2025中國航天大會上，國家航天局探月與航天工程中心天問三號任務(wù)總設(shè)計師劉繼忠進行了關(guān)于《火星取樣返回的挑戰(zhàn)與突破》的分享，介紹了我國火星探測任務(wù)的概況、目標(biāo)、階段等內(nèi)容。

未來，天問三號任務(wù)計劃2028年左右啟程，2031年完成火星取樣任務(wù)。

自1960年以來，人類探測火星經(jīng)歷了爆發(fā)期（1960-1976）、低潮期（1976-1991）、新階段（1992至今）三個時期。截至當(dāng)前，針對火星探測共有7個國家/組織參與，累計進行了47次火星探測任務(wù)。

01、火星取樣：三大目標(biāo)，三個階段

中國火星取樣返回的進展上，已形成科學(xué)、技術(shù)、工程三方面的天問三號任務(wù)目標(biāo)體系。

• 科學(xué)目標(biāo)。探尋火星潛在的生命痕跡，探研地質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，探查大氣循環(huán)與逃逸過程。
• 技術(shù)目標(biāo)。突破火星起飛上升、環(huán)火交會、行星保護等關(guān)鍵技術(shù)，形成火星取樣返回能力。
• 工程目標(biāo)。2031年前后實現(xiàn)火星樣品返回地球。

圍繞三大目標(biāo)體系，設(shè)定了17類任務(wù)場景、123類能力需求。

在系統(tǒng)組成上，工程總體包括探測器系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、著陸場系統(tǒng)、地面應(yīng)用系統(tǒng)、行星保護系統(tǒng)，共七大類。

在具體步驟上，我國火星取樣返回分為地面研制、飛行、地面研究三個階段。

計劃用兩次長征五號（CZ-5）運載火箭發(fā)射，將“軌返組合體”和“上著服組合體”發(fā)送至火星軌道；通過二者協(xié)作，完成火星取樣任務(wù)返回地球。

“天問三號”探測器共包括著陸器、上升器、服務(wù)器組合體和軌道器、返回器組合體，共配置6臺科學(xué)載荷。

• 軌道器環(huán)火軌道為約350公里圓軌道，姿態(tài)對日定向，設(shè)計壽命不少于5年，配置中紅外超精細(xì)成像光譜儀和火星全球多色相機。
• 服務(wù)器環(huán)火軌道為近火點約400公里環(huán)火大橢圓軌道，留軌探測約2個火星年，設(shè)計壽命不少于5年，配置沉降ENA極光探測儀和高精度矢量磁強計。
• 著陸器配置超寬帶探測雷達和拉曼-熒光光譜儀。

具體流程上，將會包括發(fā)射、地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、大氣制動、火星停泊、離軌著陸、火面工作、火面上升、交會捕捉、環(huán)火等待、火地轉(zhuǎn)移、再入回收、持續(xù)探測。

02、火星探測的主要挑戰(zhàn)

盡管已有火星取樣的規(guī)劃方案，但在具體實施上，還面臨多項約束和挑戰(zhàn)。

科學(xué)挑戰(zhàn)上，主要包括生命痕跡難識別、生命痕跡高富集性選址難。

工程挑戰(zhàn)上，主要難點在任務(wù)規(guī)模與運輸能力難匹配、行星保護實現(xiàn)難。

而火星取樣返回任務(wù)的技術(shù)挑戰(zhàn)中，火面采樣、火面起飛上升、環(huán)火交會捕捉是三個核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

火面采樣的挑戰(zhàn)主要包括：

• 樣品特性未知。火壤物理力學(xué)特性未知，采樣難度大。
• 風(fēng)沙環(huán)境復(fù)雜。沙塵暴時空變化復(fù)雜，影響能源、采樣裝飾等。
• 自主性要求高。實時性和精準(zhǔn)性難確保。
• 樣品原始性保證難。羽流污染范圍大，樣品原始性難確保。

不過，在火面采樣的突破上，我國特色復(fù)合采樣體系具有多點表面采樣、深度取樣、飛行區(qū)輔助采樣三個特點。

火面起飛上升的挑戰(zhàn)主要包括：

• 火星引力大?；鹦侵亓s為月球2倍，克服重力入軌能力需求高。
• 火星大氣稀薄。氣壓僅為地球1%，上升器氣動設(shè)計要求高。
• 火面溫度交變大。熱控難度大，低溫發(fā)動機性能難保持。
• 資源約束大。重量、空間資源小，上升器規(guī)模有限，輕量化集成要求高。

環(huán)火交會捕捉的挑戰(zhàn)在于：

• 資源受限。上升期難以匹配傳統(tǒng)交會對接機構(gòu)，入軌散布大，對接難度大。
• 交會捕捉全自主。地火距離遠(yuǎn)（最近距離5000萬公里，最遠(yuǎn)距離4億公里），延時測控大，捕獲過程自主性要求高
• 目標(biāo)識別難。樣品容器反射面小、姿態(tài)不確定性大、識別難、存在雙目標(biāo)探測跟蹤問題。

此外，在任務(wù)規(guī)模與發(fā)射能力關(guān)系上，如果以長征五號火箭探測月球?qū)Ρ龋綔y火星還存在捕獲難度更大，雙向延時更長等難點。

在技術(shù)突破上，需要使用2發(fā)長征五號火箭，在同一時間窗口間隔24天發(fā)射，實時零窗口技術(shù)，并延長火箭滑行時間。

03、未來火星探測：繞、著、巡、回、？

劉繼忠總工程師還介紹到，未來我國火星探測包括繞、著、巡、回等幾個步驟，并有計劃開展火面長期運行。

未來火星探測規(guī)劃上，要點包括：

• 地火大質(zhì)量往返運輸。往返投送運輸、火面推進劑制備、在軌加注與管理……
• 火面運輸與操作?；鹈孢h(yuǎn)距離往返航行、星表多智能體協(xié)同、生態(tài)圈構(gòu)造……
• 科學(xué)應(yīng)用與技術(shù)驗證。大范圍地質(zhì)勘探、水探測及提取、火面天文觀測……
• 火面長期運行支持。星表堆電源技術(shù)、原位資源開發(fā)利用、航天員保障技術(shù)……

在火星探測上，我國還將開展一系列多層次多類型國際合作。

4月24日，中國國家航天局面向國際社會發(fā)布的《天問三號火星取樣返回任務(wù)國際合作機遇公告》顯示，將共開放天問三號探測器20千克質(zhì)量資源，包括不超過15千克的軌道器資源和不超過5千克的服務(wù)器資源。

天問三號尚需2發(fā)長征五號火箭，未來，后續(xù)火星探測、月球探測等任務(wù)可能由長征九號擔(dān)當(dāng)主角。

2025中國航天大會上，中國運載火箭技術(shù)研究院研究員姜杰院士的《重型重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)發(fā)展路徑》報告中，展示了我國重型運載火箭長征九號（CZ-9）的最新規(guī)劃。

新一代重型運載火箭長征九號，直徑10米級，分為三級兩級串聯(lián)構(gòu)型，分別采用液氧甲烷和液氧液氫動力。

CZ-9起飛質(zhì)量約4400噸級，推力約6000噸；LTO運力50噸級（月球探測），MEO運力30噸級（火星探測），LEO運力100噸級（近地任務(wù)）。

CZ-9將用于執(zhí)行近地軌道、地月/地火轉(zhuǎn)移軌道、地球同步轉(zhuǎn)移軌道等各類發(fā)射任務(wù)，將具備大規(guī)模航班化空間運輸能力。

據(jù)央視新聞報道，我國將加快推動重型運載火箭工程實施，長征九號一級重復(fù)使用構(gòu)型計劃2030年首飛，兩級完全重復(fù)使用構(gòu)型計劃2033年至2035年首飛。

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參考及引用：
《火星取樣返回的挑戰(zhàn)與突破》國家航天局探月與航天工程中心天問三號任務(wù)總設(shè)計師 劉繼忠；
《重型重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)發(fā)展路徑》中國運載火箭技術(shù)研究院研究員 姜杰；
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