作者：時(shí)蓬，范全林，湯惟瑋
中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心
空間科學(xué)與深空探測規(guī)劃論證中心
01
引言
火星是人類探測和登陸次數(shù)最多的類地行星，也是目前繼月球后最有希望實(shí)現(xiàn)載人登陸的地外天體。當(dāng)前有8個(gè)火星探測器在工作，包括美國國家航空航天局（NASA）的好奇號(hào)巡視器（Curiosity）、洞察號(hào)著陸器（InSight）、2001火星奧德賽號(hào)（ODY）、火星勘測軌道器（MRO）、火星大氣與揮發(fā)物演化軌道器（MAVEN），歐洲空間局（ESA）的火星快車（MEX）、火星痕量氣體軌道器（TGO），以及印度的曼加里安火星軌道器（MOM）。2020年我國首次火星探測任務(wù)（天問一號(hào)）、美國的火星2020任務(wù)（Mars 2020），以及阿聯(lián)酋的希望號(hào)任務(wù)（Hope Mars），計(jì)劃于7月下旬至8月上旬陸續(xù)發(fā)射，將進(jìn)一步開啟人類對(duì)火星生命指征、空間環(huán)境與氣候、地質(zhì)演化及生存保障等前沿問題的新認(rèn)知[1]。
與此同時(shí)，美、日和我國都宣布了火星采樣返回任務(wù)的計(jì)劃或相關(guān)設(shè)想。其中NASA的2030“火星采樣返回”（MSR）任務(wù)將分步實(shí)施。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的火星衛(wèi)星探測任務(wù)（MMX）[2]計(jì)劃于2024年發(fā)射，2029年實(shí)現(xiàn)火衛(wèi)一樣品返回地球。中國也規(guī)劃了2030年前后火星采樣返回任務(wù)，分析火星宜居環(huán)境及其演化歷史等。
02
火星采樣返回的科學(xué)方向
美國引領(lǐng)了火星探測的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破。NASA的火星探測是以發(fā)現(xiàn)為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的長期而系統(tǒng)的探索計(jì)劃（MEP），其目標(biāo)從早期的“追蹤水的痕跡”和“探索宜居性”，轉(zhuǎn)變?yōu)椤八褜どE象”以及“為載人登陸火星探索做準(zhǔn)備”，形成不斷演進(jìn)的4個(gè)科學(xué)方向[3]。
（1）生命。搜尋火星過去或現(xiàn)存的液態(tài)水，是尋找火星生命的最佳起點(diǎn)與研究焦點(diǎn)。
（2）氣候。認(rèn)識(shí)火星氣候演變，揭示極地冰蓋的形成，探測大氣中水隨季節(jié)的變化。
（3）地質(zhì)。水在火星的地質(zhì)變化過程中，例如表面侵蝕、巖石風(fēng)化、冰川作用、火山活動(dòng)、成巖過程、變質(zhì)作用等，起到重要作用。
（4）為載人登陸火星探索做準(zhǔn)備。例如載人登陸任務(wù)設(shè)計(jì)、火星資源原位利用、生物污染和行星保護(hù)、火星衛(wèi)星載人探測等。
目前火星研究仍受到分析儀器和探測手段的諸多限制。很多先進(jìn)的科學(xué)設(shè)備受體積、質(zhì)量或功率等約束無法發(fā)射至火星軌道并降落至火星表面；現(xiàn)有的火星機(jī)器人探測只能根據(jù)預(yù)設(shè)的探測流程和分析方法等進(jìn)行研究，不能像科學(xué)家在地面實(shí)驗(yàn)室那樣做很多復(fù)雜的分析工作。采樣返回即使只帶回少量樣品，也能通過大量高精密先進(jìn)儀器分析，給出更為全面細(xì)致的結(jié)果，對(duì)于尋找生命指征、地質(zhì)組成及演化、氣候變化及大氣與地面相互作用，以及載人登陸探測等多項(xiàng)關(guān)鍵科學(xué)問題有望給出明確答案。采樣返回任務(wù)已成為未來十年火星探測的重點(diǎn)，也將牽引多項(xiàng)空間技術(shù)創(chuàng)新。
03
美日火星采樣返回任務(wù)分析
3.1 美國MSR任務(wù)
在NASA科學(xué)任務(wù)理事會(huì)（SMD）的領(lǐng)導(dǎo)下，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）負(fù)責(zé)美國火星探測任務(wù)的實(shí)施，并管理美國深空測控通信網(wǎng)（DSN）。MSR任務(wù)在美國科學(xué)院發(fā)布的《2013-2022年行星科學(xué)十年規(guī)劃與展望》[4]報(bào)告中被列為最優(yōu)先的旗艦任務(wù)，將分步實(shí)施，預(yù)計(jì)歷時(shí)逾10年，2020年和2026年分別實(shí)施1次和2次地球發(fā)射，2028年實(shí)施1次火星發(fā)射，2031年將約600g火星樣品返回地球。
MSR任務(wù)包括“采集樣品、收集樣管、火軌交接、返回地球”等4個(gè)關(guān)鍵步驟，分別由毅力號(hào)火星車（Perseverance）、樣品收集火星車（SFR）、樣品返回著陸器（SRL）、返回地球軌道器（ERO）等完成。其中SRL配置了樣品管抓取臂（STA），并搭載了SFR、火星上升火箭（MAV）和樣品入軌儲(chǔ)納球（OS）等，ERO包括返回地球模塊（ERM）、地球再入器（EEV）、抓取和導(dǎo)入模塊（COM）、保存模塊（CM）等。
MSR任務(wù)由美國主導(dǎo)，NASA負(fù)責(zé)毅力號(hào)、SRL、MAV、OS、EEV等研制，ESA負(fù)責(zé)SFR、STA、ERO等研制。MSR任務(wù)預(yù)算70億美元[5]，NASA已投入24.6億美元用于毅力號(hào)任務(wù)，并為MSR后續(xù)任務(wù)安排了逾26.8億美元預(yù)算，ESA預(yù)計(jì)貢獻(xiàn)15億歐元。
MSR任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)
火星與地球環(huán)境的相似性和可能存在生命等被列為行星科學(xué)的研究重點(diǎn)，在任務(wù)規(guī)劃和科學(xué)目標(biāo)制定上享有優(yōu)先權(quán)[6]，MSR任務(wù)將闡述其中多個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題。
表1 MSR任務(wù)將闡釋的部分關(guān)鍵科學(xué)問題
MSR任務(wù)主要流程
（1）采集樣品，由毅力號(hào)完成。2020年7月NASA發(fā)射毅力號(hào)，2021年2月著陸火星表面后，開展巡視探測任務(wù)，同時(shí)根據(jù)“站點(diǎn)緩存”策略執(zhí)行樣品采集任務(wù)。它將攜帶43根鋼筆型手電筒大小的樣品保存管，其中5根將作為參考管，以確定精心挑選的火星巖石和沙礫樣品沒有受到源于地球的無機(jī)和有機(jī)物污染[6]。部分樣品管會(huì)存儲(chǔ)到毅力號(hào)中，部分會(huì)緩存在精確標(biāo)注、易于抵達(dá)的著陸點(diǎn)附近，以便后續(xù)樣管收集任務(wù)的開展。
（2）收集樣管，主要由SFR完成。2026年，NASA將發(fā)射SRL，在毅力號(hào)著陸點(diǎn)附近降落，并釋放質(zhì)量約130kg、茶幾大小的SFR。SFR不攜帶科學(xué)儀器，其工作是收集樣品保存管并將它們歸置于SRL，由STA將樣管裝載到OS中，OS同時(shí)充當(dāng)樣品管的第1層保護(hù)殼。樣管收集過程預(yù)計(jì)用時(shí)近6個(gè)月。屆時(shí)如果毅力號(hào)仍能正常工作，它也可以直接將樣品管運(yùn)送至SRL附近。SRL的最終方案還沒有確定，目前傾向于使用鳳凰號(hào)（PHX）和洞察號(hào)任務(wù)的推進(jìn)平臺(tái)方案，也可能采用好奇號(hào)和毅力號(hào)的空中吊車方案。
圖1 樣品入軌儲(chǔ)納球概念模型圖片來源：JPL
（3）火軌交接，MAV從火星表面發(fā)射，搭載OS上升進(jìn)入環(huán)火軌道。ERO通過COM在軌捕獲OS，并轉(zhuǎn)移至CM模塊中。對(duì)OS進(jìn)行封裝（作為樣品管的第2層保護(hù)殼），并在置于第3層保護(hù)殼之前對(duì)其消毒，最后一并安裝在具有第4層保護(hù)殼功能的碟型EEV中。對(duì)樣品管實(shí)施俄羅斯套娃般的4重保護(hù)，確保火星樣品不會(huì)泄漏污染地球，同時(shí)也不會(huì)被地球污染。交接完成后，ERO的COM和CM模塊都將被棄置在環(huán)火軌道上。MAV為小型運(yùn)載火箭，質(zhì)量約400kg，其最終方案還在研究，可能采用單級(jí)混合推進(jìn)或者兩級(jí)固體推進(jìn)，前者具有高精度傳輸及長時(shí)間保存方面的優(yōu)勢，后者具有技術(shù)成熟度方面的優(yōu)勢[7]。
圖2 ERO結(jié)構(gòu)組成及樣品保存管4層保護(hù)殼示意圖片參考：JPL
（4）返回地球，由ERO攜帶ERM脫離環(huán)火軌道，完成火地飛行，對(duì)準(zhǔn)地球軌道后ERM釋放EEV，后者再入地球大氣層并硬著陸于猶他州（Utah）的沙漠或干涸的湖床。
MSR任務(wù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
MSR任務(wù)需要突破的重點(diǎn)技術(shù)[4]包括樣品采集與保存、樣品火軌交接、非傳統(tǒng)地火霍曼轉(zhuǎn)移飛行、滅菌與行星保護(hù)、首次火星MAV發(fā)射等。
（1）非傳統(tǒng)地火霍曼轉(zhuǎn)移飛行。不同于以往火星探測任務(wù)約9個(gè)月的地火轉(zhuǎn)移飛行，2026年發(fā)射的SRL和ERO均要用時(shí)2年到達(dá)火星，對(duì)航天器可靠性和空間環(huán)境防護(hù)要求均較高。對(duì)NASA而言，一方面，SRL攜帶的MAV和SFR等設(shè)備的質(zhì)量很大，超過好奇號(hào)和毅力號(hào)兩個(gè)火星車質(zhì)量的總和；另一方面，SRL登陸火星的窗口要避開2027年8月火星北部沙塵暴最為嚴(yán)重的季節(jié)。因此，NASA選取了比傳統(tǒng)地火轉(zhuǎn)移軌道更長的航程。對(duì)ESA而言，擬采用的阿麗亞娜6型火箭推力不足，因此ESA基于以時(shí)間換能力的策略，借鑒貝皮·科倫布號(hào)水星探測器（Bepi Colombo）的離子推進(jìn)技術(shù)，采用常規(guī)化學(xué)和離子的多步驟推進(jìn)方式，實(shí)現(xiàn)ERO的2年奔火、2年返地的雙航程。
（2）滅菌與行星保護(hù)。ERO列入COSPAR行星保護(hù)任務(wù)政策要求中最嚴(yán)格的第五類[8]，即限制返回類，具體要求包括：不得撞擊地球或月球，對(duì)返回硬件消毒，不得污染樣品。此外還要采取措施打斷火星與地球的接觸鏈，減少對(duì)火星的潛在污染。毅力號(hào)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)級(jí)和子系統(tǒng)級(jí)的滅菌方法。其中，系統(tǒng)級(jí)滅菌方法，類似于海盜號(hào)在組裝后和發(fā)射前的熱處理或干熱微生物消毒（DHMR）等；子系統(tǒng)級(jí)滅菌方法，是部件級(jí)滅菌和清潔組裝策略，包括無菌裝配與污染預(yù)防等。
（3）樣品采集與保存。毅力號(hào)要在好奇號(hào)粉末采集鉆孔系統(tǒng)（PADS）基礎(chǔ)上，以更小質(zhì)量實(shí)現(xiàn)傾斜地形多類型巖石鉆取；同時(shí)將樣品密封至保存管，并滿足嚴(yán)格的行星保護(hù)和污染控制要求。
（4）樣品火軌交接。ERO對(duì)OS在軌捕獲過程由搜索、跟蹤、捕獲和轉(zhuǎn)移等一系列復(fù)雜操作組成，預(yù)計(jì)持續(xù)一個(gè)多月時(shí)間，涉及自主精確捕獲裝置、高精度光學(xué)傳感器、無線電信標(biāo)、自主GNC系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，并需開展相關(guān)地面驗(yàn)證。
（5）樣品安全返回。為滿足樣品完整性和行星保護(hù)，要求ERM在EEV釋放、微流星體撞擊、再入氣動(dòng)加熱及其他異常情況下有極高的可靠性。
（6）OS的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)。OS用鈦制成，質(zhì)量不大于12kg，約籃球大小，直徑約28cm，用鋁泡沫充當(dāng)樣品管間填充物，并有滿足熱反射、反照率和鏡面反射要求的金制表面。OS在火星環(huán)境下組裝，與SRL、MAV以及ERO都留有接口，可耐受火星表面、火星軌道，以及再入地球大氣層的環(huán)境考驗(yàn)。
3.2 日本MMX任務(wù)
MMX任務(wù)基于“隼鳥號(hào)”小行星探測和采樣返回任務(wù)的成功基礎(chǔ)，將對(duì)火衛(wèi)一（Phobos）和火衛(wèi)二（Deimos）開展近距離遙感和就位探測，并從火衛(wèi)一采樣返回。MMX任務(wù)將拓展對(duì)火衛(wèi)一面臨的緩慢解體過程的認(rèn)知，分析火衛(wèi)一和火衛(wèi)二的來源，加深對(duì)兩顆衛(wèi)星奇特形狀和軌道的了解，為研究火星水的演化提供線索[9]。這是繼2011年俄羅斯Phobos-Grunt采樣返回任務(wù)失利后，人類再有機(jī)會(huì)“首次”探測火星衛(wèi)星。
MMX任務(wù)發(fā)射重量3000kg，其中探測器（含樣品返回器）1050kg，著陸器150kg，推進(jìn)艙1800kg。有效載荷主要由JAXA研制，包括3類：一是元素探測載荷，包括多波段光學(xué)成像相機(jī)（OROCHI）、近紅外光譜儀（MacrOmega, 法國國家空間研究中心CNES）、伽馬射線和中子光譜儀（MEGANE, NASA）等；二是空間環(huán)境探測載荷，包括質(zhì)譜儀（MSA）、環(huán)火星塵埃監(jiān)測儀（CMDM）；三是采樣載荷，包括窄譜地貌相機(jī)（TENGOO）、激光測距雷達(dá)（LIDAR）等。其中MEGANE在日語中意為“眼鏡”，由NASA和約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室在信使號(hào)（MESSENGER）水星探測器和Psyche小行星任務(wù)光譜儀基礎(chǔ)上研制。
圖3 MMX系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖片參考：JAXA
根據(jù)火衛(wèi)一表面物性的不同，MMX的四足著陸器設(shè)計(jì)了兩種取樣機(jī)制：一是利用鉆頭在表面挖掘至少2cm深，采集至少10g樣品，二是著陸后噴出氣體將土壤顆粒吹入樣品容器。
MMX任務(wù)中還包括1個(gè)小型巡視器，其設(shè)計(jì)基于CNES和德國宇航中心（DLR）為隼鳥2號(hào)任務(wù)研制的MASCOT著陸器，預(yù)計(jì)搭載拉曼光譜儀（RAX）、輻射計(jì)（miniRAD），以及導(dǎo)航相機(jī)（NavCAM）和避障相機(jī)（WheelCAM）等，對(duì)火衛(wèi)一的地形和化學(xué)成分等開展3個(gè)月的就位探測。與MASCOT跳動(dòng)的移動(dòng)方式和不可充電鋰電池不同，該巡視器擬采用輪式漫游移動(dòng)，并用太陽能充電。
MMX完成火衛(wèi)一樣品采集后，探測器攜帶樣品返回器，再次進(jìn)入環(huán)火軌道對(duì)火衛(wèi)二進(jìn)行飛掠探測。
圖4 MMX任務(wù)流程圖片參考：JAXA
04
美日火星采樣返回任務(wù)的啟示
根據(jù)規(guī)劃，我國擬于2030年前后實(shí)施火星取樣返回任務(wù)[10]，對(duì)火星隕石和返回樣品進(jìn)行分析，研究制約火星有機(jī)質(zhì)的成因、水巖作用、幔源揮發(fā)分含量等關(guān)鍵科學(xué)問題。
分析NASA的MSR任務(wù)，美國縱為航天強(qiáng)國，依然采取了分步實(shí)施的審慎策略。相比NASA以往的載人登月、小行星采樣返回等任務(wù)一次實(shí)現(xiàn)采樣返回不同，MSR任務(wù)將采用分步驟、多次發(fā)射、多種探測器相互配合的模式，用時(shí)10多年逐漸開展，其主要原因，一是行星采樣返回技術(shù)難度大，火星引力、地火距離等都遠(yuǎn)超月球，分步實(shí)施既有降低技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)的考慮，也有采樣、返回等各種設(shè)備質(zhì)量大，無法通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)的限制；二是利用6年左右時(shí)間實(shí)現(xiàn)自主探測與采樣保存，再返回，便于開展細(xì)致的樣品分析與采集工作，使采集到的樣品具有更多科學(xué)價(jià)值。
數(shù)據(jù)中繼對(duì)于火星探測和采樣返回任務(wù)至關(guān)重要。在“專注快速”的理念下，NASA將主要利用在役的火星軌道器提供數(shù)據(jù)中繼。火星2020任務(wù)中沒有開發(fā)新的軌道器，MSR任務(wù)既可能依賴屆時(shí)仍在役的軌道器，也可能直接使用任務(wù)本身的ERO承擔(dān)部分?jǐn)?shù)據(jù)中繼服務(wù)。
當(dāng)前，我國首次火星探測任務(wù)和探月工程嫦娥五號(hào)采樣返回任務(wù)都在按計(jì)劃推進(jìn)。“鵲橋”中繼衛(wèi)星，將位于月背的嫦娥四號(hào)科學(xué)數(shù)據(jù)第一時(shí)間傳回地球，具有重大科學(xué)與工程意義。國際火星采樣返回任務(wù)分步實(shí)施與數(shù)據(jù)中繼的策略，和我國火星任務(wù)的相關(guān)規(guī)劃與技術(shù)路線有異曲同工之妙，值得繼續(xù)關(guān)注。
來源：《空間科學(xué)學(xué)報(bào)》2020年第3期
