在很多尖端領(lǐng)域，我國(guó)和美國(guó)這些發(fā)達(dá)國(guó)家的差距已經(jīng)很小了，甚至在某些方面開(kāi)始彎道超車。例如空間站這方面，我國(guó)獨(dú)立建造、運(yùn)營(yíng)中國(guó)空間站，而國(guó)際空間站現(xiàn)在的情況不容樂(lè)觀，當(dāng)國(guó)際空間站退役以后，中國(guó)空間站將會(huì)是未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)唯一在軌運(yùn)行的空間站。

再例如探索火星方面，我們成為了繼美國(guó)之后第二個(gè)實(shí)現(xiàn)火星車巡視火星的國(guó)家，雖然在火星探測(cè)方面我們起步時(shí)間比美國(guó)晚很多，經(jīng)驗(yàn)也不如美國(guó)豐富，但是在火星取樣返回地球這一個(gè)任務(wù)中，我們即將要彎道超車，我們的天問(wèn)三號(hào)火星取樣返回地球任務(wù)實(shí)施時(shí)間確定了，如果順利實(shí)施，那在這一領(lǐng)域至少領(lǐng)先美國(guó)4年時(shí)間。

天問(wèn)三號(hào)即將發(fā)射

我國(guó)即將實(shí)施的火星取樣返回地球的任務(wù)是天問(wèn)三號(hào)，按照目前的計(jì)劃，我們將會(huì)在2028年前后通過(guò)兩次發(fā)射任務(wù)來(lái)完成著陸火星以及從火星取樣返回地球，計(jì)劃在2031年前后帶回不少于500克火星樣品。

當(dāng)前除了我國(guó)正在積極推進(jìn)火星取樣返回地球的任務(wù)外，美國(guó)也有火星取樣返回地球的計(jì)劃。現(xiàn)在美國(guó)的毅力號(hào)火星車正在火星表面開(kāi)展工作，在巡視火星的過(guò)程中，毅力號(hào)火星車還有一個(gè)很重要的任務(wù)，那就是在火星表面采集火星的樣品，然后使用特制的試管將這些火星樣品封存起來(lái)，放到指定的位置。后續(xù)美國(guó)會(huì)發(fā)射新的探測(cè)器去火星，把這些裝著火星樣品的試管帶回地球。

雖然美國(guó)的火星取樣任務(wù)已經(jīng)在進(jìn)行中，但是他們?nèi)』貥悠返臅r(shí)間估計(jì)要比我們晚好幾年時(shí)間。一開(kāi)始，美國(guó)的火星取樣時(shí)間節(jié)點(diǎn)也是在2031年前后，和我們的差不多。然而，由于技術(shù)以及預(yù)算超支等一系列的問(wèn)題，美國(guó)火星取樣返回地球的任務(wù)其實(shí)很不順利，時(shí)間表一推再推，調(diào)整了很多次。

在此之前，美國(guó)火星取樣返回地球的時(shí)間調(diào)整到2040年，這樣一來(lái)的話差不多會(huì)比我們晚9年時(shí)間。隨后NASA又對(duì)火星取樣返回地球的方案進(jìn)行了調(diào)整，提前帶回樣品的時(shí)間，不過(guò)也要比我們晚4年左右，最快都要到2035年才能完成火星取樣返回地球的任務(wù)。

這里說(shuō)的是最早2035年，如果美國(guó)火星取樣返回地球任務(wù)的技術(shù)還沒(méi)解決，或者預(yù)算繼續(xù)超支的話，火星取樣返回地球的方案可能還要調(diào)整，時(shí)間表可能也會(huì)繼續(xù)推遲。

美國(guó)的方案還是太過(guò)激進(jìn)了，相比之下我國(guó)的火星取樣任務(wù)是基于現(xiàn)有很多技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，例如使用的是已經(jīng)很成熟、很可靠的長(zhǎng)征五號(hào)火箭來(lái)完成。當(dāng)然一枚長(zhǎng)征五號(hào)火箭是沒(méi)法完成火星取樣任務(wù)的，畢竟在首次火星探測(cè)任務(wù)中，一枚長(zhǎng)征五號(hào)火箭剛剛好可以將天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器送上火星，而天問(wèn)三號(hào)任務(wù)遠(yuǎn)比天問(wèn)一號(hào)更加復(fù)雜，需要使用到2枚長(zhǎng)征五號(hào)。

按照計(jì)劃，我國(guó)計(jì)劃在2028年的火星探測(cè)器發(fā)射窗口期間，用40天左右的時(shí)間分別發(fā)射2枚長(zhǎng)征五號(hào)火箭，分別將天問(wèn)三號(hào)的軌道器、返回器組合體和著陸器、上升器組合體發(fā)射到火星。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是用一枚長(zhǎng)征五號(hào)火箭將天問(wèn)三號(hào)的軌道器和返回器組合體發(fā)射上去，另一枚長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)射天問(wèn)三號(hào)的著陸器和上升器組合體。

按照計(jì)劃，天問(wèn)三號(hào)任務(wù)中，著陸器和上升器組合體在抵達(dá)火星后就會(huì)登陸到火星進(jìn)行采樣，完成樣品的采集任務(wù)后，上升器就會(huì)帶著火星樣品從火星表面起飛。而軌道器和返回器組合體不需要進(jìn)行登陸火星，而是在火星軌道飛行等待上升器的到來(lái)。

當(dāng)上升器帶著火星樣品抵達(dá)火星軌道后，就會(huì)和軌道器和返回器組合體進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，并且移交火星樣品，在完成一系列工作后，軌道器和返回器組合體就會(huì)帶著火星樣品返回地球。這里其實(shí)和嫦娥五號(hào)、嫦娥六號(hào)探測(cè)器從月球表面起飛返回地球的過(guò)程是差不多的。

火星取樣返回地球有多難？

堪稱前所未有的難！雖然在過(guò)去幾十年時(shí)間內(nèi)，我們?nèi)祟愐呀?jīng)發(fā)射了很多探測(cè)器探索火星，但是火星探測(cè)任務(wù)的成功率其實(shí)很低，登陸火星就更加困難了，迄今為止，也只有中國(guó)、美國(guó)實(shí)現(xiàn)了火星車巡視火星的壯舉。

探測(cè)器、火星車在火星表面采集樣品就地進(jìn)行研究其實(shí)還算比較簡(jiǎn)單，只有探測(cè)器、火星車抵達(dá)火星后能夠正常運(yùn)行，基本上都不會(huì)有什么問(wèn)題。而想將火星樣品帶回地球進(jìn)行研究的話，難度可以說(shuō)是成倍增長(zhǎng)，難度甚至要比載人登月更難。我們看下火星取樣返回地球的難度有多大。

第一點(diǎn)就是距離實(shí)在是太遙遠(yuǎn)了。火星與地球的平均距離不是固定不變的，有時(shí)候會(huì)比較近，有時(shí)候會(huì)比較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)的時(shí)候和地球的距離接近4億公里，就算和地球距離最近的時(shí)候也有5400萬(wàn)公里，遠(yuǎn)不是月球能夠相比的。距離這么遠(yuǎn)意味著難度很大，例如通信延遲可以達(dá)到20多分鐘，這意味著我們根本就沒(méi)法實(shí)施掌握探測(cè)器的飛行情況，環(huán)繞火星、著陸火星、采集樣品、火星表面起飛、交會(huì)對(duì)接、返回地球等過(guò)程都完全由探測(cè)器自主完成。

也正是由于火星與地球軌道的原因，不是什么時(shí)候都可以發(fā)射探測(cè)器去火星，火星探測(cè)器也不是什么時(shí)候都可以返回地球的。大約每隔26個(gè)月才有一次合適的發(fā)射窗口，所以火星取樣返回地球的任務(wù)周期都比較長(zhǎng)，一個(gè)來(lái)回就需要兩三年時(shí)間。

第二個(gè)就是火星的環(huán)境很惡劣，探測(cè)器可能很難在火星上面生存或者正常運(yùn)行。例如火星有一個(gè)稀薄的大氣層，經(jīng)常會(huì)爆發(fā)全球性的沙塵暴天氣，有時(shí)候這些沙塵暴天氣會(huì)持續(xù)好幾個(gè)月時(shí)間。鋪天蓋地的沙塵暴可能會(huì)影響到探測(cè)器太陽(yáng)能電池板發(fā)電，甚至可能會(huì)直接將探測(cè)器“掩埋”，或者影響到探測(cè)器的其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

再加上火星表面的溫差很大，這對(duì)于在火星表面運(yùn)行的航天器來(lái)說(shuō)其實(shí)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。如果在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，探測(cè)器出現(xiàn)了一些問(wèn)題，可能就會(huì)導(dǎo)致任務(wù)的失敗。

第三個(gè)就是從火星表面起飛很難。在月球表面起飛相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)容易一些。月球的引力比較小，也沒(méi)有空氣，所以不需要很大的推力就可以從月球表面起飛了。而火星的質(zhì)量比月球大得多，再加上火星也有稀薄的空氣，存在空氣阻力，所以從火星表面起飛需要更大的推力，這對(duì)上升器的發(fā)動(dòng)機(jī)提出更高的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)不能太大，又要有足夠的推力。

此前，我們?nèi)祟愐呀?jīng)多次完成月球表面采樣返回地球的任務(wù)，有探測(cè)器進(jìn)行無(wú)人采樣，也有宇航員在月球進(jìn)行采樣，所以從月球表面起飛返回地球的技術(shù)其實(shí)還是比較成熟的。而火星的情況就不同了，在此之前人類未曾從火星表面起飛過(guò)，所以這將會(huì)是人類的航天器第一次在火星表面起飛，挑戰(zhàn)性本身就不低。

第四個(gè)就是火星軌道交會(huì)對(duì)接很難。以我國(guó)的天問(wèn)三號(hào)任務(wù)為例，軌道器、返回艙組合體環(huán)繞火星運(yùn)行，著陸器、上升器組合體登陸火星去采樣，完成采樣任務(wù)后，上升器從火星表面起飛，需要和軌道器、返回艙組合體進(jìn)行交會(huì)對(duì)接才能將樣品帶回地球。

由于距離實(shí)在是太遠(yuǎn)了，我們沒(méi)法實(shí)施掌握探測(cè)器的飛行情況，整個(gè)交會(huì)對(duì)接的過(guò)程完全由上升器和軌道器、返回艙組合體自主完成。在火星軌道上，這些航天器怎么找到彼此，怎么控制飛行姿態(tài)、控制飛行速度、控制距離、控制精度，這些都是前所未有的挑戰(zhàn)。

第五個(gè)就是再入大氣層。探測(cè)器從火星軌道返回地球時(shí)速度會(huì)非常快，接近地球第二宇宙速度11.2公里每秒。大家也知道探測(cè)器從外太空返回地球時(shí)氣動(dòng)加熱效應(yīng)會(huì)很強(qiáng)烈，速度越快外部溫度越高。像從月球軌道返回地球的航天器外部溫度會(huì)接近3000℃，如果隔熱措施不達(dá)標(biāo)，探測(cè)器可能會(huì)直接燒毀。

總的來(lái)說(shuō)，火星取樣返回地球任務(wù)的難度是前所未有的，由于整個(gè)任務(wù)周期很長(zhǎng)，涉及到發(fā)射、奔向火星、環(huán)繞火星、著陸火星、采樣、火星表面起飛、火星軌道交會(huì)對(duì)接、火星軌道返回地球等一系列關(guān)鍵的階段，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都可能會(huì)導(dǎo)致任務(wù)的失敗。

雖然難度相當(dāng)大，但是在此之前已經(jīng)有嫦娥五號(hào)、嫦娥六號(hào)、天問(wèn)一號(hào)等多個(gè)任務(wù)的技術(shù)積累，而且我們使用到的很多都是成熟的技術(shù)，例如使用的是多次完成“星際”發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征五號(hào)火箭，相信我們的科學(xué)家還是有能力、有信心在這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)完成這樣的壯舉的。而當(dāng)我們完成火星取樣返回地球任務(wù)后，將會(huì)成為世界上第一個(gè)完成火星取樣返回地球的國(guó)家，領(lǐng)先美國(guó)很多年。