超越美国或成定局?中美火星采样返回:中科院22年论文建议提早出发

微博科学大佬@PhilLeafSpace在2月16日发布的一条博文让一篇22年6月发布的论文火了，因为在这篇论文里中科院的多位科学家建议中国火星采样返回的探测器于2028年1～3月发射，轨返组合体则在2028年11月发射，采样返回地球的时间将在2031年7月。

这个时间节点将比NASA此前延后规划的时间提早至少两年，假设双方都顺利执行任务的话，那么我们将在8年半后见到火星土壤样本，而NASA则还要再继续等上两年。

中科院22年论文建议提早出发：躲避火星沙尘暴

这篇标题为《沙尘暴对火星表面探测器的影响:回顾与展望》的论文于2022年6月10日发表在中科院的期刊《科学通报》上，作者是中科院地质与地球物理所、地球与行星科学院、空间环境观测站、地质与环境实验室的几位科学家联合撰稿，强烈建议中国火星采样返回提早出发！

沙尘暴影响太大，采样节点必须避开沙尘暴

火星沙尘暴大家都有所耳闻，但它的影响到底有多大却很难说出个子丑寅卯！中科院给出的答案是很严重，论文从几个角度说明了沙尘暴的影响：

• 1、沙尘暴活动对温度的影响：沙尘颗粒会遮挡抵达火星地表的辐射，降低地面温度，会让探测器的保温功率消耗增加，只能降低探测活动以应对低温；另一个则是沙尘反射辐射会导致大气温升，使火星大气环流改变，可能会导致沙尘暴扩大。
• 2、沙尘暴遮挡阳光会导致太阳能电池的工作效率急剧下降乃至完全失效，只能休眠熬过沙尘季节；
• 3、沙尘暴过后，探测器太阳能电池会被沙尘覆盖，降低发电效率，严重者可能使太阳能电池完全失效；

2004年1月25日着陆于火星老鹰撞击坑的“机遇号”火星车在火星表面工作了14年后，在2018年6月遭遇了一场长达三个月的火星全球沙尘暴影响而永久失联。2018年11月26日着陆于火星的NASA“洞察号”太阳能电池被沙尘覆盖，于2022年12月21日宣告任务终止。

火星的沙尘暴季节大都会在火星秋季发生，因此在火星采样任务过程中必须要避免采样任务规划到火星的秋季，因为万一遭遇火星沙尘暴将可能会遇到额外的风险，完成任务的难度将大幅增加。

火星采样：周期长达4年，如何避免沙尘暴影响？

此前火星采样返回任务的“原计划”是孙泽洲在南京大学120周年校庆的演讲中披露的，他是天问一号火星探测器系统总设计师，在PPT中详细规划了火星采样返回任务的时间节点：

着陆与上升组合体（简称着上组合体）于2028年5月发射，轨道与返回组合体（简称轨返组合体）则在2028年11月发射，2029年5月轨返组合体抵达火星，着上组合体在轨飞行26个月后于2030年7月(火星春分)着陆，在春季完成火星表面采样工作。

原本孙总的计划中也有俩计划，上图就是两个计划的时间节点，计划1会在2029年火星沙尘季节开始的8月份着陆，在沙尘季节完成采样并返回，但入轨后仍然要等到2030年10月底才会进入火地入射（从火星启程返回地球），于2031年7月抵达地球。

方案二则是在着上组合体地火转移轨道运行时间增加，26个月才抵达火星，到2030年7月再着陆火星，避开火星的沙尘季节，在春天采样并执行上升入轨，与轨返组合体对接，2030年10月底才会进入火地入射（从火星启程返回地球），于2031年7月抵达地球。

显然是后者的安全性更高，就算是外行的种花家也比较倾向于选择后者。不过在2022年6月份发表在中科院的期刊《科学通报》上的论文则提出了一个新的方案，让火星采样返回的计划再提早到2028年1~3月执行：

着上组合体在2028年1～3月发射，轨返组合体在28年11月发射，最早可在29年3月(火星夏至)着陆，2029年9月(火星秋分)前完成采样，如此则采样能够在第40个火星年的北半球夏季时完成，从而避开秋分后可能出现的沙尘暴天气

与孙总公布的两个方案相比，论文的方案特点是着上组合早发射、早抵达、早采样、早入轨（火星轨道），比孙总的两个方案几乎要提早一年完成采样任务，但是问题来了，能提早返回吗？

答案是不行！因为火星冲日的间隔在2年多一点，2029年03月25日冲日后要等到2031年05月04日，如果要从火星出发回到地球，那么至少要在火星冲日前大约7个月左右出发，据论文中的方案，2029年采样完成已经接近9月的火星秋季，只能发射升空抵达火星轨道与轨返组合体对接转移样品。之后则需要绕火星运行等到2030年的10月再火地入射，同样将在2031年7月抵达地球。

孙泽洲的方案二与论文的建议方案：到底有什么区别？

这个方案没有提早返回时间，但与孙总的第二个方案漫长的地火转移时间相比，这个方案时间明显缩短，有更多的时间准备采样以及采样后在轨转移样品，确实也有一些优势，因为在地火转移轨道上运行时间长达26个月也是一个很大的风险因素，比如太阳风暴影响：

太阳风暴导致任务失败的日本希望号火星探测器：1998年7月3日，日本希望号火星探测器从日本内之浦宇宙空间观测所发射升空，经过长达5年（2003年抵达火星）的日心轨道运行抵达火星，期间两次经过地球引力弹弓加速转向火星。

但由于在日心轨道长期运行下多次遭遇太阳风暴，多台设备故障，于2003年7月9日通信彻底失联，据推测，希望号失联后会运行在一个周期为2年的环日轨道上（未能进入火星轨道）。

因此减少日心轨道运行时间也是一个优势，孙总的第二个方案中地火转移轨道长达26个月，虽然在设计上可以考虑增加冗余度，但风险因素也确实增加了。

火星采样返回：难度不是一般的大

以目前成熟的技术，火星采样返回只能分成两步进行：着陆与上升组合体（简称着上组合体）火星表面采样后发射至火星轨道，与随后抵达的轨道与返回组合体（简称轨返组合体）对接转移样品，然后火地轨道转移返回地球，看似简单，但操作非常复杂，难度很高，大致会经历如下步骤：

着上组合体时间表（孙总第一个方案为例）

• 1、发射入轨进入地火转移轨道（2028年12月发射）；
• 2、EDL着陆火星（2029年9月直接减速进入火星大气层着陆）；
• 4、选择位置采集样品（2029年9月~2020年3月）；
• 5、将采集到的火星土壤转移到上升火箭样品舱内；
• 6、从火星表面发射火箭并入轨环绕等待轨返组合体（2030年3月发射）；

轨返组合体时间表（孙总第一个方案为例）

• 1、发射入轨进入地火转移轨道（2028年11月发射）
• 2、减速进入环火轨道（2029年8月）；
• 3、火星大气层辅助减速圆轨（2030年3月前完成圆轨）；
• 4、上升器与轨返交会捕获，转移样品容器至返回器（2030年3月中）
• 5、环火运行7个月，2030年10月启动火地入射
• 6、组合体抵达地球（2031年7月）

火星距离地球最近为5500万千米，最远可达4亿千米，要在那么遥远的距离上完成如此复杂步骤的工作，难度极大，此前天问一号已经测试过大气层辅助减速，也验证过减速着陆，但还没有测试EDL直接着陆，另外也没有测试过火星表面火箭发射，更没有测试火星轨道捕获对接，这些工程连NASA都没有尝试，这次中国人走到了最前面。

中国超越美国或成定局！NASA为何掉链子了？

NASA的火星采样返回计划是与欧空局联合执行的，任务名称为“NASA-ESA Mars Sample Return（MSR）”，目标是在火星上收集到的样品装入43个铅笔大小的圆柱形钛管内，于2033年送回地球，比中国计划时间要晚上2年，其实原计划美国也是在2031年7月采样返回的，由于计划过于复杂，将其中原计划一个步骤完成的任务硬生生拆成了2步，所以就赶不上趟了！

MSR任务：毅力号已经在采集样品

NASA-ESA MSR任务经历多次变更，目前最新的计划是2022年9月批准的，总共包含如下几个部分：

• 1、样本采集任务（毅力号：Perseverance），发射时间：2020年7月30日，NASA主导；
• 2、样本返回任务：Earth Return Orbiter（ERO），发射时间：2027年，ESA主导；
• 3、样本返回着陆器：Sample Return Lander - SFR（SRL-SFR），发射时间：2028年，ESA/JPL（NASA喷气推进实验室）联合实施；
• 4、样本返回着陆与飞升器：Sample Retrieval Lander-MAV（SRL-MAV），发射时间：2028年，ESA/JPL联合实施；
• 5、返回时间：2033年

样本返回着陆器装备了样本转移机械臂，为防止样本收集失败，还带了2架机智号直升机以辅助收集样本。

最新计划的详细步骤

NASA-ESA的火星样品返回任务早就已经在执行了，2021年2月18日着陆火星的毅力号已经在展开样品采集工作了，目前已经收集到了8个火成岩样本、7个沉积岩样本、2个表岩屑样本、1个大气样本和3个见证管（毅力号探索区域周围的环境中的气体与微粒，作为样本的对照组）。

毅力号采集的样本位置图

样本任务2和3原本是一次执行的，但这个任务有些复杂，目前NASA和ESA已经将其分成两次执行，SRL-SFR和SRL-MAV，后者包含一枚3米长的2级火箭，这是样品收集转移后将会从火星表面发射的火箭，重约450千克，直径为0.5米，发射后10分钟达到4千米/秒，进入一条高度为380千米的轨道，之后样本容器将被释放到轨道上。

2028年就已经抵达并已经环绕火星4年有余的ERO将会捕获这个目标并将其放入返回舱，之后将会启动火箭脱离火星轨道，进入火地转移轨道，将于2033年7~8月抵达地球。

样本返回2和3的SRL-SFR和SRL-MAV任务如果一次执行的话，和中国火星采样返回时间差不多，甚至可能还会更快一点，但NASA-ESA的火星样品返回任务太庞大了，环环相扣，缺一不可。就目前的计划来看，如果双方执行顺利，NASA和ESA的火星采样返回计划一定会晚于中国火星土壤返回样品时间。

当然中国的火星土壤样品没有像毅力号那么精细，采集方式应该也会和月球采样的嫦娥5号方式有些类似，但成功带回火星土壤样品这个要比所谓的精细化要有价值得多，10年后究竟谁的样品能被带回地球，让我们拭目以待！