第40章 火星采样

    赛什腾山天文台会议室，同事们要沈星海讲讲我国的火星采样技术。

    “2019年11月，由美国国家航空航天局nasa和欧洲航天局esa共同设计的“火星采样返回”msr，该任务耗资70亿美元，分四步走，计划从火星上采集约600克样本送回地球。

    目前美国实现火星采样返回的进度，大概需要8到10年。相信大家都知道，探测火星，探测器需要完成下面四个基本步骤，环绕、着陆、巡视和采样返回。

    当然我们国家将来也可能实现登陆火星，甚至火星殖民。美国是全世界第一个开始火星科学研究的国家，1964年10月美国“水手4号”探测器就向地球传回人类史上第一张有关火星表面的近距离图像。

    在过去的20多年里，我们国家在火星探测方面已经取得了很多的成果。我们知道火星史前时期存在过液态水，因此火星上有许多干枯的网状河道，洪积扇和三角洲。

    另外火星地表存在着大量的次生矿物，比如说层状硅酸盐、硫酸盐、含水物质二氧化硅、含氯物质等等。

    地球上95的甲烷都是由生物产生的，一种生活在沼泽中的细菌，被称作沼气菌，它们以有机物质为食，地球大气层中几乎四分之一的甲烷都是这些细菌排出来的。让人惊喜的是科学家在火星上找到了甲烷，难道这些甲烷意味着火星上也存在生物？

    但是要解开火星上是否曾经出现生命这个终极谜题，我们必须利用各种复杂的检测方法到火星土壤中寻找早期生命活动的痕迹，这些检测方法需要的实验仪器太过沉重庞大目前是无法送上火星的。

    现在人类的殖民火星计划还不成熟，暂时也只有把希望寄托在人类对火星样品的研究上。可以说只要从火星上取回一些泥土样本或者岩石样本，对以后的几代科学家和航天人都有非常重大的研究价值。

    美国的毅力号已经在火星上开始了采样工作，目前已经采集了十几管样品，毅力号一共会采集43管火星大气、土壤和岩石的样品。然而毅力号探测器不具备返航的功能，要将样品送回地球，还需要等待下一次发射接回样品。

    从火星上把采集的样品带回地球，比从月球上取样难的多，因为火星的重力是月球的24倍，而且火星还有大气层，想要从火星表面把采集的样品送到火星空间轨道，探测器就必须在出发时携带更多的载荷。

    以目前世界上的航天技术来看，没有哪个国家能够一蹴而就，只靠发射一次探测器带回火星样品。

    美国宇航局之前计划两次发射方案，一次发射上升器组合体，一次发射轨返组合体，nasa早期的方案，美国大力神五代火箭负责上升器组合体，esa 阿里安航天火箭负责轨返组合体。

    上升器组合体负责从火星地表起飞，突破火星大气层用火箭将毅力号火星车采样的样品，从火星地表送到火星的空间轨道，然后在火星空间轨道上升器组合体和轨返组合体进行对接，轨返组合体接收到样本后变轨进入火地转移轨道返回地球。

    可以看到轨返组合体的任务比较简单，轨返组合体只需要如期出现在火星轨道上，和上升器组合体完成样品交接即可，送回地球就算完成任务，在火星采样返回计划中轨返组合体是由欧空局负责的。

    而任务关键的技术部分上升器组合体，基本上就跟欧洲人没关系，上升器组合体大部分的方案论证和研发都是由nasa自己完成。

    我是做火箭的，据我了解上升器组合体的返回器其实就是一枚在火星发射的小火箭，这枚火箭需要在火星表面发射摆脱火星的引力，突破火星大气层，返回火星轨道。

    这里会遭遇到重重困难，火星可没有像我们公司那样平整的人造发射场，在上升器组合体着陆火星的时候，下降速度是每秒6000米左右，一定要保证上升器组合体下落的姿态和着落的位置，一旦上升器组合体在大气层中出现稍微一丁点偏差，就有可能导致整个上升器组合体报废。

    这样的话上升器组合体的着陆地点选择就必须非常讲究，松软的沙子、凹凸的岩块和火星上的风暴，都有可能造成着陆角度的偏差，如果着陆角度偏差过大，火箭就没办法飞回预定轨道，就会导致上升器组合体回收样本任务失败。

    现在nasa和欧空局把着陆地点选在了一个名为耶泽罗陨击坑附近，这个陨石坑形成于36亿年前，它地貌丰富，有黏土和碳酸盐岩等，可能还有水流曾经带来的各种矿物质，对研究火星很有价值，同时这里的地表比较坚硬，拥有一大片平坦的区域地形，是一个理想的着陆点。

    如果上升器组合体顺利着落，在火星发射火箭过程也很艰难，多级火箭间的配合，每级与次级之间的自动分离，各级火箭的适时启动，都需要极复杂的机构和极缜密的设计，这是一个棘手的问题。

    火箭是由几十万个零部件组成的，即使只有一个零件不可靠，整个火箭就有危险，在取样返回时上升器组合体，全程靠系统自动控制火箭返回的风险会呈几何倍数增加。

    为此nasa设计了看起来有些与众不同的上升器组合体，让火箭水平起飞，然后在半空中点火飞到预定轨道。现在nasa的上升器组合体仍在测试机阶段，不过就算上升器组合体再难搞，也就是将一枚数公斤的铁球，发射到了火星的近地轨道上，从nasa完成的进展来看，他们没有遇到什么大难题。

    飞往火星的窗口期每两年会出现一次，按nasa公布的时间表来看，2026年由欧空局发射轨道返回舱，nasa上升器组合体会在2028年发射。

    我国的天问一号成功一次性完成了对火星地，环绕、巡视、着陆。前段时间天问一号总设计师公布了火星采样和返回方案，和nasa的方案差不多。

    我们也是两次发射探测器，上升器组合体，轨返组合体分开发射，火星样品在火星轨道上交换对接，样品由轨返组合体带回地球，这里唯一不同的就是，中国的上升器组合体还承担了火星采样任务。”

    有同事问沈星海：“从任务计划可以看出，欧空局2026年就起飞了，中国计划2028年发射，晚了两年中国又何来的反超呢？”