探月工程“绕、落、回”三步走实现圆满成功，“嫦娥五号”已经为我国带回了月球样品，我们不禁把目光投向了更远的太空，离我们真正看到“火星样品”还有多远？

我国的火星取样会在何时？

我国的“天问一号”于2020年7月23日发射，2021年2月进入火星轨道，5月15日成功着陆火星，5月22日“祝融号”火星车安全驶离着陆平台，到达火星表面，开始巡视探测。目前，“祝融号”已行驶超过1000米，对火星表面形貌、构造，物质组分，磁场等开展科学探测。

而我国的火星取样返回任务计划在2030年前后实施。

从火星采样返回有多难？

与月球采样返回相比，火星采样返回对工程技术提出了更高的要求，相较于月球，除了火星距离地球更远导致的时延问题，还包括火星与月球引力不同并且存在大气层。

同开展火星着陆探测时，进入、下降和着陆（EDL）的“恐怖八分钟”类似，在火星表面发射入轨和火星轨道交会对接同样是任务最关键、最危险的环节之一。在拥有大气的地外行星表面上实现火箭自主发射入轨和在深空行星轨道上实现对目标的交会对接将成为新挑战，要求航天器具备更高的自主性和可靠性。

俗话说摸着石头过河，我们来看看其他国家是怎么做的。

火星采样返回的四个步骤

据美国《科学》杂志网站2019年11月22日报道，由美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）共同设计的“火星采样返回”（Mars Sample Return，MSR）任务现已敲定：耗资70亿美元，包括采集样品、收集样管、火轨交接、返回地球四个关键步骤，计划从火星上采集约600克样本送回地球。

MSR任务预计时间跨度逾十年，2020年和2026年分别实施1次和2次地球发射，2020年实施1次火星发射，2031年将返回地球。分别由“毅力”号火星车、样品收集火星车、样品返回着陆器、返回地球轨道器完成。

2020年7月发射成功的“毅力”号火星车，作为MSR任务的第一步，将完成采集样品这一重大使命。随后预计2026年前后，NASA将与ESA合作完成两次发射，包括向火星发射携带样品采集火星车的返回着陆器和返回地球轨道器。2028年实施1次火星发射，通过火星上升火箭将样品入轨储纳球送入环火轨道与返回地球轨道器交接，预计2031年将火星样品带回地球。

NASA与ESA火星取样返回任务概念图（图片来源：NASA）

MSR任务实现火星采样返回四个关键步骤包括：

采集样品：“毅力”号携带了43根手电筒大小的样品保存管，每个样本将包含20克岩石和粗砂，其中5根作为参考管，以确定精心挑选的火星岩石和沙砾样品没有受到源于地球的无机物和有机物污染。部分样品管会存储在“毅力”号中，部分缓存在精确标注的火星表面以便于后续样管收集任务的开展。

收集样管：NASA将发射样品返回着陆器和样品收集火星车在“毅力”号着陆点附近降落，通过样品收集火星车将“毅力”号采集到的样品装载到入轨储纳球中，样品收集过程预计用时6个月，最终通过上升火箭从火星表面发射至火星低空环绕轨道。

火轨交接：ESA研发的样品返回轨道器届时将降低轨道至合适高度，通过抓取和导入模块将样品转移至保存模块并对其进行密封和消毒，确保火星样品不会泄漏污染地球，同时也不会被地球污染。

返回地球：地球返回轨道器将在地火转移窗口返回至地球，随后其中的返回地球模块将释放地球再入器进入地球大气层硬着陆于预定的着陆区内。

携有样品管的火星上升火箭发射概念图（图片来源：NASA）

谁正在火星上采样？

作为MSR“四步走”的第一步，2021年2月，耗资25亿美元的“毅力”号火星车经过7个月的太空飞行后成功着陆在耶泽罗陨石坑。耶泽罗陨石坑里有保存完好的远古河流三角洲的化石，该区域的岩石保存着关于火星漫长而多样的地质历史时期的信息。

“毅力”号共配置7台有效载荷，分别为桅杆相机-Z、超级相机、X射线岩石化学行星仪器、“夏洛克”紫外光谱仪、火星氧气原位资源利用实验、火星环境动态分析仪、火星亚表面雷达成像实验。

“毅力”号火星车有效载荷分布情况（图片来源：参考文献2）

“毅力”号的主要任务目标之一是收集和储存火星表面的样本，这些样本将包括岩芯、表土和大气等。在采集样本之前，“毅力”号使用钻头研磨接近预定取芯目标的岩石表面上部几毫米处。然后，将附近的科学载荷尽可能靠近裸露的岩石，开展相关探测并收集数据。接下来，使用“毅力”号机械臂末端的旋转冲击钻将火星表面的样品钻入超清洁样品管，并进行评估、成像和密封。

截至目前“毅力”号火星车已经完成了7个样管样品的采集工作（包括5个样品管、1个参考管和一个未采到样本的样品管）。

第一个收集到的是参考管，用于确认采样过程中没有受到污染。第二根样品管本想收集名为“Roubion”的岩石样本，但由于钻取过程中导致岩石破碎并未收集岩石样本，取而代之的是这成为了“毅力”号采集到的第一个火星大气样本。第三根和第四根样本是在一个名为“Rochette”的山脊顶部，采取这种成对采集的策略目的是为后续任务中提供将样本返回地球的一种选择。这个名为“Montdenier”和“Montagnac”成为“毅力”号在火星上最先采集到的两个岩芯样本。采用与上述采样策略相同的策略在名为“Séítah”区域的“Brac”处采集到了第五和第六个岩芯样本。在2021年接近尾声时，“毅力”号采集到了名为“Robine”的第五个岩芯样本，这也是“毅力”号采集到的第七个样品管。

2021年8月6日，“毅力”号火星车首次尝试采样。（图片来源：NASA）

“毅力”号火星车采样位置（包括一次参考管，六次样品管）（图片来源：NASA）

结语

目前火星研究仍受到火星车携带的分析仪器和探测手段等诸多限制，一些深层次分析工作只有在地球实验室才能进行。因此，火星的探测未来十年的重点将会是采样返回，这对于认知类地行星起源和生命宜居性、奠定未来载人登火基础具有重大意义。

伟大事业始于梦想，基于创新，成于实干。我国“天问一号”探测器通过一次任务实现火星环绕、着陆、巡视三大目标，实现我国航天事业自主创新，跨越发展的标志性成就。在不久的将来，中国也将实施火星取样返回任务，这将前所未有地推进和深化火星科学研究，有望取得重大科学发现，实现火星探测的新突破和新认知。

（作者单位：中国科学院国家空间科学中心 中国科学院月球与深空探测总体部）

参考文献：

[1]王琴,时蓬,范全林.21世纪火星探测科学发现与未来展望[J].现代物理知识,2020,32(06):3-17.

[2]张扬眉.美国成功发射“毅力”号火星车，迈出火星采样返回第一步[J].国际太空,2020(08):43-48.

[3]时蓬,范全林,汤惟玮.关于2030年前火星采样返回科学任务的展望[J].空间科学学报,2020,40(3):4.

[4]赵宇鴳,周迪圣,李雄耀,刘建忠,王世杰,欧阳自远.国际火星探测科学目标演变与未来展望[J].科学通报,2020,65(23):2439-2453.

[5]焦维新.火星取样返回的科学目标及方法.

[6]央视新闻.国家航天局：探月四期开启星际探测新征程，下一步探索小行星

[7]柯森锎.面向火星采样返回任务的上升与交会制导方法研究[D].南京航空航天大学,2018.