日前在南京大学的一次研讨会上,中国火星任务天问一号项目负责人孙泽洲报告了中国火星样本返回任务,其任务指向为2031年7月返回。

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如果各位熟悉NASA-ESA的采样返回计划的话,那么一定会发现中国的火星采样返回,整整比NASA提早了2年,后发先至,这下轮到NASA傻眼了!

天问三号:火星采样返回计划;

从天问一号总设计师孙泽洲在南京大学的研讨会上公布的数据,执行火星采样返回任务计划的结构与嫦娥5号飞船相似!

火星版嫦娥五号?

探测器主要由两个组成部分,分别是轨返组合体和着上组合体:

  • 1、轨返组合体包括轨道器和返回器;
  • 2、着上组合体包括着陆器和上升器,着陆器包括巡航级和进入舱;

工作过程为两个组合体分别由两枚长征五号火箭将轨返组合体和着上组合体送至火星轨道,然后着上组合体着陆火星,完成采样后再从火星表面起飞,与轨返组合体完成样品转移后返回地球。

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这个方式看起来是不是非常熟悉?没错,与由轨道器、返回器、上升器和着陆器组成的嫦娥五号非常相似,组合体的采样工作过程是长征五号将组合体送至月球轨道,上升器和着陆器组合体抵达月面采样后,上升器起飞返回月球轨道与轨道器完成样品转移后返回地球。

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为什么要用两枚长征五号火箭

原因很简单,因为一枚运力不够!火星采样返回,人类将第一次采集到太阳系另一颗行星上的岩石,和月球的近距离和小行星的微弱重力环境不一样,火星采样返回难度极大,最大的差别就是距离,火星最近时也有5500万千米,而最远则超过4亿千米。

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而最难的就是采样后从火星表面起飞进入火星轨道,这也是人类第一次从一颗有大气层的天体上返回,所以这个计划就比月球采样返回的难度要高一个数量级。

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因此这次火星采样返回携带的燃料将是史无前例的,因为它需要从上亿千米外的有着与地球类似重力环境下返回,因此组合体的重量将大大超过一枚长征五号的运力,此前曾计划用一枚长征9号来实现。

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但这个计划同样有备份版,而这个备份版就是一枚CZ-5B+CZ-3BG2火箭,这两种火箭都是成熟且经过多次发射考验的版本,对于火星采样返回稳妥一定是第一位的。

天问一号:将为天问三号探路

从孙泽洲总设计师公布的计划包含了比较详细的步骤,包括深空机动、制动捕获和气动辅助变轨等等,如下图:

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其中有一个“气动辅助变轨”大家从未见过,火星有一个稀薄的大气层,这是它和月球最不一样的地方,因此在降落时首先需要热护盾穿过火星大气层,避免高超音速激波加热烧毁着陆组合体,末段还会使用降落伞减速,最终火箭反推软着陆,再次从火星起飞时也会因此而增加阻力需要会火箭增加额外的燃料。

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总师透露,“气动辅助变轨”将会由天问一号率先验证,孙泽洲表示,今年晚些时候天问一号的轨道器将会进行火星大气层阻力刹车降轨实验,为后续 Tianwen-3 火星采样返回任务的轨道舱-返回舱组合体辅助气动圆轨做技术验证。

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如果成功的话,未来将会节省大量减速燃料,因为在太空中减速将会完全由燃料反推进行,而在穿越火星大气层时会有强大的阻力,刚好可以拿来给抵达火星轨道的两个组合体减速。尽管这个计划整体要到2028年才会实施,但最近我们就可以看到它的进展,等着听到好消息。

早就开始的NASA-ESA计划:为何会被中国反超?

这里有一个让NASA很是郁闷的结果,早就开始NASA-ESA火星采样返回的计划,原本打算在2031年7月范围,而中国的天问三号也是在2031年7月返回,两家都不约而同的指向了2031年,即使前后相差一两天似乎也没问题,毕竟从4亿千米外的火星归来,没有人会在意多一天或者少一天!

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但就在今年3月份,这计划起变化了!事情是这样的:

2022年3月21日,NASA国家航空暨太空总署的副行政长官Thomas Zurbuchen在美国国家科学院空间研究委员会的演讲中宣布了一个消息:NASA和ESA考虑到目前执行的火星采样返回计划风险太大,将原本一个计划内的任务分成了两个计划,因此任务将从2031年延迟到2033年完成。

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原因是SRL计划包括了样本检索和样本发射两个任务,包括一辆火星漫游车(样本检索)和着陆上升器(发射火箭送样本到火星轨道),结果NASA工程师发现这个打包在一起的体积太大了,需要一个直径高达5.4米的热防护罩才能保证安全降落到火星。

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而此前从未有过如此尺寸的防护罩保护下穿透火星大气层,尽管技术上没有问题,但仍需大量技术验证,而这次任务要求确保完成,这个计划风险太大,因此拆分成了两个任务,分别是SRL1和SRL2。

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NASA-ESA的采样返回计划:你无法想象的复杂

NASA-ESA的火星采样返回计划的第一阶段,其实在2020年7月30日就出发了,就是各位熟悉的毅力号,它的任务除了探测火星以外还要采集43管样本,包括火星岩石、土壤以及大气与气溶胶样本等。

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当你以为这些样本都存放在毅力号的某个地方时很抱歉你想错了,它一路丢弃这些样本,然后毅力号轻装上阵去执行别的任务,然后任务中的SRL中有一台火星漫游车,将其一个个捡回来,再送到SRL任务中的火箭内,起飞到达火星轨道,上文中的SRL任务目前就拆分称了SRL1和SRL2,全程如下:

  • 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);

怎么样?是不是很让人傻眼?尽管毅力号的采样任务十分完美,但这个计划实在太复杂了,因为在毅力号后还有三个不确定具体日期的任务,目前推迟到2033年,还是一切顺利的状态下的结果,更有最后一个ERO是拖沓出名的ESA需要完成的任务。

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ESA有多拖沓,各位了解下ExoMars火星探测器任务就知道了,这个原本计划在2009年完成的任务因故推迟到2016年,然后再推迟到2018年,再推迟到2022年,然而目前还遥遥无期,要是ERO任务也是这样操作,估计这火星采样任务到2050年还回不来,要真这样的话这NASA直接就吐血而亡了。

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原本NASA慢悠悠执行任务的原因是没有人和他们竞争,但现在CNSA横空出世,接连执行了嫦娥五号与天问一号任务,信心满满的CNSA接下来将会执行史无前例的火星采样返回任务,时间就在2031年7月,这下NASA真是悔不当初,尽管登月第一的名头足够NASA光耀百年,但火星采样返回,更有可能是未来的百年火星探测的起始,NASA或将在这次竞赛中跌倒,未来CNSA将会替代NASA在全球深空探测中的位置?

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至少种花家非常希望是这样的,毕竟我们的目标是星辰大海,而火星只是第一步而已!