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“嫦娥”已帶回月壤,離“天問”帶回火星土還有多遠?

2022-03-21 分享

  探月工程“繞落回”三步走實現圓滿成功,“嫦娥五號”已經為我國帶回了月球樣品,我們不禁把目光投向了更遠的太空,離我們真正看到“火星樣品”還有多遠?  

  我國的火星取樣會在何時?  

  我國的“天問一號”于2020年7月23日發射,2021年2月進入火星軌道,5月15日成功著陸火星,5月22日“祝融號”火星車安全駛離著陸平臺,到達火星表面,開始巡視探測。目前,“祝融號”已行駛超過1000米,對火星表面形貌、構造,物質組分,磁場等開展科學探測。 

  而我國的火星取樣返回任務計劃在2030年前后實施。 

  從火星采樣返回有多難?  

  與月球采樣返回相比,火星采樣返回對工程技術提出了更高的要求,相較于月球,除了火星距離地球更遠導致的時延問題,還包括火星與月球引力不同并且存在大氣層。 

  同開展火星著陸探測時,進入、下降和著陸(EDL)的“恐怖八分鐘”類似,在火星表面發射入軌和火星軌道交會對接同樣是任務最關鍵、最危險的環節之一。在擁有大氣的地外行星表面上實現火箭自主發射入軌和在深空行星軌道上實現對目標的交會對接將成為新挑戰,要求航天器具備更高的自主性和可靠性。 

  俗話說摸著石頭過河,我們來看看其他國家是怎么做的。 

  火星采樣返回的四個步驟  

  據美國《科學》雜志網站2019年11月22日[1] 報道,由美國國家航空航天局(NASA)和歐洲航天局(ESA)共同設計的“火星采樣返回”(Mars Sample Return,MSR)任務現已敲定:耗資70億美元,包括采集樣品、收集樣管、火軌交接、返回地球四個關鍵步驟,計劃從火星上采集約600克樣本送回地球。 

  MSR任務預計時間跨度逾十年,2020年和2026年分別實施1次和2次地球發射,2028年實施1次火星發射,2031年將返回地球。分別由毅力號火星車、樣品收集火星車、樣品返回著陸器、返回地球軌道器完成。 

  2020年7月發射成功的毅力號火星車,作為MSR任務的第一步,將完成采集樣品這一重大使命。隨后預計2026年前后,NASA將與ESA合作完成兩次發射,包括向火星發射攜帶樣品采集火星車的返回著陸器和返回地球軌道器。2028年實施1次火星發射,通過火星上升火箭將樣品入軌儲納球送入環火軌道與返回地球軌道器交接,預計2031年將火星樣品帶回地球?! ?br />  

  NASA與ESA火星取樣返回任務概念圖 

  (圖片源自:NASA)   
 

  MSR任務實現火星采樣返回四個關鍵步驟包括: 

  •   采集樣品:毅力號攜帶了43根鋼筆型手電筒大小的樣品保存管,每個樣本將包含20克巖石和粗砂,其中5根作為參考管,以確定精心挑選的火星巖石和沙礫樣品沒有受到源于地球的無機物和有機物污染。部分樣品管會存儲在毅力號中,部分緩存在精確標注的火星表面以便于后續樣管收集任務的開展。 

  •   收集樣管:NASA將發射樣品返回著陸器和樣品收集火星車在毅力號著陸點附近降落,通過樣品收集火星車將毅力號采集到的樣品裝載到入軌儲納球中,樣品收集過程預計用時6個月,最終通過上升火箭從火星表面發射至火星低空環繞軌道。 

  •   火軌交接:ESA研發的樣品返回軌道器屆時將降低軌道到合適高度,通過抓取和導入模塊將樣品轉移至保存模塊并對其進行密封和消毒,確?;鹦菢悠凡粫孤段廴镜厍?,同時也不會被地球污染。 

  •   返回地球:地球返回軌道器將在地火轉移窗口返回至地球,隨后其中的返回地球模塊將釋放地球再入器進入地球大氣層硬著陸于預定的著陸區內?! ?br />  

  攜有樣品管的火星上升火箭發射概念圖 

  (圖片源自:NASA) 
 

  誰正在火星上采樣?  

  作為MSR“四步走”的第一步,2021年2月,耗資25億美元的毅力號火星車經過七個月的太空飛行后成功著陸在耶澤羅隕石坑。耶澤洛隕石坑里有保存完好的遠古河流三角洲的化石,該區域的巖石保存著關于火星漫長而多樣的地質歷史時期的信息。 

  毅力號共配置7臺有效載荷,分別為桅桿相機-Z、超級相機、X射線巖石化學行星儀器、“夏洛克”紫外光譜儀、火星氧氣原位資源利用實驗、火星環境動態分析儀、火星亞表面雷達成像實驗?! ?br />  

  毅力號火星車有效載荷分布情況 

  (圖片源自:參考文獻[2])  
 

  毅力號的主要任務目標之一是收集和儲存火星表面的樣本,這些樣本將包括巖芯、表土和大氣等。在采集樣本之前,毅力號使用鉆頭研磨接近預定取芯目標的巖石表面上部幾毫米處。然后,將臨近的科學載荷盡可能靠近裸露的巖石,開展相關探測并收集數據。接下來,使用毅力號機械臂末端的旋轉沖擊鉆將火星表面的樣品鉆入超清潔樣品管,并進行評估、成像和密封。 

  截至目前毅力號火星車已經完成了7個樣管樣品的采集工作(包括5個樣品管、1個參考管和一個未采到樣本的樣品管)。 

  第一個收集到的是參考管,用于確認采樣過程中沒有收到污染。第二根樣品管本想收集名為“Roubion”的巖石樣本,但由于鉆取過程中導致巖石破碎并為收集巖石樣本,取而代之的是這成為了毅力號采集到的第一個火星大氣樣本。第三根和第四根樣本是在一個名為“Rochette”的山脊頂部,采取這種成對采集的策略目的是為后續任務中提供將樣本返回地球的一種選擇。這個名為“Montdenier”和“Montagnac”成為毅力號在火星上最先采集到的兩個巖芯樣本。采用與上述采樣策略相同的策略在名為 “Se?i?tah”區域的“Brac”處采集到了第五和第六個巖芯樣本。在2021年接近尾聲時,毅力號采集到了名為“Robine”的第五個巖芯樣本,這也是毅力號采集到的第七個樣品管。

  
 

  2021年8月6日,毅力號火星車首次嘗試采樣 

  (圖片源自:NASA) 

  
 

   “毅力號”火星車采樣位置(包括一次參考管,六次樣品管) 

  (圖片源自:NASA)     

  結語  

  目前火星研究仍受到火星車攜帶的分析儀器和探測手段等諸多限制,一些深層次分析工作只有在地球實驗室才能進行。因此,火星的探測未來十年的重點將會是采樣返回,這對于認知類地行星起源和生命宜居性、奠定未來載人登火基礎具有重大意義。 

  偉大事業始于夢想,基于創新,成于實干。我國“天問一號”探測器通過一次任務實現火星環繞、著陸、巡視三大目標,實現我國航天事業自主創新,跨越發展的標志性成就。在不久的將來,中國也將實施火星取樣返回任務,這將前所未有地推進和深化火星科學研究,有望取得重大科學發現,實現火星探測的新突破和新認知。

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