NASA火星采样任务被迫推迟！天问二号将勇夺桂冠，机会千载难逢

　　如果有一个世界第一的机会放在你面前你不去珍惜，那简直就是暴殄天物。
　　火星采样返回被认为是继阿波罗载人登月计划之后最具挑战的空间探测任务，需要突破一系列技术瓶颈，正如《我们选择登月》演讲中说的那样，＂我们决定在这十年间登上月球并实现更多梦想，并非它们轻而易举，而正是因为它们困难重重。＂，火星采样返回任务同样如此。
　　阿波罗11号飞船＂鹰＂号登月舱
　　高难度空间探测任务的实施不仅可以带动一大批相关产业链的快速迭代升级，任务成功带来的战略影响同样无与伦比。获取火星样本能够加深对火星的认识，天体生物学预计也将获得新的突破，这不仅有利于寻找地外生命，对于保护地球也有着特殊意义。
　　正因为上述需求，世界三大航天实体都在瞄准这一任务，NASA与欧空局正在联合实施＂火星样本回送＂计划，我国按照＂一步实现绕落巡，二步完成采样回＂的火星探测工程规划，目前也已经着手火星采样返回任务。
　　希望号探测器拍摄的火星
　　前年，与祝融号一道奔向火星的NASA＂毅力号＂任务可谓是先声夺人，该火星车正是＂火星样本回送＂计划的首次发射，火星车搭载了采集火星样本的机械臂、钻取设备、样本存储装置等设备，在执行巡视探测任务的同时，它将利用这些设备采集火星样本，并将样本容器放置在行进路线上。
　　毅力号火星车
　　毅力号火星样本采集流程：
　　伸出采样机械臂
　　钻取样本
　　将样本管转移至车体
　　样本管转移至车体底部容器中
　　毅力号火星车自然是没有能力将样本送返地球的，火星样本回送计划的重头戏不是毅力号，而是原计划在2025年与2026年发射的两个航天器，分别是＂地球返回轨道器＂与＂样本取回着陆器＂。
　　NASA牵头研制的是＂样本取回着陆器＂，该航天器并没有火星采样功能，其主要工作就是取回由毅力号火星车采集的火星样本容器，并将其发射至环火星轨道。
　　＂样本取回着陆器＂由火星进入舱、火星样本运输车、着陆器、上升器组成，原计划2026年发射。进入舱与着陆器负责着陆火星，火星样本运输车负责收集运输毅力号采集的样本容器，并将其运输至上升器，上升器负责携带样本容器自火星表面发射起飞至火星轨道，而后由地球返回轨道器捕获样本容器。
　　样本取回着陆器登陆火星构型（早期设计）
　　＂地球返回轨道器＂由欧空局牵头研制，配置有返回器与轨道器，该探测器负责在火星轨道捕获样本容器，其中轨道器负责地火转移与火地转移，返回器可经受第二宇宙速度再入地球大气的热流烧蚀，其主要职责是将火星样本带回地球。
　　地球返回轨道器效果图
　　值得一提的是，该返回器并没有配置降落伞，主要依靠气动减速，最终着陆缓冲靠的是＂硬抗＂（着陆在沙漠地区），只要样本容器不摔坏就能达成任务设定目标。
　　如果一切顺利，NASA与欧空局将有望于2031年获得火星样本，这一时间点也是我们瞄准的获取火星样本的时间，而最新的动态表明前者已经失守2031年时间节点。
　　NASA主管科学的负责人泽布琛近日披露，NASA和欧空局已同意修改＂火星样本回送计划＂的进度与设计方案。
　　具体修改如下：
　　欧空局牵头研制的＂地球返回轨道器＂发射计划推迟两年，至2027年发射；
　　NASA牵头研制的＂样本取回着陆器＂发射计划推迟两年，至2028年发射，同时该航天器进行拆分，由一次发射改为两次发射，就是将上升器与样本运输车分开发射。
　　推迟发射的原因是多方面的，主要原因是研制进度跟不上，同时欧空局富兰克林号火星车任务的屡屡推后也进一步干扰了火星采样返回任务的实施。
　　欧空局富兰克林号火星车的推迟也在影响着火星样本回送任务
　　改动最大的莫过于＂样本取回着陆器＂一分为二，此举主要是技术原因。原计划一次发射方案中进入舱需要同时装载＂着陆上升组合体＂还有一辆由欧空局研制的＂样本运输车＂，这样一来进入舱规模就需要在毅力号任务使用的进入舱基础上进一步放大，估测进入舱大底直径将达到5.4米，比毅力号火星车使用的4.5米直径进入舱规模更大，这就要求有更大包络的运载火箭整流罩。
　　毅力号任务进入舱最大直径约4.5米
　　火箭问题的难度倒是可以克服，最难的还是大载重火星着陆技术。因为5.4米直径进入舱将改变此前经过验证的4.5米直径进入舱关于火星大气进入、下降、着陆的一系列技术经验，这将为任务的实施带来不可预知的风险。
　　这种不可预知的风险在欧空局ExoMars2022火星探测项目中体现得淋漓尽致，该探测器由于着陆规模超重，加上反推发动机推力有限，因此不得不在伞系减速阶段使用两套主伞方案，两年前该探测器就曾因降落伞缺陷不得不推迟发射，即便后来缺陷问题得以解决，但事实上也增大了任务失败的风险。
　　承载富兰克林号火星车的进入舱伞系减速配置
　　样本取回着陆器经过拆分之后，将使用两枚火箭分别发射＂着上组合体＂与＂样本运输车＂，这样一来二者可使用经过好奇号与毅力号验证的火星着陆技术。
　　着陆器与上升器组合体效果图
　　样本运输车着陆火星效果图
　　样本运输车收集样本容器效果图
　　长期以来，有一部分人看到NASA一些新鲜玩意的时候总是发出一些诸如＂外星科技＂之类的奇怪感叹，殊不知人家实际上是通过不断地打怪通关发展出来的，那些指望靠所谓的创新一口吃成大胖子的想法与客观世界往往相去甚远。
　　NASA半个世纪前发射的水手三号火星飞越探测器
　　在继承中发展，在继承中创新才是必由之路，而事实上NASA历来就是如此，大洋彼岸当前火星表面着陆能力是1吨级，他们为了具备这一能力足足探索了近半个世纪，这其中包括火星环绕、火星着陆、火星表面巡视等一系列任务的历练。由此更能体现天问一号一步实现绕落巡火星的难能可贵。
　　经过新一轮的任务设计修改之后，NASA与欧空局联合实施的＂火星样本回送＂任务从发射着上组合体以及火星样本运输车为时间起点计算，整个过程将耗时约5年时间，之所以耗时这么长是因为其轨道器配置的轨控发动机是离子推力器，此类电推进系统通常有着大比冲优势，所需工质少，可以大幅度压缩探测器的整体规模，但耗时更长的缺点也是显而易见。
　　NASA获得火星样本的时间不会早于2033年（图为上升器释放封装样本容器效果图）
　　耗时5年就意味着他们获取火星样本的时间是2033年，机会历来是留给有准备的人，这样一来我们就将大概率成为世界第一个获得火星样本的国家。
　　我国后续将依次实施小行星采样返回、火星采样返回、木星系探测、太阳系边际探测等深空探测任务，按照命名规则小行星采样返回任务可能会命名为＂天问二号＂，然而在行星探测工程立项之前该任务已经被冠名为＂郑和号＂，也就是说天问二号仍然可能是火星采样返回的任务名称，具体如何命名还得看之后的事态发展，这里姑且将火星采样返回任务暂定名为＂天问二号＂。
　　行星探测工程图形标识
　　探月工程总师吴伟仁前不久就披露了火星采样返回任务的实现时间，就是2030年以前。
　　如此表述存在两种可能，一种可能是2030年前，以火星样本抵达地球的时间节点计算，这就要求火星样本采样返回探测器最晚将于2026年发射；
　　另一种可能是以＂火星样本采样返回探测器＂的地球出发时间为节点计算，这就要求该探测器最晚将于2028年发射。如此一来火星样本抵达地球的时间则是2031年，整个任务过程耗时约3年。
　　两种可能比较现实的选择是后者，而不论何种选项我们拿到火星样本的时间都将早于NASA与欧空局联合实施的＂火星样本回送计划＂。
　　我们的火星探测规划：一步实现绕落巡，二步完成采样回。
　　运载火箭的运力有多大，航天舞台就有多大，这一定律放在火星任务上同样适用。正因为长征五号大推力运载火箭出色的高轨运力，才使得近5吨级的天问一号有条件完成一步实现绕落巡火星的工程目标，而火星采样返回探测器的发射质量势必将超越5吨级规模，不过这一次火箭运力问题将不再是核心瓶颈，因为我们可以有多种选择。
　　发射天问一号火星探测器的长征五号遥四运载火箭
　　按照原计划，天问二号将采用两枚火箭发射方案，即长征五号火箭发射轨道器与返回器组合体，长征三号乙火箭发射着陆器与上升器组合体。
　　火星采样返回任务两次发射方案
　　如今又多出了两种选择，发射着陆器与上升器组合体的火箭可以选用高轨运力相较于长征三号乙更具优势的长征七号甲运载火箭。
　　长征七号甲运载火箭
　　再就是可以基于921新一代载人运载火箭选择单枚火箭发射方案，直接将着陆器与上升器组合体+轨道器与返回器组合体送入地火转移轨道。该型火箭将于2026年左右具备载人飞行能力，也就是说至少在2026年前它就能够实现首飞，完全能够满足2028年发射火星采样返回探测器的时间要求，且载人火箭的高可靠与高安全性更有保障。
　　921新一代载人运载火箭效果图
　　不过，就任务设计的便利性而言，选择两枚火箭发射方案更具优势。单枚发射方案意味着更大规模的航天器组合体，在进行近火制动时需要消耗更多的推进剂，进一步增大了轨道器的负荷。
　　如果是两枚火箭发射方案则不同，着陆器与上升器组合体只需配置小规模地火转移模块，抵近火星后无需近火制动可直接实施火星登陆任务，利用火星大气这个天然的减速场实施减速。轨道器与返回器组合体的规模可以限制在5吨级，同时再辅以大气辅助变轨技术实施近火制动，推进剂消耗量将实现最小化，利于之后火地返回任务的实施。
　　天问二号任务时期我们将具备火星直接登陆能力
　　我国火星采样返回任务与NASA/欧空局联合实施的火星样本回送计划都是在一系列成熟货架产品与技术基础上进行适度创新。
　　负责地火转移、火星环绕、火地转移任务的轨道器可直接沿用天问一号轨道器设计。
　　天问一号轨道器
　　负责火星样本回送地球任务的返回器可继承嫦娥五号返回器设计，该型返回器具备经受第二宇宙速度再入地球大气烧蚀的能力。
　　嫦娥五号返回器
　　负责着陆器与上升器组合体登陆火星的进入舱可在天问一号进入舱基础上进行适应性修形，整体规模不会有大的变化，这样一来降落伞、7500N变推力发动机、相控阵雷达敏感器、激光三维成像敏感器等设备都可直接继承下来。
　　天问一号进入舱
　　至于火星表面采样技术，经过嫦娥五号与嫦娥六号两次月球采样返回任务的历练，我们的表取与钻取设备能力将得到进一步稳步的提高。
　　在此基础上火星采样返回任务就剩下＂火星表面起飞上升技术＂与＂环火轨道样本容器捕获与转移技术＂两大难关，对于我们而言这两大难关并非一片空白。
　　通过嫦娥五号任务我们已经掌握地外天体无人自动起飞技术，诚然，火星与月球相比有着更为复杂的大气环境会干扰火面起飞上升任务，但嫦娥五号上升器所应用的制导导航与控制技术同样可以在火星任务中加以应用，只需将火星大气的这一变量因素加入进来。
　　火星采样返回探测器
　　环火轨道样本容器捕获与转移技术同样可以在嫦娥五号任务中找到技术遗产，后者是目前人类唯一一次地外天体轨道无人交会对接纪录保持者，即便是NASA目前也不具备此项能力。
　　火面上升器受限于有限的规模，的确难以像嫦娥五号上升器那样配置较为完善的对接测量敏感器，在环火轨道交会对接任务中更依赖基于轨返组合体的主动捕获能力，然而两个航天器实施空间交会的自主导引技术与嫦娥五号相比仍有着诸多共通性。
　　天问一号一步实现绕落巡火星的背后是嫦娥探月工程的披荆斩棘，天问二号火星采样返回任务更将是深空探测领域的集大成者，在此项任务完成之际，近地轨道天宫空间站早已进入常态化运营阶段，月球之上一座由我们主导的月面科研站正在开展大规模集中建设，载人登月能力也将在这一时期具备，一幅横跨地月系囊括地火系的深空探测图景将呈现在世人面前，一系列重大任务的实施势必将航天强国建设推向新的高峰。