火星样本取回任务

火星样本取回任务（Mars sample-return mission, MSR）是一项计画并部分执行中的采样返回任务，旨在收集火星上的岩石和尘埃样本并将其送回地球进行更加广泛的分析。^[1]^[2]

目前主要的计画提案有美国国家航空暨太空总署（NASA）和欧洲太空总署（ESA）合作的任务、中国国家航天局（CNSA）的天问三号以及俄罗斯国家航太集团（Roscosmos）的火星 - 土壤（Mars-Grunt）任务。截至 2022 年，NASA - ESA 计划仍处于设计阶段，但毅力号火星车目前已经在火星上收集样本。

科学价值

将样本送回地球后，可以进行比火星车上的仪器更加详细的分析。NASA 总部科学副署长托马斯·祖布臣（Thomas Zurbuchen）预计，此研究将在许多领域取得多项新发现。^[3]将来也可能会使用目前尚不存在或研发中的的仪器分析样本。^[4]

2006 年，火星探测计划分析小组确定了 55 项与火星探测有关的重要调查。 2008 年时，他们得出的结论是：大约一半的调查“可以在某种程度上由火星样本取回任务解决”，使火星样本取回任务成为“在整个调查清单中取得最大进展的单一任务”。此外，据报导，如果没有返回样本，很大一部分调查就无法有意义地推进。^[5]

此外，火星样本的其中一个来源是火星陨石，它们是从火星喷出并进入地球的岩石。截至 2019 年 4 月，在 61,000 多颗已知陨石中，有 266 颗陨石被确定为火星陨石。^[6]这些陨石被认为来自火星，是因为它们的元素和同位素组成类似于在火星上分析的岩石和大气气体。^[7]

历史

三十年以来，科学家一直希望能从火星采回地质样本。^[8]早期的概念之一是火星调查样本收集 (SCIM) 提案，该提案涉将发送探测器在掠过火星上层大气的过程中收集尘埃和空气样本，而无需著陆或绕轨。^[9]

苏联在 1975 年考虑了火星样本返回任务 Mars 5NM，但由于发射它的N1火箭一再失败，该任务被取消。计划于 1979 年进行的另一项样本返回任务 Mars 5M（Mars-79）也因复杂性和技术问题而被取消。^[10] 美国的火星探索计划是在 1993 年 9 月火星观察者号失败后成立的，他们支持研发取回火星样本的任务。^[11]

1996 年，人们认为在火星陨石ALH84001中发现了明显的微化石，提出了火星上存在生命的可能性。这一假设最终被否决，但重新引起了人们对火星样本返回的兴趣。^[12] 2006 年年中，国际火星探测工作组 (IMEWG) 授权成立国际火星样本返回架构 (iMARS) 工作组，以概述国际赞助和执行的火星样本返回任务的科学和工程要求。^[5]

NASA 的火星探索计划曾考虑在 2008 年之前返回样本的任务概念，^[13]但在计划审查后被取消。^[14] 2001 年夏天，喷气推进实验室 (JPL) 向行业领导的团队（波音、洛克希德马丁和 TRW）请求任务概念和建议。之后也向某些大学航空工程系（麻省理工学院和密歇根大学）提出了类似的请求。2009 年 10 月，NASA 和 ESA 建立了火星探索联合倡议，以推进 ExoMars 计划，其最终目标是“在 2020 年代从火星返回样本”。 ^[15]^[16] ExoMars 的第一个任务计划于 2018 年发射^[4]^[17]，后续的任务是在 2020-2022 年的时间范围内返回样本。^[18] 但在2011 年取消缓存漫游车 MAX-C，后来 NASA 由于预算限制从 ExoMars 撤出，结束了任务。^[19]

2011 年初，美国国家研究委员会的行星科学十年调查制定了 2013-2022 年期间的任务规划优先事项，宣布火星样本取回任务是该期间最优先的旗舰任务。^[20] 2012 年 9 月，NASA 宣布进一步研究将火星样本带到地球的几种策略最早于 2018 年开始执行任务。^[21]^[22] 2018 年 7 月，NASA与空中巴士公司签订合约，以生产“捡取样本火星车”。 2018 年 4 月，NASA 和 ESA 签署了一份同意书，该同意书可能为火星样本返回任务提供基础。^[23]^[24] 2019 年 7 月，提出了一种任务架构。^[25]^[26] 2020 年 4 月，提出了任务的更新版本。.^[27]

2022 年 7 月 27 日，NASA 宣布任务中将不发射捡取样本火星车，而使用随样本取回著陆器登陆火星，以机智号为原型的样本回收直升机。^[28]

火星2020的毅力号火星车任务中的其中一个关键目标是为火星样本取回任务做准备。^[29]^[30]^[22]毅力号于 2021 年 2 月 18 日降落在杰泽罗撞击坑，它将收集样本并将其储存在 43 个样本管中，以备日后取回。

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计划

NASA - ESA

NASA-ESA 计画将使用三个任务取回样本：^[31] ^[32] ^[33]

样本采集任务（毅力号）
样本收集任务（样本收集著陆器（Sample Retrieval Lander, SRL）+ 火星上升飞行器（Mars ascent vehicl, MAV） + 样本转移机械手臂 + 2 架机智号级样本回收直升机）
返回任务（地球返回轨道器（Earth Return Orbiter, ERO））。

该任务希望了解火星是否曾孕育生命。

中国

中国国家航天局正计划在2028至2031年间实施名为天问三号的火星样本返回任务^[34]^[35]。^[36] 2021 年通过了一项计划，该计划建议通过一个样本收集著陆器和一个火星上升飞行器来检索样本。该任务将于 2028 年 11 月用长征三号乙发射。样本将通过地球返回轨道器发送到地球并转移到再入舱，这两个探测器都将在 2028 年 11 月用长征五号发射，并于 2031 年 9 月返回地球。^[37]^[38]

法国

多年来，法国一直致力于样本取回。这包括用于返回样本的外星样本管理设施的概念，以及许多提案。^[39]他们致力于开发火星样本返回轨道器，作为与其他国家联合任务的一部分，该轨道器将捕获并返回样本。

日本

2015 年 6 月 9 日，日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 公布了一项名为火星卫星探测器 (MMX) 的计划，以从火卫一或火卫二取回样本。^[40]^[41]火卫一的轨道离火星更近，它的表面可能已经捕获了火星的粒子。^[42]探测器计划于 2024 年 9 月从地球发射，并于 2029 年返回地球。^[43]日本积极参与国际火星样本取回任务。