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2022年6月20日，一個ID為China 'N Asia Spaceflight@CNSpaceflight的賬戶發(fā)了一條推文，上傳了一張中國火星采樣返回的兩個方案： 盡管兩個方案的出發(fā)時間有些先后，但返回時間都指向了2031年7月，讓大家非常好奇的是，為什么會有兩次發(fā)射任務(wù)？另外NASA的火星采樣早已開始實施，但據(jù)說也將在2031年返回，但歐空局負責的ExoMars探測器則屢屢推遲，真要被中國的火星采樣返回計劃超越了嗎？ 中國的二元結(jié)構(gòu)與NASA的四元結(jié)構(gòu)，到底誰更優(yōu)秀？嫦娥五號月面采樣返回，讓全球見識到了中國航天的實力，長征五號帶著軌道器、著陸器和上升器與返回艙的組合體，抵達月面后采樣上升對接返回，以第二宇宙速度沖入地球大氣層，成功著陸于內(nèi)蒙古四子王旗著陸場，帶回了1731克月巖。 火星采樣返回與月面采樣有什么不一樣？ 我國的嫦娥五號經(jīng)歷了如下過程：發(fā)射入軌階段、地月轉(zhuǎn)移階段、近月制動階段、環(huán)月飛行階段、著陸下降階段、月面工作階段、月面上升階段、交會對接與樣品轉(zhuǎn)移階段、環(huán)月等待階段、月地轉(zhuǎn)移階段和再入回收階段。 其實火星采樣返回和這個流程基本一致，但唯一不同的是火星實在是太遠了，最近時距離超過5500萬千米，最遠則超過4億千米，因此只有38萬千米月球采樣返回方案就不能用了，假如用長征五號火箭，那么一次抵達火星的載荷是不夠的，比如長征五號的近地軌道運載能力為25噸，但地火轉(zhuǎn)移軌道只有5噸。 而且從地球抵達火星，即使運送的是同樣的載荷，那么也意味著更多的燃料，因此火星采樣返回就有了二元結(jié)構(gòu)和三元結(jié)構(gòu)之爭。 中國航天的二元結(jié)構(gòu)返回 以長征五號的運載能力，將火星探測計劃分成了兩個部分，火星著陸采樣與上升（著上組合體）+火星軌道環(huán)繞對接返回（軌反組合體），這個任務(wù)的核心和嫦娥五號有些類似，不一樣的是將嫦娥五號拆成了兩個組合。 著上組合體包括著陸與上升段，其功能為著陸火星后采樣火星地表樣本，裝入上升段艙內(nèi)后，以著陸器為發(fā)射臺發(fā)射樣品艙送入火星軌道。 之后則與軌反段對接，應(yīng)該會有樣品轉(zhuǎn)移過程，否則上升段火箭還要送一個返回艙成本太大，因此會將樣品從上升艙中轉(zhuǎn)移到軌反組合體中的返回艙，完成后將會啟動火箭從火星軌道逃逸返回地球，之后與嫦娥五號返回地球的方式差不多，也是第二宇宙速度返回，目測應(yīng)該會用水漂彈道的方式。 NASA的四元結(jié)構(gòu)返回 NASA-ESA concept是NASA和歐空局的合作的一個火星采樣返回計劃，其任務(wù)非常復(fù)雜，分成四個部分，分別為：
執(zhí)行樣本收集任務(wù)的是毅力號，和天問一號差不多時間發(fā)射，已經(jīng)在火星上工作將近一年半，為了采集火星巖石，毅力號攜帶了存放火星土壤與巖石樣本的樣本管，總共有43根，其中包含緩存的巖石樣本管有8根，緩存的大氣樣本管有35根。 截止2022年3月份，已經(jīng)有10根樣本裝入了樣本，其中包含火星大氣的氣溶膠樣本以及火星巖石樣本，分別取自毅力號經(jīng)過路線的不同位置。 樣本檢索任務(wù)（SRL2）的是一臺和毅力號類似的火星漫游車，它的功能是從毅力號上取下樣品，并運送到樣品發(fā)射任務(wù)（SRL1）的著陸器上，再執(zhí)行發(fā)射； 在SRL2上有一枚“火星上升飛行器（MAV）”，這是一枚長3米的固體二級火箭，發(fā)射時會先彈射到空中，然后點火進入火星380千米的軌道上與地球返回軌道飛行器對接（ERO），準備執(zhí)行返回任務(wù)。 ERO計劃于2027年用阿麗亞娜 64號火箭發(fā)射，并于2028年到達火星，ERO使用離子推進修正軌道，原計劃將于2031年的地球火星轉(zhuǎn)移窗口返回，目標降落地是北美猶他州沙漠，但近期的一系列變化可能會將這個計劃推遲至2033年。 歐洲豬隊友拖后腿：NASA可能真要慌了！在NASA最初的規(guī)劃中，SRL1和SRL2原本是一個計劃，是一枚攜帶了火箭的火星漫游車，但NASA的科學(xué)家經(jīng)過論證后發(fā)現(xiàn)存在一個問題，NASA此前從未有過將兩者結(jié)合在一起沖入火星大氣層的經(jīng)驗。 因為這需要更大的熱防護罩，直徑達到了5.4米，這樣的巨型防護罩NASA完全沒有信心讓其安全穿過火星大氣層抵達火星表面，畢竟過去從來沒有操作過，而此次任務(wù)則是NASA-ESA任務(wù)的核心部分，一旦失敗將會導(dǎo)致全盤皆輸。 因此NASA與ESA討論后決定更改設(shè)計，將SRL分開，一個是樣本接收任務(wù)，另一個是發(fā)射任務(wù)，那么穿越火星大氣層的質(zhì)量將會減小到毅力號同級別，可以使用同樣的設(shè)計，借鑒毅力號的經(jīng)驗。 但一個新的問題發(fā)生了，從地球向火星發(fā)射探測器，無論是環(huán)繞軌道還是著陸表面，其成功率大約只有一半，盡管NASA近期向火星發(fā)射火星探測器成功率達到了100%，不過ESA卻不是，最近向火星發(fā)射的探測器是火星快車號，其搭載的著陸器小獵兔犬2號著陸成功，但任務(wù)失敗。 因此NASA-ESA的任務(wù)分為4個階段，除了第一階段外，另外還有三個階段尚未實施，目前已經(jīng)推遲到2033年，即使一切順利其采樣時間仍然大大落后于中國的天問三號。 豬隊友歐洲空間局：決定成敗在此一舉？ 種花家對NASA還是比較有信心的，盡管近期執(zhí)行的任務(wù)有些延遲，但對于NASA的執(zhí)行力還是印象頗深，但對ESA（歐空局）來說，拖沓、延遲已經(jīng)成為“新常態(tài)”。 比如ExoMars任務(wù)，這是歐空局與俄羅斯一起執(zhí)行的火星天體生物學(xué)計劃，目標是在火星上尋找過去生命的跡象，調(diào)查火星水和地球化學(xué)環(huán)境如何變化，調(diào)查大氣微量氣體及其來源，并以此展示未來火星樣本的技術(shù)-返回任務(wù)；那么執(zhí)行情況如何呢？ ExoMars任務(wù)最早來自于ESA Aurora（探索火星）計劃，從2001年開始，目標是在2009年使用火星漫游車，接下來是執(zhí)行火星采樣返回任務(wù)。 不過2009年時改計劃仍然處在多方合作的合同簽署狀態(tài)，并在同年開始和俄羅斯聯(lián)邦航天局以及NASA合作，承諾在2018年完成任務(wù)目標。 2016年時由于財務(wù)狀況緊張，該任務(wù)被推遲2年于2020年進行！2020年時該任務(wù)再次被推遲到2022年進行，2022年2月底，由于俄烏沖突，2022年發(fā)射的計劃泡湯，2022年3月17日，ExoMars 火星車被永久暫停 盡管ExoMars與NASA-ESA的火星沒有直接關(guān)系，但歐空局執(zhí)行任務(wù)的拖沓簡直就是磨洋工到人神共憤，NASA不知道哪根筋搭錯了居然找了ESA合作火星采樣返回。而且還是軌道器-地球返回的重要階段。 其實這NASA-ESA的四步計劃中哪一步不重要？這個計劃太復(fù)雜，種花家對這種火星登陸三次，在軌對接一次的任務(wù)成功執(zhí)行的信心嚴重不足，對NASA在2033年采樣返回程序持有悲觀態(tài)度。 反觀中國的天問三號，盡管被人家說是嫦娥五號的翻版，但兩步走對于火星采樣返回來說穩(wěn)妥，最保險的顯然是一步到位，但這必須在長征九號成功后才能實施，估計中國航天也是等不住了，反正要在火星軌道上對接，不如更成熟的長征五號來實施，而這次極有可能超越NASA成為火星采樣返回的第一個！ |
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嫦娥五號組合體
