中國火星探測(cè)：2028出發(fā)，2031返回

2025中國航天大會(huì)上，國家航天局探月與航天工程中心天問三號(hào)任務(wù)總設(shè)計(jì)師劉繼忠進(jìn)行了關(guān)于《火星取樣返回的挑戰(zhàn)與突破》的分享，介紹了我國火星探測(cè)任務(wù)的概況、目標(biāo)、階段等內(nèi)容。

未來，天問三號(hào)任務(wù)計(jì)劃2028年左右啟程，2031年完成火星取樣任務(wù)。

自1960年以來，人類探測(cè)火星經(jīng)歷了爆發(fā)期（1960-1976）、低潮期（1976-1991）、新階段（1992至今）三個(gè)時(shí)期。截至當(dāng)前，針對(duì)火星探測(cè)共有7個(gè)國家/組織參與，累計(jì)進(jìn)行了47次火星探測(cè)任務(wù)。

01、火星取樣：三大目標(biāo)，三個(gè)階段

中國火星取樣返回的進(jìn)展上，已形成科學(xué)、技術(shù)、工程三方面的天問三號(hào)任務(wù)目標(biāo)體系。

• 科學(xué)目標(biāo)。探尋火星潛在的生命痕跡，探研地質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，探查大氣循環(huán)與逃逸過程。
• 技術(shù)目標(biāo)。突破火星起飛上升、環(huán)火交會(huì)、行星保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，形成火星取樣返回能力。
• 工程目標(biāo)。2031年前后實(shí)現(xiàn)火星樣品返回地球。

圍繞三大目標(biāo)體系，設(shè)定了17類任務(wù)場(chǎng)景、123類能力需求。

在系統(tǒng)組成上，工程總體包括探測(cè)器系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、著陸場(chǎng)系統(tǒng)、地面應(yīng)用系統(tǒng)、行星保護(hù)系統(tǒng)，共七大類。

在具體步驟上，我國火星取樣返回分為地面研制、飛行、地面研究三個(gè)階段。

計(jì)劃用兩次長征五號(hào)（CZ-5）運(yùn)載火箭發(fā)射，將“軌返組合體”和“上著服組合體”發(fā)送至火星軌道；通過二者協(xié)作，完成火星取樣任務(wù)返回地球。

“天問三號(hào)”探測(cè)器共包括著陸器、上升器、服務(wù)器組合體和軌道器、返回器組合體，共配置6臺(tái)科學(xué)載荷。

• 軌道器環(huán)火軌道為約350公里圓軌道，姿態(tài)對(duì)日定向，設(shè)計(jì)壽命不少于5年，配置中紅外超精細(xì)成像光譜儀和火星全球多色相機(jī)。
• 服務(wù)器環(huán)火軌道為近火點(diǎn)約400公里環(huán)火大橢圓軌道，留軌探測(cè)約2個(gè)火星年，設(shè)計(jì)壽命不少于5年，配置沉降ENA極光探測(cè)儀和高精度矢量磁強(qiáng)計(jì)。
• 著陸器配置超寬帶探測(cè)雷達(dá)和拉曼-熒光光譜儀。

具體流程上，將會(huì)包括發(fā)射、地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、大氣制動(dòng)、火星停泊、離軌著陸、火面工作、火面上升、交會(huì)捕捉、環(huán)火等待、火地轉(zhuǎn)移、再入回收、持續(xù)探測(cè)。

02、火星探測(cè)的主要挑戰(zhàn)

盡管已有火星取樣的規(guī)劃方案，但在具體實(shí)施上，還面臨多項(xiàng)約束和挑戰(zhàn)。

科學(xué)挑戰(zhàn)上，主要包括生命痕跡難識(shí)別、生命痕跡高富集性選址難。

工程挑戰(zhàn)上，主要難點(diǎn)在任務(wù)規(guī)模與運(yùn)輸能力難匹配、行星保護(hù)實(shí)現(xiàn)難。

而火星取樣返回任務(wù)的技術(shù)挑戰(zhàn)中，火面采樣、火面起飛上升、環(huán)火交會(huì)捕捉是三個(gè)核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

火面采樣的挑戰(zhàn)主要包括：

• 樣品特性未知。火壤物理力學(xué)特性未知，采樣難度大。
• 風(fēng)沙環(huán)境復(fù)雜。沙塵暴時(shí)空變化復(fù)雜，影響能源、采樣裝飾等。
• 自主性要求高。實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)性難確保。
• 樣品原始性保證難。羽流污染范圍大，樣品原始性難確保。

不過，在火面采樣的突破上，我國特色復(fù)合采樣體系具有多點(diǎn)表面采樣、深度取樣、飛行區(qū)輔助采樣三個(gè)特點(diǎn)。

火面起飛上升的挑戰(zhàn)主要包括：

• 火星引力大。火星重力約為月球2倍，克服重力入軌能力需求高。
• 火星大氣稀薄。氣壓僅為地球1%，上升器氣動(dòng)設(shè)計(jì)要求高。
• 火面溫度交變大。熱控難度大，低溫發(fā)動(dòng)機(jī)性能難保持。
• 資源約束大。重量、空間資源小，上升器規(guī)模有限，輕量化集成要求高。

環(huán)火交會(huì)捕捉的挑戰(zhàn)在于：

• 資源受限。上升期難以匹配傳統(tǒng)交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)，入軌散布大，對(duì)接難度大。
• 交會(huì)捕捉全自主。地火距離遠(yuǎn)（最近距離5000萬公里，最遠(yuǎn)距離4億公里），延時(shí)測(cè)控大，捕獲過程自主性要求高
• 目標(biāo)識(shí)別難。樣品容器反射面小、姿態(tài)不確定性大、識(shí)別難、存在雙目標(biāo)探測(cè)跟蹤問題。

此外，在任務(wù)規(guī)模與發(fā)射能力關(guān)系上，如果以長征五號(hào)火箭探測(cè)月球?qū)Ρ龋綔y(cè)火星還存在捕獲難度更大，雙向延時(shí)更長等難點(diǎn)。

在技術(shù)突破上，需要使用2發(fā)長征五號(hào)火箭，在同一時(shí)間窗口間隔24天發(fā)射，實(shí)時(shí)零窗口技術(shù)，并延長火箭滑行時(shí)間。

03、未來火星探測(cè)：繞、著、巡、回、？

劉繼忠總工程師還介紹到，未來我國火星探測(cè)包括繞、著、巡、回等幾個(gè)步驟，并有計(jì)劃開展火面長期運(yùn)行。

未來火星探測(cè)規(guī)劃上，要點(diǎn)包括：

• 地火大質(zhì)量往返運(yùn)輸。往返投送運(yùn)輸、火面推進(jìn)劑制備、在軌加注與管理……
• 火面運(yùn)輸與操作。火面遠(yuǎn)距離往返航行、星表多智能體協(xié)同、生態(tài)圈構(gòu)造……
• 科學(xué)應(yīng)用與技術(shù)驗(yàn)證。大范圍地質(zhì)勘探、水探測(cè)及提取、火面天文觀測(cè)……
• 火面長期運(yùn)行支持。星表堆電源技術(shù)、原位資源開發(fā)利用、航天員保障技術(shù)……

在火星探測(cè)上，我國還將開展一系列多層次多類型國際合作。

4月24日，中國國家航天局面向國際社會(huì)發(fā)布的《天問三號(hào)火星取樣返回任務(wù)國際合作機(jī)遇公告》顯示，將共開放天問三號(hào)探測(cè)器20千克質(zhì)量資源，包括不超過15千克的軌道器資源和不超過5千克的服務(wù)器資源。

天問三號(hào)尚需2發(fā)長征五號(hào)火箭，未來，后續(xù)火星探測(cè)、月球探測(cè)等任務(wù)可能由長征九號(hào)擔(dān)當(dāng)主角。

2025中國航天大會(huì)上，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究員姜杰院士的《重型重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展路徑》報(bào)告中，展示了我國重型運(yùn)載火箭長征九號(hào)（CZ-9）的最新規(guī)劃。

新一代重型運(yùn)載火箭長征九號(hào)，直徑10米級(jí)，分為三級(jí)兩級(jí)串聯(lián)構(gòu)型，分別采用液氧甲烷和液氧液氫動(dòng)力。

CZ-9起飛質(zhì)量約4400噸級(jí)，推力約6000噸；LTO運(yùn)力50噸級(jí)（月球探測(cè)），MEO運(yùn)力30噸級(jí)（火星探測(cè)），LEO運(yùn)力100噸級(jí)（近地任務(wù)）。

CZ-9將用于執(zhí)行近地軌道、地月/地火轉(zhuǎn)移軌道、地球同步轉(zhuǎn)移軌道等各類發(fā)射任務(wù)，將具備大規(guī)模航班化空間運(yùn)輸能力。

據(jù)央視新聞報(bào)道，我國將加快推動(dòng)重型運(yùn)載火箭工程實(shí)施，長征九號(hào)一級(jí)重復(fù)使用構(gòu)型計(jì)劃2030年首飛，兩級(jí)完全重復(fù)使用構(gòu)型計(jì)劃2033年至2035年首飛。

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參考及引用：
《火星取樣返回的挑戰(zhàn)與突破》國家航天局探月與航天工程中心天問三號(hào)任務(wù)總設(shè)計(jì)師 劉繼忠；
《重型重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展路徑》中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究員 姜杰；
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