5月15日,“天问一号”的着陆巡视器在火星的乌托邦平原南部正式着陆成功,并且成功传回消息,举国欢腾。接下来火星车“祝融号”将在火星进行巡视,并且将定期传回火星照片。

在我们高兴之余,不免会再次展望,中国什么时候可以像嫦娥五号一样,在火星上取土并成功返回,今天我们就来聊聊这个事情。

祝融号火星车

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火星距离地球最远有4亿公里,最近也有5400万公里。所以去火星肯定要挑近道,这个近道就是“霍曼转移轨道”。但即使是通过这个地火转移轨道,我们送去火星的探测器的成本依然很高。

比方说,一枚火箭送卫星去近地轨道的有效载荷比也仅有1-5%,而送去地火轨道则更低,仅为0.7%。美国好奇号火星车以及组合体重量仅为3.8吨,但送它们上天的宇宙神火箭重量却高达531吨,直是大马拉小车传统典范。

所以想要未来在火星取土地返回器回到地球,就必须携带更多的燃料,而想要携带更多的燃料必须有大载荷的火箭。首先最需要突破的就是研制出更大载荷的火箭。

宇宙神火箭

其次,即便顺利到达火星,还要面临“恐怖七分钟”的降落生死关卡,探测器需要从在轨速度5KM/S降到0,但由于火星引力是地球引力的三分之一,空气密度也只是地球的1%,具体的降落情况和地球完全不一样。所以要想安全,平稳的降落在火星上,难度非常大。

并且由于火星的距离地球太远,地球与火星沟通的时延最短都有3分钟,最长可达20多分钟,我们无法在地球上进行实时操控,只能依靠探测器自行计算这中间的降落调整。不过这个难点已经被我国天问一号着寻组合体给攻克了。

天问一号着寻组合体

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最后,即便在火星上取得样品,也要挑选合适时机从火星上起飞,把火星土壤样品送入在太空里的轨道器,再由轨道器送回地球。但同样受限于条件限制,不仅人们无法实时对采样设备进行操控,而且还要随时预防火星上的恶劣天气,比如火星沙尘暴。

由于火星空气密度小,昼夜温差大,容易形成大风,地球上的12级大风在火星极易常见,并且大风又会刮起火星的尘土形成沙尘暴,一场火星沙尘暴持续的时间可到数月之久。美国的机遇号就曾遇到过火星沙尘暴导致机器失去联系。

不同于单个火星车巡视,从火星取样发射需要的设备装置更多,受环境影响更大,所以时机要求要非常精确,一旦出现任何意外,就是导致几十亿上百亿的资金打水漂。

机遇号火星车

NASA在上世纪80年代就已经展开对火星采样返回项目的论证,后来因政策调整而取消。90年代末,NASA又与法国CNES(法国国家太空研究中心)进行探火取样合作,准备进入到阶段研发,但是由于1999年的“火星98任务”失败,导致NASA再次改变火星探测计划而终止合作。

2018年欧空局ESA宣布将加入NASA的火星采样返回项目,并且与NASA共同制定了火星取样返回项目(MSR)的准确细则。

MSR预计将投入70亿美元,并计划在2020年发射火星2020(毅力号)进行火星采样、转移和储存。

毅力号火星车

随后在2026年发射“取货车”,到达火星表面,并且将火星样品放入一个安全容器里,再传输舱装到小火箭(MAV),发射到火星轨道上。

届时欧洲会提前发射一颗卫星在轨道等待,并取得样品,并将在2031年把火星样品带回地球。

目前NASA的毅力号已经成功降落在火星,等待后续将到来的取样车。

除了NASA,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)也发布了火星取样计划,不过不一样的是,日本的计划是向火卫一(Phobos)取样,然后返回地球,具体时间是在2026年发射卫星,2029年取样回来。

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首先为了应对载人登月、火星取样返回以及载人登火等计划,中国航天科技集团已经在研发了长征九号火箭,长征九号火箭重量预计在500吨左右,月球转移轨道的运载能力可达到15-50吨,地火转移轨道运载能力也有12-44吨。并且预计于2028年2030年首飞。

而且除了长征,我国计划在天问一号“绕、落、寻”完成之后,将在2028年发射天问二号,进行火星取样返回任务。这个任务计划结合了嫦娥五号采样成功的经验,同样设计了轨道器、巡视器、上升器、着陆器、返回舱五个部分组成天问二号。

届时轨道器与返回舱将在轨等待,着陆器确保安全着陆,巡视器负责取样,上升器携带样品从火星发射,返回太空与在轨的轨道器与返回舱连接并把样品放入返回器中。在收到样品后,轨道器与返回舱启动返回地球,计划将于2031年左右由返回舱将火星样品送回地球。

火星表面

对比美国、欧空局以及日本的火星计划,哪一家的火星计划成功率更高?我会认为是中国。因为中国的航天计划一直都是一步一个脚印在实施,不同于发达国家航天计划的不连贯,我们的航天政策一直都是高连续性,中国航天人可以几十年如一日朝着一个共同的目标钻研。

最后,不管是哪一家先取得了火星采样返回,对于整个人类都是好事,因为这是代表人类探测外行星的坚实一步!