我国有望2028年实施火星采样返回，挖土量可达1公斤，美国仅600克
幸福总是来得猝不及防，天问一号着陆器携带着祝融号火星车，于5月15号凌晨成功降落在火星表面。这一“落”非同小可，要知道之前能够实现火星软着陆的国家只有一个半，美国着陆了9次，苏联虽然也着陆了一次，但仅工作了20秒即告失联。严格意义上说，中国是世界上第二个成功登上火星的国家。
天问一号携祝融号火星车成功着陆
至此为止，天问一号任务已经成功了一大半，可以展望接下来的计划了，根据欧阳自远院士的介绍，下一步的目标将是像嫦娥五号那样，实现火星采样返回。就在去年年底，嫦娥五号实现了我国首次月球无人采样返回，带来了1731克月球样品，轰动了全世界。既然中国能实现月球采样返回，那么距离火星采样返回还有多远呢
实事求是地讲，探火的难度相比探月要大得多，想实现火星采样返回更是需要巨大的技术跨越，能做到的玩家可不太多，巧合的是，中国和美欧都提出了在2028年实现火星采样返回的计划，相当宏大。实现这些计划的难度将是地狱级的，在介绍这两个计划之前，咱们先来看看火星采样返回有多难。
火星采样返回
探测火星本就难于登天，火星采样返回的难度更是犹如地狱
首先，火星离我们太远了，最近的时候也有5500万公里，最远的时候达到4亿公里，而月球离我们只有“区区”38万公里，有着量级上的差别。距离远会产生许多问题，首当其冲的就是航天器发射要达到更高的速度，需要更大的火箭，或者更少的载荷。
例如，同样是长征五号，其地月转移轨道的运载能力在9吨左右（嫦娥五号重8.2吨），而地火转移轨道就减小到了6吨。这个差别看起来并不是特别大，但足以使探火任务的载荷重量受到较大的限制。
距离远带来的另一主要影响就是飞行时间变长，长五送嫦娥五号到达环月轨道只需要几天时间，但送天问一号去火星就飞了近7个月，这还是在利用了最佳时间窗口才完成的。长时间的飞行对航天器的可靠性提出了更高的挑战。
天问一号飞了约7个月才到达火星附近
而几亿公里的距离还带来了更加不好解决的问题：信号延迟和深空测控难题。当火星与地球最远时，光速跑一趟单程都需要20多分钟。这就意味着在火星表面或附近的航天器根本无法实时接收地球的指令，必须有“自作主张”的能力，比如天问着陆器在降落最后阶段就是需要“自主避障”。
深空测控则是另一个难题。探火属于深空探测，为了接收来自火星的信息，需要在全球不同位置设置深空站或测量船，用巨大口径的天线来获取微弱的信息。
内乌肯深空站
目前具有完整深空网的只有美国、欧洲和中国。美国的最完善，印度的曼加里安号火星探测器就是靠了美国深空网的支持，才有可能前往火星。中国深空网的建设比较晚，但是厚积薄发，已经建成佳木斯、喀什、阿根廷内乌肯等深空站，以及其它测控站点，足以支撑探索火星以及更远太空的任务。
以上介绍了火星的遥远距离对探火造成的难度，然而这仅仅是开始，更难的还在后面，那就是火星的自然条件，使得火星采样返回的过程远比月球复杂得多。月球最大的好处是质量小、引力小，月球表面的引力只有地球表面的6分之一，环绕速度也只有1.68公里/秒，比地球的7.9公里/秒要小得多，这使得航天器在月球上的降落和起飞都相对容易。
嫦娥五号上升器从月面起飞
然而火星就没那么好对付了，它虽然比地球小不少，但表面重力达到了地球的3/8，比月球要大得多，而且火星还有一层稀薄的大气层。火星的环绕速度则达到了3.53公里/秒，比月球的两倍还多，在其表面着陆的难度也就比月球大得多，不过火星的大气层可以用来做气动减速，在一定程度上有利于节省着陆所需的燃料。
但采样返回最重要也是最难的阶段是从火星表面起飞，进入环火轨道。这需要上升器达到4000米/秒至6000米/秒的速度增量，而火星大气层的阻力对起飞也是一种负担。在进入火星轨道后，上升器与返回器对接，交接样品，由返回器带回地球。
这个返回器需要单独从地球发射到火星轨道，再摆脱火星引力将样品送回地球。就算是单程就已经很难了，再来个火星往返，简直是难于登天。返回器需要携带大量的燃料，历经漫长的时间，才能回到地球上空，将样品舱抛下。样品舱没有任何动力，纯粹靠大气减速后落到地面。
样品舱以极高速度返回地球
由此可见，即便不考虑采样过程，只是到火星表面打个来回就已经如此复杂，每一步出错都将功败垂成。那么美国、欧洲和中国都打算用什么方式来实现呢咱们先来看看美欧的MSR“火星采样返回”项目。
美欧合作开展MSR项目，原计划2026年发射
MSR项目由NASA发起，后来欧空局ESA也加入进来。毅力号火星车和机智号火星直升机从某种程度上讲也是MSR的一部分。MSR计划在2026年发射一个4500公斤重的样品返回着陆器（SRL），2028年8月在火星着陆，着陆重量为1200公斤，它包含着陆器、样品转移漫游车（SFR）和火星上升器（MAV），目前倾向于采用动力着陆平台构型方案，由着陆器平台自带的反推火箭实现最后阶段的减速着陆，这正是天问一号的方案。
样品返回着陆器SRL在火星表面着陆
样品转移漫游车SFR由欧空局研发，它将至少在火星表面工作6个月，拾取毅力号采集并封装的31根样品管。你没看错，MSR要运回的正是如今毅力号将要采集的样品。毅力号共装了42根样品管，每个可装20克火星样品。其中31根会陆续放置在火星的特定位置，供SFR拾取。如果到2028年毅力号还能动的话，还可自行将剩余的样品管送到SRL的着陆地点，“亲手”交货。
漫游车将样品交给着陆器
至少31根样品管和100毫升的火星气体将被放置在样品容器中，由火星上升器MAV在2029年8月发射升空并进入环火星轨道。MAV相当于一枚小型两级运载火箭，重约400公斤，由于火星特殊的温度环境，目前比较可行的是两级火箭均采用固体燃料，可以耐低温和长期储存。由于必须足够小，但又要能克服火星引力将样品送上轨道，MAV的研制难度将非常大。
携带样品容器的火星上升器MAV发射
样品容器靠自己当然是无法回到地球的，它在火星轨道会被样品返回轨道器ERO捕获。这个ERO同样将由欧空局制造，也是在2026年发射，它将在火星轨道上等待，直到捕获样本容器，将其装入样品返回舱中，再启动发动机返回地球。
样品返回轨道器由阿里安6火箭发射，重达6吨，与天问一号相当。为了实现火星往返游，ERO进行地火转移、火星逃逸和火地转移时将使用比冲极高的离子发动机，而火星捕获和变轨则使用化学发动机。它将在2031年9月左右回到地球附近，将样品返回舱抛入地球大气层，自己则回到星际空间。最后回到地面的，只有不到100公斤的样品返回舱。
欧洲负责研制并发射的样品返回轨道器
这一组合拳打下来，势必让人眼花缭乱。如果从2020年毅力号发射算起，整个MSR项目耗时十余年，耗资将达到38至44亿美元。它的风险非常大，各个部分稍有差池，几十亿美元就打了水漂了，如果所有环节均成功，人类将首次获得600克左右的火星样品和100毫升火星大气。
如此复杂昂贵的任务，如果放在过去恐怕只有NASA和ESA才玩得转，即便是这两大巨头，在前期论证和准备过程中也遇到了诸多困难，目前SRL的发射时间也已经由2026年推迟到了2028年，样品返回地球的时间恐怕也要顺延。于是，他们遇到了来自中国航天的强力挑战。
我国火星采样返回计划：2028年发射，采样一公斤超过美欧
继天问一号成功绕火和落火之后，我国预计将可能于2028年开展火星采样返回任务，届时将分别用长征三号乙发射由火星着陆器和上升器组成的着上组合体（相当于SFL），用长征五号发射由轨道舱和返回舱构成的轨返组合体（相当于ERO）。这就好像将嫦娥五号分拆为两部分，由两枚火箭发射。预计着陆器将于2029年10月在火星着陆，并用9个月的时间进行火星表面取样。
我国火星采样返回任务的预计时间表
我国火星采样过程很可能也和嫦娥五号类似，并没有学美欧那种花哨的“毅力号扔豆子，漫游车捡豆子”的玩法，而是老老实实地用机械臂进行采样、封装。采样完成后，上升器携带样品起飞并进入火星轨道，与着上组合体对接后将样品交给后者。着上组合体随后离开火星，踏上返回地球的漫漫征程。
15个月后，也就是2031年9月左右，返回舱将进入地球大气层并着陆。据中国探月总工程师吴伟仁院士介绍，将争取实现中国人手里面有一公斤的火星样品，这比美欧MSR项目的600克还要多不少。
嫦娥五号使用机械臂在月面采样
中国航天后来居上，有望先于美欧实现采样返回
人马君认为，按照目前的形势，我国先于美欧实现火星采样返回的可能性很大。这并不是信口开河，而是基于很多理由推断出来的。例如，美欧的MSR项目原定2026年发射，2031年返回，样品返回着陆器足足要走两年多才能在火星着陆，而我们只需要11个月。如今MSR的发射时间又延迟到了2028年，如果还沿用原方案的话，2031年想返回地球是铁定没戏了。
中国的另一大优势，是上升器在无人状态下从外星球起飞，以及在外星球轨道上无人交会对接和样品转移技术，在嫦娥五号月球采样任务中得到了完美地验证，目前在全世界都是“独一份儿”。
嫦娥五号上升器与轨道返回器无人交会对接
美国在阿波罗登月中虽然也实现了月球采样返回，但却是在有人驾驶的条件下完成的。苏联虽然成功进行过月球无人采样返回，但却不是交会对接方式，无法应用于火星。至于隼鸟号、冥王号等取样任务，目标都是引力极小的小行星，与月球、火星的着陆、起飞方式完全不同。因此在这方面，作为后起之秀的中国航天，反而是最有经验的。
此次天问一号携祝融号火星车成功落火，也是中国的一大加分项。美国MSR项目倾向采用的动力着陆平台方式，就与天问着陆器的着陆方式非常类似。与毅力号那种复杂昂贵的“天空起重机”相比，天问一号这种着陆方式更加简单可靠，适合采样返回这类长周期、高风险项目。而天问一号留在环火星轨道上的环绕器，也可以为下一次火星任务提供通信中继和着陆区勘察服务。
天问一号着陆方式更为可靠
其实，中国航天还有一项隐藏的优势，那就是心齐，能够集中力量办大事。相比之下，MSR项目由美欧合作完成，欧空局在里面扮演了相当重要的角色，不仅要建造样品转移漫游车，还负责研制和发射样品返回飞行器，将样品万里迢迢送回地球，是项目的关键一环。而到目前为止，欧空局所有登陆火星的尝试无一成功，也就从来没能实际操纵过一辆火星车，可以说经验不足。
此外，当年的土星探测项目“卡西尼-惠更斯”号也是一个美欧合作项目，欧空局研制了惠更斯号探测器。惠更斯号成功登陆了土卫六并且工作了90分钟，然而欧洲人编写的一个软件指令程序却存在低级错误，导致一半的照片数据未能传回母船卡西尼号，留下了巨大的遗憾。这件事也说明了多国合作项目的复杂性，存在不可预知的风险。
美欧合作的卡西尼-惠更斯项目
而这些问题在中国航天是不存在的。虽然火星探测这种高度复杂的任务也有着繁琐的接口关系，但却都是“人民内部矛盾”，不需要不同国家之间的协调。团结就是力量，人马君坚信只要火星采样返回项目能够如期开展，中国航天人一定能够排除万难来完成它，再结合前面的分析，相比美欧的赢面会很大！
