美國在深空探測方面世界領(lǐng)先，在幾十年前美國就已經(jīng)發(fā)射很多探測器探索火星，在火星上有不少美國的探測器、火星車，我們國家在探索火星方面的起步時(shí)間比美國晚很多年，經(jīng)驗(yàn)也沒有美國那么多。

按理來說，在火星取樣返回地球這一個任務(wù)上，美國應(yīng)該是要比我們更早的，然而實(shí)際的情況并不是我們想象中的那樣，我們將在火星取樣領(lǐng)域超越美國，而且是要領(lǐng)先美國好幾年。這是什么情況？

在此之前，我們其實(shí)已經(jīng)看到很多關(guān)于我國火星取樣任務(wù)的消息了，按照計(jì)劃我們將會在2028年前后發(fā)射天問三號火星探測器去火星，預(yù)計(jì)在2030年前后實(shí)施火星采樣返回地球。

專家表示，火星取樣返回地球的任務(wù)可能集中在2030年前后，到達(dá)火星時(shí)，基本上是火星的秋冬季。

美國火星取樣的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于我們。雖然之前美國也是計(jì)劃在2031年前后完成火星取樣的任務(wù)，但是由于預(yù)算超支等原因，美國火星采樣返回地球的時(shí)間表也是一直在調(diào)整，NASA一度表示可能要到2040年才能拿到火星的樣品，后來又進(jìn)行了方案的調(diào)整，不過最早也要到2035年才能拿回火星的樣品。所以，美國的火星取樣任務(wù)估計(jì)至少比我們落后四五年時(shí)間。

登陸火星有多難？

火星作為太陽系內(nèi)和地球最為相似的星球之一，與地球的距離還是比較遠(yuǎn)的，最遠(yuǎn)的時(shí)候達(dá)到4億公里左右，最近也有5500萬公里。以我們?nèi)祟惉F(xiàn)在的技術(shù)，發(fā)射飛船、探測器探索火星，需要飛行半年左右才能抵達(dá)火星軌道。

而且，并不是什么時(shí)候都可以發(fā)射探測器去火星。由于火星軌道與地球軌道的原因，每隔26個月才有一個火星探測器的發(fā)射窗口，同樣的，也需要有特定的發(fā)射窗口，探測器才能從火星返回地球。所以，探測器從地球出發(fā)到返回到地球，整個過程需要2-3年時(shí)間。

對于全人類來說，火星取樣都是一個前所未有的挑戰(zhàn)，一方面是火星與地球的距離實(shí)在是太遙遠(yuǎn)了，我們沒法實(shí)時(shí)控制、掌握探測器的飛行情況，在登陸火星過程中，探測器甚至需要面臨“恐怖的7分鐘”。

在這個過程中，探測器需要完成一系列的操作，我們沒法控制，完全是探測器自主完成的，哪怕是關(guān)機(jī)提前1秒鐘，探測器都可能會硬著陸摔到火星表面。在1991年12月，美國的“火星極區(qū)著陸器”就是在著陸火星的過程中，探測器操作錯誤導(dǎo)致發(fā)動機(jī)提前關(guān)機(jī)摔到火星表面了。所以，在人類歷史上，探測器登陸火星的成功率不到50%。

目前人類的探測器登陸火星有3種方案，第一種著陸方式就是氣囊彈跳式。簡單地說，就是探測器被氣囊包裹著，在登陸火星的時(shí)候，氣囊充氣保護(hù)探測器，氣囊在著陸到火星表面時(shí)會被彈起來，經(jīng)過多次的彈跳后，反彈的高度越來越低，最后安全著陸。隨后氣囊放氣，探測器的“護(hù)殼”像花瓣一樣綻開，接著探測器慢慢爬出來。

之前美國的火星探路者火星車、勇氣號火星車、機(jī)遇號火星車都是采用了這一種方式進(jìn)展著陸。這一種著陸方式相對簡單，不需要太復(fù)雜的制動減速，然而只能滿足重量比較輕的探測器軟著陸的要求，重量比較大的探測器就沒法采用這樣的方案了。而且由于氣囊在著陸后會不斷反推，彈向哪里，這是沒法控制的，所以著陸的精度相對較低。

第二種著陸方式是反推著陸腿式。在降落的過程中，探測器會使用反推發(fā)動機(jī)進(jìn)行減速，在有必要的情況下，探測器還能進(jìn)行懸停，對著陸點(diǎn)進(jìn)行掃描，確認(rèn)可以安全著陸后，探測器再進(jìn)行軟著陸。在著陸的瞬間，探測器的著陸腿會起到一定的緩沖作用，可以確保探測器能夠安全軟著陸。

美國的洞察號火星探測器、鳳凰號火星探測器、海盜號探測器以及我國的祝融號火星車都是采用這一種方案進(jìn)行登陸火星的。這一個著陸方式可以滿足比較重的探測器進(jìn)行著陸，由于探測器可以通過調(diào)節(jié)反推發(fā)動機(jī)進(jìn)行懸停，所以著陸的精度也相對較高，但是操作相對來說會比較復(fù)雜一些。

美國的“海盜”號、“鳳凰”號和“洞察”號都采用了降落傘＋緩沖發(fā)動機(jī)反推＋著陸腿方式著陸，著陸腿在著陸時(shí)也起到一定的緩沖作用。這種著陸方式相對復(fù)雜、成本高，可滿足重量較大的探測器在火星軟著陸要求，著陸精度較高。

還有一種方案就是采用“空中吊車”將探測器吊到火星表面，這也需要使用反推發(fā)動機(jī)進(jìn)行反推。美國的好奇號火星車、毅力號火星車都是采用這一種著陸方式登陸火星。

在距離火星表面大約2公里時(shí)，“空中吊車”就會啟動發(fā)動機(jī)，探測器會繼續(xù)下降高度，在距離地面大約還有20米時(shí)，“空中吊車”就會放出一條繩索將火星車慢慢地吊到火星表面。當(dāng)火星車抵達(dá)火星表面后，“空中吊車”就會切斷繩索，并飛到距離火星車比較遠(yuǎn)的地方墜毀。

不管是哪一種著陸方式，探測器都需要進(jìn)行氣動減速，其中包括打開降落傘進(jìn)行減速，整個過程大約持續(xù)9分鐘，所有的操作完全由探測器自主完成，包括姿態(tài)的控制、發(fā)動機(jī)的啟動關(guān)閉、降落傘的開啟等。探測器需要在9分鐘內(nèi)將下降速度從4.9公里每秒下降到0。由于登陸火星很困難，所以這個過程也被稱為“死亡9分鐘”。

從火星返回有多難？

抵達(dá)火星，只是火星采樣返回地球的第一步，如何從火星起飛返回地球也是困難重重。一方面是火星與月球、地球的情況不同，月球沒有大氣層、重力也比較小，所以探測器從月球表面起飛的難度相對小很多，不需要太大的推力就能起飛了。

而火星的質(zhì)量比月球大、比地球小，在火星上的重力大約相當(dāng)于地球的三分之一，而且火星還有稀薄的空氣，所以從火星表面起飛，需要比在月球表面起飛時(shí)更大的推力。從火星表面發(fā)射同樣質(zhì)量的載荷，起碼要比從月球表面大一倍的推力。這是我們?nèi)祟愇丛鴩L試過的挑戰(zhàn)。

一方面是火星與地球的距離太遠(yuǎn)，完全需要由探測器自主完成。探測器從火星表面起飛以后，需要在火星軌道進(jìn)行交會對接，探測器如何在茫茫的宇宙中找到那么小的探測器并且精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)交會對接，難度之大可想而知。

別說在火星進(jìn)行交會對接了，在近地軌道進(jìn)行交會對接都很難，印度曾經(jīng)進(jìn)行過一次衛(wèi)星的交會對接，但是在前幾次嘗試中都失敗，經(jīng)過幾次的調(diào)整后才順利完成交會對接。

從技術(shù)層面來看，我們其實(shí)也有一定的技術(shù)積累了。在此之前，我國已經(jīng)完成了4次登陸月球、1次登陸火星，其中有2次月球采樣返回地球的嘗試（嫦娥五號、嫦娥六號任務(wù)），不過，我們想要完成火星采樣返回地球的壯舉，還需要克服很多技術(shù)難題。