天問三號火星取樣使中國領先太空發展

一、中國火星採樣返回任務進展順利但美國NASA進度落後

 

   南華早報稱，中國正按計劃推進天問三號火星取樣任務，將成為第一個實現火星取樣返回的國家，而美國的「火星樣品返回」（MSR）計畫正面臨困難。隨著中美爭奪全球領導地位的競爭全面展開，太空科技的創新正成為一個新戰場。中國在登陸月球與火星、建立獨立空間站及發射衛星數量上早已超越俄羅斯，挑戰美國的太空霸權已展開。中國國家主席習近平將科技創新視為提升中國軍力能與美軍競爭的核心，並強調軍事和民用航太發展是中華民族復興最終目標的一部分。作為離地球較近且環境最相似的星球，火星一直是人類走出地月系統開展深空探測的首選目標。火星是太陽系八大行星之一，距離地球最遠時4億公里，最近時5500萬公里。上世紀60年代，人類開始探測火星。2021年，中國天問一號成功登陸火星，而火星取樣返回是未曾有的世界難題。天問三號將突破火面採樣、火面起飛上升、環火交會等關鍵技術，實現火星樣品返回地球。與此同時，天問三號任務將開展國際載荷合作、樣品和數據共享、未來規劃共同研究等三方面國際合作。中國將於2025年發射天問二號，開展小行星探測任務，2030年前后發射天問四號，開展木星系探測任務﹔2035年前建成國際月球科研站基本型。太空探索計畫在「中國夢」中扮演「國家富強、民族振興」很重要的角色。

 

　 從人類對火星目前的探測結果看，火星大氣層很薄，表面平均氣壓約為地球的0.75%，成分為95%的二氧化碳，氧氣極少，同時充滿塵埃。地表溫度白天可達28℃，夜晚可低至-132℃，平均-57℃。因此，相比於地球，火星完全不具備人類生存的條件。中國準備在2028年發射天問三號，這項任務將建立在先前天問一號成功登陸火星並將祝融號火星車部署在火星的經驗上。天問三號的首要科學目標是尋找火星上的生命跡象，這涉及研究火星土壤和岩石樣本的化學特徵，這些特徵可能表明過去甚至現在生命的存在。這項任務將優先在具有地質意義和天體生物學意義的地區登陸，包括可能曾經有水或其他生命維持要素的地區，例如亞馬遜平原、烏托邦平原和克里斯平原。科學家認為，火星上的沉積地層、熱液系統和古代湖泊可能保存了生物特徵，使這些地點成為樣本採集的主要目標。透過在地球實驗室分析這些樣本，研究人員希望對火星的環境歷史、地質演化及其支持生命的能力獲得前所未有的見解。天問三號將採用複雜的任務架構，包括利用長征五號火箭從地球進行兩次發射。一枚火箭將攜帶著陸器和上升飛行器，降落在火星表面並收集樣本。第二枚火箭將發射一個軌道飛行器和返回艙，該艙將留在火星軌道上，與攜帶收集到的樣本的上升飛行器會合。一旦著陸器收集到火星土壤和岩石樣本，它們將裝載到上升飛行器中，上升飛行器將從火星表面發射並在太空中與軌道飛行器相遇。這個過程需要精確的導航和計時，以確保樣本安全地轉移到返回模組。然後，返回艙將長途跋涉返回地球，運送樣本進行詳細分析。該任務還可能包括部署一架直升機和一個六足機器人，從直接著陸點以外的不同地點收集樣本，這些技術將使科學家能夠收集更多樣化且具有科學價值的材料進行研究。

 

二、中國計畫2028年實施火星樣本返回任務

 

   天問三號任務主要的技術障礙之一是需要從火星表面成功發射返回樣本，這是美國NASA從未嘗試過的任務。上升飛行器需要克服火星的重力和大氣條件，與軌道飛行器會合，並將樣本轉移到軌道上。中國國家太空總署（CNSA）計畫與全球科學家合作，分享此任務的數據、樣本和研究成果，天問三號任務也將涉及科學有效載荷開發和部署方面的合作。透過與國際夥伴合作，中國旨在最大限度地提高任務的科學產出，並確保收集到的數據造福全球科學界。中國也概述了未來建立火星研究站的計劃，該站可以作為國際火星探索和研究的中心。天問三號任務是中國更廣泛的行星探索計畫的一部分，繼天問一號成功以及即將開展的天問二號從近地小行星採集樣本的任務之後，中國已經將目光投向了更雄心勃勃的目標。除了火星探索之外，計畫於2030年左右發射的天問四號任務還將瞄準木星，擴大中國在深空探索中的作用。隨著中國在太空探索方面不斷取得進展，天問三號任務代表在了解火星及其生命潛力方面邁出了重要一步，同時也加強了太空科學的國際合作。

 

   中國的天問三號火星取樣是一項非常複雜的任務，兩次長征五號發射將分別攜帶登陸器和上升器以及軌道器和返回艙。進入、下降和著陸將基於天問一號火星車著陸所使用的技術。在地表，著陸器將使用機械手臂收集地表樣本，並使用鑽頭從地表下兩公尺處收集材料。無論是六足爬行機器人還是直升機都可以執行任務，以增加收集更多樣化樣本的能力。任務的目標是向地球運送約 500 克的火星樣本。中國擁有天問一號進入火星、降落和著陸的經驗。它還透過嫦娥五號月球樣本返回任務從另一個行星體進行了採樣和發射。這些樣本可以幫助了解火星上是否曾經存在過生命。《JGR Planets》雜誌最近發表的一篇研究文章也揭示了天問三號的三個預選登陸區。它們是亞馬遜平原、烏托邦平原和克里斯平原。該論文評估了火星大氣渦流，即空氣、灰塵或水的圓週運動。根據2023 年 4 月在中國合肥舉行的國際深空科學會議上的發言，已在這些區域內確定了 50 x 20 公里的潛在著陸橢圓區。所選地點需要考慮天體生物學相關性，優先考慮年齡超過 35 億年的火星地形，進一步的關鍵優先事項是適合生命出現。美國火星取樣的不確定性意味著中國可能是第一個嘗試獲取火星樣本並進行開創性分析的國家。

 

三、天問三號是中國人的榮耀

2021年，中國發射了天問一號，僅幾個月後，中國就完成了複雜的嫦娥五號月球採樣返回任務。現在，要將這些任務的技術結合起來，嘗試在 2028 年進行前所未有的火星樣本返回。該任務要求在 2028 年進行兩次發射，並於 2031年7月將樣本帶回地球。雖然美國太空總署和歐洲太空總署也提出了自己的聯合火星樣本返回任務，但它要到天問三號兩年後才會返回地球。天問三號將使用兩艘太空船：一艘用於著陸和採集，另一艘用於軌道運行和樣本返回。著陸部分將包括一個著陸器，它將降落在火星上以收集岩石樣本。它還將攜帶一個上升飛行器將收集到的材料送回太空。一旦進入火星軌道，上升飛行器將與軌道飛行器對接，軌道飛行器將與著陸部分分開發射。軌道飛行器的任務是護送樣本返回地球，並將攜帶一個返回艙，該返回艙旨在通過高速、高溫重新進入地球大氣層來安全地運送火星材料。兩枚長征五號火箭將分別發射一艘太空船。該軌道飛行器將於 2028 年 11 月從海南省文昌發射升空。登陸器將於2029年7月抵達火星，並花費約 6 個月的時間收集樣本。2021年祝融號著陸地點是北半球平坦、低海拔的烏托邦平原，這意味著太空船有更多的時間在大氣層中減緩下降速度。像 NASA 的一些太空船所做的那樣，在火星更高的高度著陸需要進一步改進進入、下降和著陸技術，並增加任務的複雜性。

   中國的長征五號火箭正在促進中國的許多太空雄心，包括火星任務、月球樣本返回、南極登陸、建造太空站，甚至是小行星偏轉概念。2021年5月祝融號成功登陸火星，驗證了登陸火星所需的技術和技巧，包括大型超音速降落傘、導引技術以及在火星大氣和重力場獨特特徵下著陸的受控後推力等。當嫦娥五號上升飛行器於2020 年底從著陸器升空時，嫦娥五號月球樣本返回展示了從另一個世界進行的自動遠程發射。它還涉及上升飛行器和軌道器之間在月球軌道上的自動機器人交會，同時兩艘太空船以每秒約 1.2 公里的速度移動。中國選擇這種複雜的方式將月球樣本帶回地球而不是蘇聯月球樣本直接返回地球的原因之一是為了測試後來的火星樣本之旅所需的技術。嫦娥五號所使用的採樣技術包括用於收集地表物質的湯匙和用於從地表以下獲取樣本的鑽頭，這兩種技術都將用於火星任務。中國的取樣方法比美國和歐洲太空總署設想的火星取樣簡單。