NASA-ESA火星樣本取回任務

NASA-ESA火星樣本取回任務（NASA-ESA Mars Sample Return, MSR）是一項計劃中的火星樣本取回任務，目標是在 43 個鉛筆大小的小型圓柱形鈦製樣本管中收集火星岩石和土壤樣本，並在 2033 年左右將它們送回地球。 ^[1] 這項耗資約 90 億美元的任務將可以進行比火星探測器更加深入、廣泛的分析。 ^[2]

NASA-ESA 火星樣本取回任務標誌

火星樣本取回任務想像圖（2022年7月版）^[3]

儘管此任務截至 2022 年 12 月仍處於設計、規劃階段，但毅力號火星車已經在傑澤羅撞擊坑採集樣本。^[4]

任務概念與背景

火星樣本返回活動旨在將火星岩石樣本帶回地球

經過許多次提案與篩選後，目前的 NASA-ESA 計劃於 2022 年 9 月獲得批准，使用三個任務取回樣本： ^{[5] [6] [7]}

• 樣本採集任務（毅力號）
• 樣本收集任務（樣本收集着陸器（Sample Retrieval Lander, SRL）+ 火星上升飛行器（Mars ascent vehicl, MAV） + 樣本轉移機械手臂 + 2 架機智號級直升機）
• 返回任務（地球返回軌道器（Earth Return Orbiter, ERO））。

該任務希望解答火星是否曾孕育生命的問題。

樣本採集

毅力號火星車

火星2020任務的毅力號火星車正在採集樣本，隨後會將樣本管留在火星地表，以供未來的任務取回。

火星 2020 毅力號火星車

至今為止毅力號收集的樣本（將留在三叉存放站的 10 個樣本以綠色框起。 )

火星2020任務的毅力號火星車於 2021 年 2 月將降落在傑澤羅撞擊坑。它將收集了多個樣本並將其裝樣本管中以備日後返回。科學家們推測，傑澤羅撞擊坑是一個古老的湖床，適合地面採樣。^[8][9][10]

2021 年 8 月上旬，毅力號首次嘗試通過鑽出一個手指大小的火星岩石核心來收集地面樣本。^[11] 這次採樣嘗試沒有成功。產生了一個鑽孔，然而樣品容器是空的，這是因為取樣的岩石不夠堅固，無法產生堅固的樣本。^[12]毅力號隨後於 2021 年 9 月上旬對被認為更有可能獲得足夠堅固樣品的第二塊目標岩石進行取樣。研磨岩石後，通過噴射加壓氮氣清除灰塵，並檢查所得岩石表面，在 9 月 1 日鑽孔採樣。 ^[13] 9 月 6 日，該封裝完成，第一個樣品放入樣本管容器中。^[14]

2022 年 12 月 21 日開始，毅力號開始將收集到的 10 個樣本放置在三叉樣本存放站（Three Forks Sample Depot）。

樣本

噴氣推進實驗室的毅力號任務辦公室裏，展示了樣本管（當時已封裝10個樣本管）

為了完成火星樣本取回任務，毅力號的將會收集和儲存一套岩石和土壤樣本，這些樣品在未來十年內會有後續任務將其取回。

目前在在毅力號攜帶的43個樣本管中，已經封裝15個岩石樣本（8個火成岩樣本、7個沉積岩樣本）、2個表岩屑樣本、1個大氣樣本和3個見證管，而43個樣本管中有5個見證管，會裝入毅力號探索區域周圍的環境中的氣體與微粒，作為樣本的對照組。^[15]

樣本列表：
No.	採樣日期	採樣火星日	樣本名稱	樣本圖片	樣本放置日期、地點、圖片	採樣岩石、目標名稱	地點	樣本長度（公分）	岩石種類
見證管1[16]	2021年7月7日	Sol 121	N/A			N/A	北賽塔	N/A	見證管
大氣樣本1[17]	2021年8月6日	Sol 164	N/A			Roubion	多邊形谷 （Polygon Valley）	N/A	大氣
岩石樣本1[18]	2021年9月1日	Sol 190	Montdenier			羅切特岩 （Rochette）	阿圖比嶺 （Artuby Ridge）	5.98	火成岩
岩石樣本2[19]	2021年9月8日	Sol 196	Montagnac					6.14
岩石樣本3[20]	2021年11月15日	Sol 262	Salette			Brac	南賽塔 （South Séítah）	6.28
岩石樣本4[20]	2021年11月24日	Sol 271	Coulettes					3.3
岩石樣本5[20]	2021年12月18日	Sol 295	Robine			Issole		6.08
岩石樣本6[21][22]	2021年12月29日 （失敗）	Sol 306	N/A		2022年12月21日（Sol 653） 三叉存放站 存放點1			N/A
	2022年1月31日 （成功）	Sol 337	Malay					3.07
岩石樣本7[20]	2022年3月7日	Sol 371	Ha'ahóni （Hahonih）			Sid	奧克塔維婭·埃·巴特勒着陸場 Ch'ał 露頭	6.5
岩石樣本8	2022年3月13日	Sol 377	Atsá （Atsah）					6
岩石樣本9	2022年7月7日	Sol 490	Swift Run			斯金納嶺 （Skinner Ridge）	三角洲前沿 （Delta Front）	6.69	沉積岩
岩石樣本10	2022年7月12日	Sol 495	Skyland					5.85
見證管2	2022年7月16日	Sol 499	N/A			N/A		N/A	見證管
岩石樣本11	2022年7月27日	Sol 509	Hazeltop			班貓嶺 （Wildcat Ridge）		5.97	沉積岩
岩石樣本12	2022年8月3日	Sol 516	Bearwallow					6.24
岩石樣本13	2022年10月2日	Sol 575	Shuyak			阿馬利克 （Amalik）		5.55
岩石樣本14	2022年11月16日	Sol 619	Mageik		2022年12月23日（Sol 655） 三叉存放站 存放點2			7.36
見證管3	2022年10月14日	Sol 586	N/A			N/A		N/A	見證管
岩石樣本15	2022年11月29日	Sol 631	Kukaklek			隱藏港 （Hidden Harbor）		4.97	沉積岩
表岩屑樣本1	2022年12月2日	Sol 634	Atmo Mountain			觀察山 （Observation Mountain）		5.30	混合的沉積和火成岩顆粒
表岩屑樣本2	2022年12月7日	Sol 639	Crosswind Lake					5.30
資料來源:[23]

樣本地圖

毅力號於首次科學活動中採集的樣本位置圖

毅力號採集的樣本位置圖

三叉樣本存放站（Three Forks Sample Depot）

NASA 的毅力號火星車為 MSR 活動進行科學和樣本採集將近一個火星年之後，於2022 年 12 月 19 日開始把十個樣本存放三叉樣本存放站。該倉庫將作為備用方案，以防毅力號無法運送樣本。 毅力號將樣本存放在一個相對平坦的地形，稱為三叉（Three Forks），這樣 NASA 和 ESA 就可以在 MSR 任務中收回它們。 該地點同時也是樣本收集着陸器的備用着陸點。

VSTB OPTIMISM 火星車測試於 Mars Yard 測試樣本存放

毅力號複雜的採樣和緩存系統需要將近一個小時的時間才能從火星車的腹部取回金屬管，用其內部緩存相機（Cachecam）對其進行最後一次觀察，然後讓樣本掉落一塊精心挑選的地面上。^[24]

毅力號拍攝的火星沙塵

樣本管不會被堆放在同一個地方。每個樣本管都有一個直徑約為 5.5 米（18 英尺）的「操作區域」可供放置。10 個樣本管將以復雜的鋸齒形圖案編排放置於火星地表，每個樣本附近彼此相距約 5 ~ 15 公尺。

採用此計劃有多種原因，最大原因是因為樣本回收直升機一次只能收回一個樣本管。同時，直升機會於此處起飛和降落，並在該地點短暫行駛。 為了確保直升機能夠毫無問題地取回樣本，該計劃要得到妥善執行，並且將耗時兩個多月。

毅力號計劃於三叉樣本存放站放置樣本管的位置圖

樣本收集

早期規劃的火星樣本取回任務包括 ESA 的撿取樣本火星車及其相關的第二個着陸器，以及火星上升飛行器（Mars ascent vehicl, MAV）及其着陸器，後者將把樣本帶到 MAV，然後將樣本發射進入軌道。但考慮到成本超支後，決定以毅力號為將樣本運送到樣本收集着陸器（Sample Retrieval Lander, SRL）的主要方式。

目前計劃的的樣本收集任務為在 2028 年發射樣本收集着陸器，搭載火星上升飛行器和兩架樣本回收直升機。毅力號和直升機將把樣本運送到 SRL 。 SRL 中由 ESA 研發的樣本轉移機械手臂將提取樣本並將它們放置到火星上升飛行器的樣品返回膠囊中。 ^[5]SRL計劃於 2029 年在傑澤羅撞擊坑的三叉地區（Three Forks）附近着陸。

火星樣本回收直升機

SRL 將會搭載兩架機智號級直升機，兩者都將利用微型機械手臂收集樣本管至 SRL ，以防毅力號遇到問題。

火星上升飛行器（MAV）

火星上升飛行器（MAV）是 NASA 製造的 3 公尺長、兩級固體燃料火箭，由洛歇·馬丁公司與馬歇爾太空飛行中心合作開發，它將把從火星表面收集到的樣本運送到地球返回軌道器。 ^[25]計劃在它點燃之前以每秒 16 英尺（5 米）的速度彈射到空中，以消除升空失誤的可能性，例如 SRL在火箭升空時滑動或傾斜。火箭的第一級將由一個升級後的 STAR-20 發動機運行 70 秒，而第二級將由一個升級後 STAR-15 發動機再燃燒 27 秒。 之後 MAV 將進入高度 380 公里的軌道。^[26]樣品容器將被釋放到軌道上。

MAV 計劃於 2028 年隨着 SRL 發射。 ^[5]

樣本返回

地球返回軌道器（ERO）

ERO 是 ESA 開發的軌道器。^{[27] [28]}它包括 NASA 建造的樣本捕獲/收容和返回系統 (CCRS) ，用於與 MAV 在低火星軌道 (LMO) 上會合並交付樣本。ERO 重約 6000 公斤並擁有寬度超過 40 公尺的太陽能板 （為有史以來發射到太空最大的太陽能板之一）。

ERO 計劃於 2027 年用亞利安6號運載火箭發射，^[29]並於 2028 年到達火星，^[5]它將使用離子推進器和單獨的推進元件逐步到達正確的軌道。 軌道器將在軌道上取回並密封樣本艙，並使用 NASA 製造的機械手臂將密封的樣本艙放入地球再入艙 (Earth Entry Vehicle, EEV) 。它將在 2033 年火星-地球轉移窗口期間返回地球。

地球再入艙（Earth Entry Vehicle, EEV）

捕獲/收容和返回系統 (CCRS) 會將樣本存放在 EEV 中。 EEV 將在沒有降落傘的情況下返回地球並着陸。 猶他州測試和訓練場的沙漠和 EEV 中的減震材料能在保護樣品免受衝擊力。^{[30] [31] [28]} EEV 計劃於 2033 年登陸地球。^[32]

參見

• 太陽系探索年表
• 火星2020
• 毅力號
• 火星2020時間軸
• 火星探索計劃

參考文獻

1. Chang, Kenneth. Bringing Mars Rocks to Earth: Our Greatest Interplanetary Circus Act – NASA and the European Space Agency plan to toss rocks from one spacecraft to another before the samples finally land on Earth in 2031. The New York Times. 28 July 2020 [28 July 2020]. （原始內容存檔於2020-12-01）.
2. Treiman, et al. – Groundbreaking Sample Return from Mars: The Next Giant Leap in Understanding the Red Planet (PDF). [2022-12-27]. （原始內容存檔 (PDF)於2016-06-10）.
3. Chang, Kenneth. NASA Will Send More Helicopters to Mars - Instead of sending another rover to help retrieve rock and dirt samples from the red planet and bring them to Earth, the agency will provide the helicopters as a backup option.. The New York Times. 27 July 2022 [28 July 2022].
4. mars.nasa.gov. Mars Sample Return Campaign. mars.nasa.gov. [2022-06-15]. （原始內容存檔於2022-01-08） （英語）.
5. Foust, Jeff. NASA to delay Mars Sample Return, switch to dual-lander approach. SpaceNews. 27 March 2022 [28 March 2022].
6. Future Planetary Exploration: New Mars Sample Return Plan. 8 December 2009 [2022-12-27]. （原始內容存檔於2022-03-31）.
7. Mars sample return. www.esa.int. [2022-01-03]. （原始內容存檔於2022-07-02） （英語）.
8. Welcome to 'Octavia E. Butler Landing'. NASA. 5 March 2021 [5 March 2021]. （原始內容存檔於2021-03-05）.
9. Voosen, Paul. Mars rover's sampling campaign begins. Science (AAAS). July 31, 2021, 373 (6554): 477 [August 1, 2021]. Bibcode:2021Sci...373..477V. PMID 34326215. S2CID 236514399. doi:10.1126/science.373.6554.477. （原始內容存檔於2022-12-25）.
10. mars.nasa.gov. On the Eve of Perseverance's First Sample. mars.nasa.gov. [2021-08-12]. （原始內容存檔於2022-05-23） （英語）.
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26. Yaghoubi, Darius; Maynor, Shawn. Integrated Design Results for the MSR SRC Mars Ascent Vehicle (PDF). NASA Technical Reports Server. [26 April 2022]. （原始內容存檔 (PDF)於2022-03-23）.
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30. Kellas, Sotiris. Passive earth entry vehicle landing test. 2017 IEEE Aerospace Conference (Big Sky, MT, USA: IEEE). March 2017: 1–10 [2022-12-27]. ISBN 978-1-5090-1613-6. S2CID 24286971. doi:10.1109/AERO.2017.7943744. hdl:2060/20170002221. （原始內容存檔於2022-07-01）.
31. Post : NASA Eyes Sample-Return Capability for Post-2020 Mars Orbiter : Denver Museum of Nature & Science. 2017-08-31 [2022-12-25]. （原始內容存檔於2017-08-31）.
32. Gebhardt, Chris; Barker, Nathan. Mars Ascent Vehicle from Northrop Grumman takes shape for Mars Sample Return mission. NASASpaceFlight.com. 2021-06-04 [2021-08-27]. （原始內容存檔於2022-05-14） （美國英語）.

外部鏈結

• NASA 的火星樣本取回任務官方網站 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• NASA 和 JPL 製作的火星樣本取回任務示範動畫 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（視頻）