火星样本取回任务

在火星发射样本火箭概念图

火星样本取回任务（英语：Mars sample-return mission, MSR），是一项计划并部分执行中的任务，旨在收集火星上的岩石和尘埃样本并将其送回地球进行更加广泛的分析。

截至 2022 年，美国国家航空暨太空总署（NASA）和欧洲太空总署（ESA）合作将样本送回地球的计划仍处于设计阶段，但毅力号火星车目前已经在火星上收集样本。

2006 年，火星探测计划分析小组确定了 55 项与火星探测有关的重要调查。 2008 年时，他们得出的结论是：大约一半的调查“可以在某种程度上由火星样本取回任务解决”，使火星样本取回任务成为“在整个调查清单中取得最大进展的单一任务”。此外，据报导，如果没有返回样本，很大一部分调查就无法有意义地推进。

此外，火星样本的其中一个来源是火星陨石，它们是从火星喷出并进入地球的岩石。截至 2019 年 4 月，在 61,000 多颗已知陨石中，有 266 颗陨石被确定为火星陨石。这些陨石被认为来自火星，是因为它们的元素和同位素组成类似于在火星上分析的岩石和大气气体。

历史

火星样本取回任务的概念图(1993年)

三十年以来，科学家一直希望能从火星采回地质样本。早期的概念之一是火星调查样本收集 (SCIM) 提案，该提案涉将发送探测器在掠过火星上层大气的过程中收集尘埃和空气样本，而无需着陆或绕轨。

苏联在 1975 年考虑了火星样本返回任务 Mars 5NM，但由于发射它的N1火箭一再失败，该任务被取消。计划于 1979 年进行的另一项样本返回任务 Mars 5M（Mars-79）也因复杂性和技术问题而被取消。

美国的火星探索计划是在 1993 年 9 月火星观察者号失败后成立的，他们支持研发取回火星样本的任务。

1996 年，人们认为在火星陨石ALH84001中发现了明显的微化石，提出了火星上存在生命的可能性。这一假设最终被否决，但重新引起了人们对火星样本返回的兴趣。

2006 年年中，国际火星探测工作组 (IMEWG) 授权成立国际火星样本返回架构 (iMARS) 工作组，以概述国际赞助和执行的火星样本返回任务的科学和工程要求。

NASA 的火星探索计划曾考虑在 2008 年之前返回样本的任务概念，但在计划审查后被取消。

2001 年夏天，喷气推进实验室 (JPL) 向行业领导的团队（波音、洛克希德马丁和 TRW）请求任务概念和建议。之后也向某些大学航空工程系（麻省理工学院和密歇根大学）提出了类似的请求。2009 年 10 月，NASA 和 ESA 建立了火星探索联合倡议，以推进 ExoMars 计划，其最终目标是“在 2020 年代从火星返回样本”。

ExoMars 的第一个任务计划于 2018 年发射，后续的任务是在 2020-2022 年的时间范围内返回样本。但在2011 年取消缓存漫游车 MAX-C，后来 NASA 由于预算限制从 ExoMars 撤出，结束了任务。

2011 年初，美国国家研究委员会的行星科学十年调查制定了 2013-2022 年期间的任务规划优先事项，宣布火星样本取回任务是该期间最优先的旗舰任务。

2012 年 9 月，NASA 宣布进一步研究将火星样本带到地球的几种策略最早于 2018 年开始执行任务。

2018 年 7 月，NASA与空中巴士公司签订合约，以生产“捡取样本火星车”。

2018 年 4 月，NASA 和 ESA 签署了一份同意书，该同意书可能为火星样本返回任务提供基础。

2019 年 7 月，提出了一种任务架构。

2020 年 4 月，提出了任务的更新版本。

2022 年 7 月 27 日，NASA 宣布任务中将不发射捡取样本火星车，而使用随样本取回着陆器登陆火星，以机智号为原型的样本回收直升机。

火星2020的毅力号火星车任务中的其中一个关键目标是为火星样本取回任务做准备。毅力号于 2021 年 2 月 18 日降落在杰泽罗撞击坑，它将收集样本并将其储存在 43 个样本管中，以备日后取回。

采样

火星2020任务的毅力号火星车于 2021 年 2 月将降落在杰泽罗撞击坑。它将收集了多个样本并将其装样本管中以备日后返回。科学家们推测，杰泽罗撞击坑是一个古老的湖床，适合地面采样。

2021 年 8 月上旬，毅力号首次尝试通过钻出一个手指大小的火星岩石核心来收集地面样本。这次采样尝试没有成功。产生了一个钻孔，然而样品容器是空的，这是因为取样的岩石不够坚固，无法产生坚固的样本。毅力号随后于 2021 年 9 月上旬对被认为更有可能获得足够坚固样品的第二块目标岩石进行取样。研磨岩石后，通过喷射加压氮气清除灰尘，并检查所得岩石表面，在 9 月 1 日钻孔采样。9 月 6 日，该封装完成，第一个样品放入样本管容器中。

NASA - ESA 计划

NASA-ESA 计划使用四个任务返回样本：

样本收集任务（毅力号）
样本检索任务（样本取回着陆器2（Sample Retrieval Lander 2, SRL2） + 捡取样本火星车）
样本发射任务（样本取回着陆器1（Sample Retrieval Lander 1, SRL1） + 火星上升飞行器（Mars ascent vehicl, MAV） + 机械臂）
返回任务（地球返回轨道器（Earth Return Orbiter, ERO））

该设计旨在简化项目进度，让控制器有时间和灵活性来执行所需的操作。希望解决火星是否曾经拥有生命的问题。

样本采集

火星2020任务的毅力号火星车正在采集样本，随后会将样本管留在火星地表，以供未来的任务取回。

样本检索

样本检索任务需在火星上着陆一个带有柔性轮子的捡取样本火星车，它将用机械手臂收集样本并将它们运送到 SRL1 。 SRL1 的机械臂将提取样本并将其装入 MAV 的样品返回胶囊中。

捡取样本火星车计划于 2028 年随着 SRL2 发射。于 2029 年在奥克塔维娅·埃·巴特勒着陆场着陆点附近着陆。如果毅力号仍在运行，它也可以将样品管运送到 SRL1 的着陆点。

样本发射

火星上升飞行器（MAV）是 NASA 制造的 3 公尺长、两级固体燃料火箭，它将把从火星表面收集到的样本运送到地球返回轨道器。计划在它点燃之前以每秒 16 英尺（5 米）的速度弹射到空中，以消除升空失误的可能性，例如 SRL1 在火箭升空时滑动或倾斜。火箭的第一级将由一个升级后的 STAR-20 发动机运行 70 秒，而第二级将由一个升级后 STAR-15 发动机再燃烧 27 秒。之后 MAV 将进入高度 380 公里的轨道。样品容器将被释放到轨道上。

MAV 计划于 2028 年随着 SRL1 发射。

样本返回

ERO 是 ESA 开发的轨道器。它包括 NASA 建造的样本捕获/收容和返回系统 (CCRS) ，用于与 MAV 在低火星轨道 (LMO) 上会合并交付样本。

ERO 计划于 2027 年用亚利安6号运载火箭发射，并于 2028 年到达火星，它将使用离子推进器和单独的推进元件逐步到达正确的轨道。轨道器将在轨道上取回并密封样本舱，并使用 NASA 制造的机械手臂将密封的样本舱放入地球再入舱 (Earth Entry Vehicle, EEV) 。它将在 2033 年火星-地球转移窗口期间返回地球。

样本再入地球

捕获/收容和返回系统 (CCRS) 会将样本存放在 EEV 中。 EEV 将在没有降落伞的情况下返回地球并着陆。犹他州测试和训练场的沙漠和 EEV 中的减震材料能在保护样品免受冲击力。EEV 计划于 2033 年登陆地球。

其他计划

中国

中国国家航天局正计划在2028至2031年间实施名为天问三号的火星样本返回任务。 2021 年通过了一项计划，该计划建议通过一个样本收集着陆器和一个火星上升飞行器来检索样本。该任务将于 2028 年 11 月用长征三号乙发射。样本将通过地球返回轨道器发送到地球并转移到再入舱，这两个探测器都将在 2028 年 11 月用长征五号发射，并于 2031 年 9 月返回地球。

法国

多年来，法国一直致力于样本取回。这包括用于返回样本的外星样本管理设施的概念，以及许多提案。他们致力于开发火星样本返回轨道器，作为与其他国家联合任务的一部分，该轨道器将捕获并返回样本。

日本

2015 年 6 月 9 日，日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 公布了一项名为火星卫星探测器 (MMX) 的计划，以从火卫一或火卫二取回样本。火卫一的轨道离火星更近，它的表面可能已经捕获了火星的粒子。探测器计划于 2024 年 9 月从地球发射，并于 2029 年返回地球。日本积极参与国际火星样本取回任务。

俄罗斯

俄罗斯火星样本返回任务的概念是火星-土壤任务。它将采用福布斯－土壤的设计。包括一个轨道器和一个着陆器（但没有移动能力），着陆器将使用机械臂从着陆器周围收集样本。

参见

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