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2022年6月20日，一個(gè)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(gè)方案： 盡管兩個(gè)方案的出發(fā)時(shí)間有些先后，但返回時(shí)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(shí)施，但據(jù)說也將在2031年返回，但歐空局負(fù)責(zé)的ExoMars探測器則屢屢推遲，真要被中國的火星采樣返回計(jì)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(shí)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(dá)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(shí)火星采樣返回和這個(gè)流程基本一致，但唯一不同的是火星實(shí)在是太遠(yuǎn)了，最近時(shí)距離超過5500萬千米，最遠(yuǎn)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(dá)火星的載荷是不夠的，比如長征五號的近地軌道運(yùn)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(dá)火星，即使運(yùn)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(yùn)載能力，將火星探測計(jì)劃分成了兩個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)火星采樣返回計(jì)劃，其任務(wù)非常復(fù)雜，分成四個(gè)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(shí)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(yùn)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(shí)會先彈射到空中，然后點(diǎn)火進(jìn)入火星380千米的軌道上與地球返回軌道飛行器對接（ERO），準(zhǔn)備執(zhí)行返回任務(wù)。 ERO計(jì)劃于2027年用阿麗亞娜 64號火箭發(fā)射，并于2028年到達(dá)火星，ERO使用離子推進(jìn)修正軌道，原計(jì)劃將于2031年的地球火星轉(zhuǎn)移窗口返回，目標(biāo)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(gè)計(jì)劃推遲至2033年。 歐洲豬隊(duì)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(gè)計(jì)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(gè)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(yàn)。 因?yàn)檫@需要更大的熱防護(hù)罩，直徑達(dá)到了5.4米，這樣的巨型防護(hù)罩NASA完全沒有信心讓其安全穿過火星大氣層抵達(dá)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(jì)，將SRL分開，一個(gè)是樣本接收任務(wù)，另一個(gè)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(jì)，借鑒毅力號的經(jīng)驗(yàn)。 但一個(gè)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(dá)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(gè)階段，除了第一階段外，另外還有三個(gè)階段尚未實(shí)施，目前已經(jīng)推遲到2033年，即使一切順利其采樣時(shí)間仍然大大落后于中國的天問三號。 豬隊(duì)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(jì)劃，目標(biāo)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(jì)劃，從2001年開始，目標(biāo)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(shí)改計(jì)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(biāo)。 2016年時(shí)由于財(cái)務(wù)狀況緊張，該任務(wù)被推遲2年于2020年進(jìn)行！2020年時(shí)該任務(wù)再次被推遲到2022年進(jìn)行，2022年2月底，由于俄烏沖突，2022年發(fā)射的計(jì)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(cuò)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(shí)這NASA-ESA的四步計(jì)劃中哪一步不重要？這個(gè)計(jì)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(yán)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(xiǎn)的顯然是一步到位，但這必須在長征九號成功后才能實(shí)施，估計(jì)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(shí)施，而這次極有可能超越NASA成為火星采樣返回的第一個(gè)！ |
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嫦娥五號組合體
