陳藍：火星取樣返回，美國能追上中國嗎？

【文/觀察者網專欄作者 陳藍】

火星探索，從當年海盜號軟着陸，到後來勇氣和機遇號火星車，到現在核動力火星車和火星直升機，美國不是一直遙遙領先的嗎？怎麼還需要追趕中國？

沒錯。半個多世紀來，美國在火星上沒有對手，即使今天也還遙遙領先，這是真的。但接下來的火星取樣返回，美國需要竭盡全力追趕中國，也是真的。

美國海盜一號拍攝的火星全圖，由100多張照片拼接而成 NASA

3月11日，中國國家航天局官網發佈了火星取樣返回任務（天問三號） 國際合作機遇公告。公告中稱，此次合作機會面向國際社會開放，歡迎國際合作方與天問三號任務開展系統級、單機級合作，鼓勵國外有關科研機構與國內有效載荷研製單位以聯合研製的形式參與遴選。

天問三號任務概況 CNSA

天問三號探測器構成，左為軌返組合體，右為着上組合體 CNSA

天問三號着陸、取樣機器人、火星發射、軌道樣品轉移渲染 CNSA

這意味着什麼？瞭解中國航天穩紮穩打風格的網友應該都能猜到，這意味着天問三號任務已經解決了所有關鍵的技術難點，掃除了主要風險，已經或即將進入工程研製階段，甚至初樣也已物理存在。這也意味着這次公佈的任務時間表 - 2030年前後樣品返回地球 - 基本上已經十拿九穩了。

那麼美國呢？

先不説阿波羅時代就有火星取樣返回的設想，美國開展嚴肅的火星取樣返回研究的時間點最早可以追溯到1970年代初。半個多世紀過去，夢想依舊，足以説明這個夢想的巨大難度。

1974年，NASA的蘭利研究中心和噴氣推進實驗室（JPL）聯合發表了一篇論文，對火星取樣返回做了詳盡的理論分析。那年，後來名揚天下的海盜號火星登陸器還在研製中，中國以舉國之力送入太空的衞星只有兩顆，最大重量才200公斤出頭。絕大部分國人對火星取樣返回恐怕連概念也沒有。

1974年蘭利中心和JPL發表的論文 AIAA

1990年代前，以JPL為代表的NASA各個研究機構提出過形形色色的各種火星取樣返回概念，但進入立項階段的一個都沒有。前蘇聯在70年代中期起也有類似的一些方案，但因N1超重火箭的失敗等原因而被取消。

人類有能力登上月球，為什麼無人的、只需帶回幾百克土壤的火星取樣還這麼難？首先，將航天器送入飛向火星的太陽軌道需要比飛向月球更多的能量。第二，火星重力是月球的兩倍，還有大氣層，返回器從火星起飛比月面起飛需要更多推進劑。為攜帶這些多出來的推進劑，火箭從地球發射時需要多消耗高出兩個數量級的推進劑！最後，還需要遠程通信測控、火星大氣層再入等月球上不需要的技術。而火星表面取樣和收集、上升器、樣品轉移和返回等，也使火星取樣返回比單程火星探測器更為複雜和昂貴。

美國長期倡導火星探索的科學家羅伯特·祖布林（Robert Zubrin）多年前做過一個研究。他認為在火星軌道交會對接有巨大風險，返回器從火星表面發射、直接返回地球是最佳選擇，但返回器可能重達500公斤。這已經超出了當時的推進劑效率、重量限制和結構強度極限。即使所有的技術問題都解決了，所需要的資金也是天文數字。

1990年代中期，隨着技術的發展和NASA啓動雄心勃勃的新一輪火星探索計劃，火星取樣返回的夢想再次復甦。JPL和洛克希德馬丁提出了100公斤級小型火星上升器和火星軌道對接方案。祖布林提出了原位資源利用（ISRU，指利用火星資源就地生產推進劑）方案。它們雖然都沒有實施，但NASA的技術儲備得到了不斷豐富。

史上第一個有實施可能性的火星取樣返回計劃或是1998年提出的火星2003/2005取樣返回任務。它由NASA和法國國家空間研究中心（CNES）合作實施，計劃2003和2005年發射兩個着陸器和火星車，獲取的樣本將由一個140公斤重的固體火箭上升器送入火星軌道。2005年的發射還包括一台軌道器，它將完成軌道上兩個樣本的捕獲，然後將它們帶回地球。

1998年的前一年，美國一架十來公斤的小車在火星上行走了100米，被視為自海盜號登陸21年來美國火星探索的首次突破。直接跨越到火星起飛、軌道捕獲，取樣返回計劃的難度一眼可知，自然逃脱不了被取消的命運。不過，當時的中國離首次載人飛行還有5年，離第一個深空探測器嫦娥一號還有9年，火星取樣返回可能連夢想都談不上，純屬科學幻想。

此後，JPL和洛馬並沒有放棄努力。進入新世紀，NASA的火星探索計劃漸入佳境，勇氣號和機遇號兩輛火星車取得了巨大成功，取樣返回任務也獲得了越來越多的資源和機會。從2001年到2017年，美國的火星取樣返回計劃經歷了數不清的方案迭代，這是一個在目標、技術、資源/預算的平衡中不斷掙扎的過程。

2017年，NASA和歐洲航天局（ESA）簽約合作，火星取樣返回任務終於走上正軌。按此計劃，NASA旗艦級的毅力號火星車將收集樣本，然後轉移到存放區域。後續發射的一個着陸器將再次登上火星，一架歐洲火星車將到存放區域獲取樣本，然後送至上升器將其送入軌道。ESA還將發射一個軌道器，將和上升器對接並將樣本帶回地球。

毅力號火星車取樣時鑽的孔 NASA

投放在“存放區域”的樣品試管，左側輪轍間可見一個，其餘不可見 NASA

NAS-ESA火星取樣返回上升器從火星起飛 NASA

2020年毅力號火星車發射，2021年着陸，後續順利完成取樣。2020年底，中國嫦娥五號完成月球取樣返回。天問一號火星探測器則幾乎和毅力號並行發射和着陸，祝融號火星車行走了近兩公里。中國首次火星探測便一次完成繞、落、巡三大任務，實現了跨越式發展。這個時候，火星取樣返回對中國來説已不再是遙遠的夢想，而是近在咫尺的目標了。

NASA、ESA合作計劃最早預算70億美元，後續兩個任務原計劃於2026年發射，2031年返回地球。但那時他們並沒有太多關注中國的進展。他們可能並不清楚，2031年就是中國的目標。

很不幸，問題慢慢浮現了。2022年，NASA決定把後續發射推遲兩年，單着陸器改為雙着陸器，樣本返回時間推遲到2033年。2023年，獨立審查委員會發現該項目的資金需求可能高達110億美元，樣本返回時間可能晚於2040年。2024年，NASA局長納爾遜宣佈降本、降風險計劃並邀請商業公司參與。最終成本目標調整為58-77億美元，計劃2030、2031年發射兩個後續任務，着陸器恢復單個，樣本返回時間提前至2035-2039年。

好像沒啥改進，是不是？

NASA也清楚這點。所以，2025年1月，NASA再次提出簡化方案：一是使用類似“好奇號”的“天空起重機”着陸方式，二是藉助商業重型着陸器。兩種方案均將採用放射性同位素核電池替代太陽能，最終選擇預計2026年中確定。

樣本什麼時候返回地球？抱歉，現在已經不知道了。

説了那麼多，無非是想説明，火星取樣返回是一個極為艱鉅的任務。説它是皇冠上的明珠，一點不為過。經過美國無數仁人志士、科技精英半個多世紀的不懈努力，成功已經慢慢接近了。但由於NASA、ESA的拉跨和西方整體實力下降，卻很可能功虧一簣。

如今，眼看這顆明珠就要落到中國手裏。美國將可能首次在它最強的強項——深空探索上落後，怎能不焦慮？

不過，美國今天仍是世界最強的國家，其創新能力、技術儲備和人才優勢都無可匹敵，絕對不能低估。在來自中國的巨大壓力下，仍然可能激發出巨大能量。這樣的例子我們已經多次看到，例如二戰時美國工業能力的爆發，例如在冷戰時期贏得太空競賽。

但有一點是肯定的，追上中國不能再指望NASA了。火星取樣返回任務這二十年，起了個大早，趕了個晚集，吞金無數，最後熬成一個爛攤子，甚至可能胎死腹中。這裏不僅有技術路線錯誤、新技術驗證不充分等原因，更有官僚主義、政治正確和利益集團博弈等一系列因素在起作用。

特朗普和馬斯克的新政、新上任年輕的NASA局長能拯救NASA嗎？很難！君不見前不久傳聞NASA的科學任務預算要被砍掉一半嗎？這可是NASA最值得驕傲的部門，沒有之一。從飛往太陽系幾乎所有重要天體的探測器，到哈勃及韋布望遠鏡，無一不是巨大成功，舉世皆知，可謂成績輝煌。如果預算被砍，不僅像土衞六蜻蜓直升機這種萬人期待的科幻項目前途未卜，甚至還會影響執行中的火星取樣返回任務。

美國追上中國的唯一希望在商業航天。馬斯克的星艦火星計劃最有可能擔當這個重任。明眼人一望便知，NASA最新簡化方案的第二選項基本上就是欽定SpaceX。然而，星艦第八飛失敗，迄今連一次完整的軌道飛行也還沒完成，不僅離火星取樣十分遙遠，連計劃中的月球登陸也是未知數。火星取樣返回，必須突破在軌推進劑補給、火星大氣再入、火星軟着陸、取樣收集、火星起飛等一系列技術難題，以星艦的尺度，無一不是史無前例的巨大挑戰。要在2031年前完成使命，實話實説，概率很低。

星艦在火星着陸的渲染圖 Kendall Dirks

奇蹟會發生嗎？也許。讓我們祝福吧。那樣的話，火星競賽將變得更精彩。SpaceX是值得我們學習和尊重的對手，有競爭才會有進步。

除了SpaceX，美國還有人也希望迎接這個挑戰。這就是Rocket Lab（火箭實驗室），一家被馬斯克的光芒長期掩蓋的商業航天公司。它的電子火箭在市場上取得了一席之地。3月11日，就是中國宣佈火星取樣返回國際合作的同一天，它的CEO宣佈了他的火星取樣返回計劃。這個計劃除了讓毅力號給它送來樣本，其他很像中國天問三號的翻版。但我只能説，這最多隻是備案，機會不多。

火箭實驗室的MAV（火星上升器）從火星起飛 Rocket Lab

天問三號仍有最大的機會。中國為什麼能後來居上？這可能和多年來形成的中國航天的基因有關。規劃長遠，預研紮實，再加技術創新，做到了穩妥保守中有創新，跨越式發展但不激進。這在天問三號上表現得尤為典型。它採用兩次發射、取樣即返回、火星軌道交會對接的技術路線，最大程度繼承了天問一號和嫦娥五號的成熟技術，再加上很多局部創新，例如材料、防熱結構、取樣機器人、人工智能的運用等等，提高了天問三號的成功率。

天問三號如果成功，將是中國第一次在深空探索領域領先世界。這將是一個里程碑式的事件。對美國來説，是又一次“斯普特尼克”事件。它對世界產生的影響，將遠超航天的範疇。它可能產生的連鎖結果，也無法預期。但有一點可以肯定，這只是百年未見之大變局的一個片段。

對從小看美國太空大片長大的人們來説，這世界變得有點陌生了。因為，一個新時代即將到來！

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