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。
——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。
天问一号探测器环绕器与火星合影。图源：国家航天局
“无论是天问三号的近火机动，还是火面上火星车的行驶、火星直升机的飞行，抑或是返回器从火面起飞，都没有地球上完善的保障设施以及测控网的支持。”刘勇说，这就要求探测器有颗聪明的大脑，自行判断当前的方位、距离、速度，需要调整到什么样的姿态、几时开始刹车、持续刹多久等等一系列问题。
不过，刘勇提到了一个利好：“当前国际上的人工智能技术水平发展很快，有望大大提升探测器的智能水平，让它可以在无人参与的情况下自主完成更多科学探测任务。”
从地球到火星的霍曼转移轨道。图源：中国空间技术研究院
国际合作：约30公斤载荷为全世界预留
要在一次任务中尽可能采到富集生命痕迹信息的样品，取样地点和方式十分关键。
据刘继忠透露，研发团队开展了大量研究，初步在克律塞平原和乌托邦平原选定了候选着陆点，并进行取样。
为什么要选择这两个地点？刘勇告诉潮新闻记者：“乌托邦平原是曾经的海底，很可能有生命存在过的痕迹。”而克律塞平原有着大量火星河流冲刷的痕迹，这里被认为是一处火星上较大的海湾，也可能在远古孕育过生命。
美国宇航局2012年7月8日公布的火星表面高清全景图，由817张照片拼接而成。图源：新华网
据刘继忠透露，为达到取样的多样性，天问三号将采取三种取样手段：表面取样通过机器手实现更大范围样品采集；钻取将采集不同深度不同位置的样品；还专门研制了一个飞行器，可以采集更远范围的样品。
国际合作，也是天问三号任务的重要组成部分。
“天问三号任务将开展国际载荷合作、样品和数据共享、未来规划共同研究等三方面的国际合作。”刘继忠说，在天问三号探测器的轨道器和服务器上，专门预留了约30公斤资源用于搭载国际合作载荷。
在行星保护方面，我国将履行国际公约，开展前向和返向行星防护，确保不污染火星、不污染地球以及样品的原始性。
在项目执行过程中，中国航天人将与全世界科学家联合开展火星样品和数据合作共享研究，联合各国或科研机构开展火星科研站的使命与任务定义、需求分析、概念研究、实施方案设计，以及关键技术攻关等，共建火星家园。
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