着上组合体由着陆器和上升器组成，着陆器又分为两部分，分别是巡航级和进入舱。您可以把天问三号着上组合体当作一个不含巡视器的天问一号。巡航级负责从地球到火星的轨道修正、变轨和制动减速，而进入舱则会带着上升器进入火星大气层并着陆。

由于火星也是和地球一样的太阳系大行星，不像月球那样一直绕着地球转，所以它与地球的相对位置一直在发生变化。因此天问三号的发射时机也很有讲究，有“春分着陆”和“秋分着陆”两种方案，最大区别是着陆时火星上的季节不同，但返回地球的时间是一样的。

如果选择春分着陆的话，着上组合体将在2028年5月率先发射，在半年后的2028年11月，轨返组合体才会发射。至2029年9月，轨返组合体后发先至，先进入火星轨道，再用7个月时间利用火星大气层进行多次气动减速，最终到达交会对接轨道进行等待。

更大更重的着上组合体在2030年7月才会到达火星附近，它不会像天问一号那样花很多天的时间绕着火星转，而是会像美国毅力号火星车那样直接进行一次气动减速，然后直接在火星表面着陆。进入舱的着陆过程应该和天问一号着陆器类似，会在气动减速后打开降落伞，抛掉防热大底，伸出着陆腿，然后再抛掉背罩和降落伞，通过发动机反推减速落地。

这个时候正是火星上的春分季节，天气稳定，非常适合开展采样任务。着陆器在着陆之后，会像嫦娥六号那样使用机械臂和钻头进行表取和钻取，获得火星表面和地下的样品，并放入上升器中的样品舱。由于火星距离地球非常遥远，天问三号取样的量可能会明显少于嫦娥六号，预计在500~1000克之间。采样过程将持续2个月，将在2030年9月完成。

在完成采样之后，就会进入十分艰难和复杂的上升环节。火星的环境与月球不同，月球上没有空气，而且引力很小，因此嫦娥六号的上升器不需要很大的推力和燃料消耗，也不用考虑空气阻力，就能够从月面发射，将样品舱带回环月轨道进行交会对接。但火星拥有一个明显的大气层，需要考虑空气阻力的影响，而且火星的引力虽比地球小，但要比月球大得多。

火星的第一宇宙速度是3.6公里/秒，不到地球上的一半，但由于要进入高一些的交会对接轨道，携带样品舱的上升器需要实现约4.5公里/秒的速度增量，这比嫦娥六号上升器的能力强得多！而且为了尽量减少空气阻力的影响，上升器一般采用流线型的两级火箭，在着陆器上起竖并发射，可采用倾斜热发或垂直冷发射两种方式。

当上升器发射上天并进入环火星轨道后，就可以和等候多时的轨返组合体进行交会对接了。样品舱将会被传递给返回器，之后上升器就完成了使命，与轨返组合体分离。后者将启动发动机，脱离火星轨道，于2030年10月开始返回地球的漫漫之旅。

直到一年多之后的2031年7月，轨返组合体才会到达地球附近，返回器与轨道器分离，预计将与嫦娥六号一样采用“打水漂”方式再入地球大气层，在我国境内着陆。到了这个时候，整个火星采样任务才算大功告成，我国届时会获得人类第一份从火星采集的样品，其珍贵程度将远超月壤。

但是“春分方案”也有劣势，那就是耗时比较长，从发射到采样返回总共用了3年零2个月。如果想快一些的话，可以采用“秋分方案”，着上组合体可推迟到2028年12月发射，比轨返组合体晚一个月，然后在2029年9月着陆，用6~7个月的时间完成采样，在2030年3月发射上升器。

但轨返组合体在接收样品舱后却不能马上返回，需要等待时间窗口，与春分方案一样要等到2030年10月才能返回地球，在地球的着陆时间同样是2031年7月，总共的时间是两年零8个月。不过秋分方案的最大劣势是着陆火星时正值沙尘季节，火星上经常刮沙尘暴，天气很糟糕，可能会对采样和上升带来不利影响。

看了这些过程，您是不是会觉得天问三号这趟旅程特别复杂？火星采样返回任务的难度系数确实超级高，是对一个国家航天实力的极限大考。那么我国为什么能比美国整整提前2年实现这一成就呢？实在是因为美国人的好高骛远和拖延症所致。

火星采样返回的概念其实是美国航天局NASA先提出来的。美国人很早就开始探索火星，早在1976年，美国的“海盗1号”就实现了软着陆。后来美国又向火星发射了多个漫游车，包括勇气号、机遇号、好奇号和毅力号，以及很多探测器。好奇号和毅力号火星车装备了核电池，至今仍然在火星表面工作。

而NASA构想的火星采样返回计划（MSR），就是由毅力号在行驶过程中沿路采集火星样品，放进专用的样品管中，再将这些样品管一个接一个丢在预设的地点，等待一辆火星采样车来收取。但是由于欧空局（ESA）负责研制的火星采样车多次延迟，而且加上这辆车之后，火星着陆器将过于沉重，最后NASA放弃了这个计划，改由毅力号火星车直接交付样品。

MSR项目的火星着陆器将于2030年在火星着陆，它的上升器火箭带有一个篮球大小的球形容器。毅力号收集的样品管将被机械臂抓取，放入这个球形容器中，共可收集约600克。为了保险起见，着陆器上还带有两架类似于“机智”号的火星直升机，假如毅力号未能按期交付样品，这两架火星直升机也能自行收集，以免空手而回。

收集完样品，后续步骤就与天问三号大同小异了：上升器火箭带着样品容器从火星表面发射，进入轨道。然后由欧空局研制的返回器捕捉样品容器，装入碟形的返回舱，并于2031年初返回地球。直到2033年，携带着样品的的返回舱才会再入地球大气层，在美国犹他州的沙漠中着陆。

这么看来，即使美欧合作的MSR火星采样返回计划一切顺利，最早也只能在2033年拿到火星样品，比我国整整晚了两年。但要命的是该计划一点儿都不顺利，已经数次推迟，2033年也只是目前的乐观估计。而且该项目还严重超支，最早的成本预估是44亿美元，但现在已经涨到了80~110亿美元。

而且这个项目是美国和欧洲分工合作的，如此复杂的项目由两拨人来搞，双方之间总是会发生各种问题，能不能如期在2030年到达火星，实在是一个未知数。但火星一直围着太阳转，可是不会等人的。如果美国错过了发射窗口，想要在2033年拿到样品就不可能了，就得再推迟两年。

事实上，美国人自己对MSR计划也是越来越没信心了，今年4月，NASA专门拿出了150万美元，找了7家公司，来探讨如何才能快速推进火星采样返回计划，并且还要更省钱。这7家中包括洛马、SpaceX、蓝色起源、诺斯罗普·格鲁曼等著名公司。其中SpaceX依旧拿出了包打天下的星舰，搞了一个巨型火星着陆采样方案，也让本想缩小项目规模的NASA吓出一身冷汗。