2022年6月20日,一个ID为China 'N Asia Spaceflight@CNSpaceflight的账户发了一条推文,上传了一张中国火星采样返回的两个方案:

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尽管两个方案的出发时间有些先后,但返回时间都指向了2031年7月,让大家非常好奇的是,为什么会有两次发射任务?另外NASA的火星采样早已开始实施,但据说也将在2031年返回,但欧空局负责的ExoMars探测器则屡屡推迟,真要被中国的火星采样返回计划超越了吗?

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中国的二元结构与NASA的四元结构,到底谁更优秀?

嫦娥五号月面采样返回,让全球见识到了中国航天的实力,长征五号带着轨道器、着陆器和上升器与返回舱的组合体,抵达月面后采样上升对接返回,以第二宇宙速度冲入地球大气层,成功着陆于内蒙古四子王旗着陆场,带回了1731克月岩。

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火星采样返回与月面采样有什么不一样?

我国的嫦娥五号经历了如下过程:发射入轨阶段、地月转移阶段、近月制动阶段、环月飞行阶段、着陆下降阶段、月面工作阶段、月面上升阶段、交会对接与样品转移阶段、环月等待阶段、月地转移阶段和再入回收阶段。

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其实火星采样返回和这个流程基本一致,但唯一不同的是火星实在是太远了,最近时距离超过5500万千米,最远则超过4亿千米,因此只有38万千米月球采样返回方案就不能用了,假如用长征五号火箭,那么一次抵达火星的载荷是不够的,比如长征五号的近地轨道运载能力为25吨,但地火转移轨道只有5吨。

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而且从地球抵达火星,即使运送的是同样的载荷,那么也意味着更多的燃料,因此火星采样返回就有了二元结构和三元结构之争。

中国航天的二元结构返回

以长征五号的运载能力,将火星探测计划分成了两个部分,火星着陆采样与上升(着上组合体)+火星轨道环绕对接返回(轨反组合体),这个任务的核心和嫦娥五号有些类似,不一样的是将嫦娥五号拆成了两个组合。

嫦娥五号组合体

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着上组合体包括着陆与上升段,其功能为着陆火星后采样火星地表样本,装入上升段舱内后,以着陆器为发射台发射样品舱送入火星轨道。

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之后则与轨反段对接,应该会有样品转移过程,否则上升段火箭还要送一个返回舱成本太大,因此会将样品从上升舱中转移到轨反组合体中的返回舱,完成后将会启动火箭从火星轨道逃逸返回地球,之后与嫦娥五号返回地球的方式差不多,也是第二宇宙速度返回,目测应该会用水漂弹道的方式。

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NASA的四元结构返回

NASA-ESA concept是NASA和欧空局合作的一个火星采样返回计划,其任务非常复杂,分成四个部分,分别为:

  • 1、样本收集任务 (Perseverance);
  • 2、样本检索任务 (Sample Retrieval Lander 2 (SRL2) + fetch rover);
  • 3、样本发射任务 (Sample Retrieval Lander 1 (SRL1) + 火星上升飞行器 + 机械臂)
  • 4、返回任务(地球返回轨道器ERO);

执行样本收集任务的是毅力号,和天问一号差不多时间发射,已经在火星上工作将近一年半,为了采集火星岩石,毅力号携带了存放火星土壤与岩石样本的样本管,总共有43根,其中包含缓存的岩石样本管有8根,缓存的大气样本管有35根。

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截至2022年3月份,已经有10根样本装入了样本,其中包含火星大气的气溶胶样本以及火星岩石样本,分别取自毅力号经过路线的不同位置。

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样本检索任务(SRL2)的是一台和毅力号类似的火星漫游车,它的功能是从毅力号上取下样品,并运送到样品发射任务(SRL1)的着陆器上,再执行发射;

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在SRL2上有一枚“火星上升飞行器(MAV)”,这是一枚长3米的固体二级火箭,发射时会先弹射到空中,然后点火进入火星380千米的轨道上与地球返回轨道飞行器对接(ERO),准备执行返回任务。

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ERO计划于2027年用阿丽亚娜 64号火箭发射,并于2028年到达火星,ERO使用离子推进修正轨道,原计划将于2031年的地球火星转移窗口返回,目标降落地是北美犹他州沙漠,但近期的一系列变化可能会将这个计划推迟至2033年。

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欧洲猪队友拖后腿:NASA可能真要慌了!

在NASA最初的规划中,SRL1和SRL2原本是一个计划,是一枚携带了火箭的火星漫游车,但NASA的科学家经过论证后发现存在一个问题,NASA此前从未有过将两者结合在一起冲入火星大气层的经验。

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因为这需要更大的热防护罩,直径达到了5.4米,这样的巨型防护罩NASA完全没有信心让其安全穿过火星大气层抵达火星表面,毕竟过去从来没有操作过,而此次任务则是NASA-ESA任务的核心部分,一旦失败将会导致全盘皆输。

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因此NASA与ESA讨论后决定更改设计,将SRL分开,一个是样本接收任务,另一个是发射任务,那么穿越火星大气层的质量将会减小到毅力号同级别,可以使用同样的设计,借鉴毅力号的经验。

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但一个新的问题发生了,从地球向火星发射探测器,无论是环绕轨道还是着陆表面,其成功率大约只有一半,尽管NASA近期向火星发射火星探测器成功率达到了100%,不过ESA却不是,最近向火星发射的探测器是火星快车号,其搭载的着陆器小猎兔犬2号着陆成功,但任务失败。

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因此NASA-ESA的任务分为4个阶段,除了第一阶段外,另外还有三个阶段尚未实施,目前已经推迟到2033年,即使一切顺利其采样时间仍然大大落后于中国的天问三号。

猪队友欧洲空间局:决定成败在此一举?

种花家对NASA还是比较有信心的,尽管近期执行的任务有些延迟,但对于NASA的执行力还是印象颇深,但对ESA(欧空局)来说,拖沓、延迟已经成为“新常态”。

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比如ExoMars任务,这是欧空局与俄罗斯一起执行的火星天体生物学计划,目标是在火星上寻找过去生命的迹象,调查火星水和地球化学环境如何变化,调查大气微量气体及其来源,并以此展示未来火星样本的技术-返回任务;那么执行情况如何呢?

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ExoMars任务最早来自于ESA Aurora(探索火星)计划,从2001年开始,目标是在2009年使用火星漫游车,接下来是执行火星采样返回任务。

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不过2009年时该计划仍然处在多方合作的合同签署状态,并在同年开始和俄罗斯联邦航天局以及NASA合作,承诺在2018年完成任务目标。

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2016年时由于财务状况紧张,该任务被推迟2年于2020年进行!2020年时该任务再次被推迟到2022年进行,2022年2月底,由于俄乌冲突,2022年发射的计划泡汤,2022年3月17日,ExoMars 火星车被永久暂停

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尽管ExoMars与NASA-ESA的火星没有直接关系,但欧空局执行任务的拖沓简直就是磨洋工到人神共愤,NASA不知道哪根筋搭错了居然找了ESA合作火星采样返回。而且还是轨道器-地球返回的重要阶段。

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其实这NASA-ESA的四步计划中哪一步不重要?这个计划太复杂,种花家对这种火星登陆三次,在轨对接一次的任务成功执行的信心严重不足,对NASA在2033年采样返回程序持有悲观态度。

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反观中国的天问三号,尽管被人家说是嫦娥五号的翻版,但两步走对于火星采样返回来说稳妥,最保险的显然是一步到位,但这必须在长征九号成功后才能实施,估计中国航天也是等不住了,反正要在火星轨道上对接,不如更成熟的长征五号来实施,而这次极有可能超越NASA成为火星采样返回的第一个!