陈蓝：火星取样返回，美国能追上中国吗？

【文/观察者网专栏作者 陈蓝】

火星探索，从当年海盗号软着陆，到后来勇气和机遇号火星车，到现在核动力火星车和火星直升机，美国不是一直遥遥领先的吗？怎么还需要追赶中国？

没错。半个多世纪来，美国在火星上没有对手，即使今天也还遥遥领先，这是真的。但接下来的火星取样返回，美国需要竭尽全力追赶中国，也是真的。

美国海盗一号拍摄的火星全图，由100多张照片拼接而成 NASA

3月11日，中国国家航天局官网发布了火星取样返回任务（天问三号） 国际合作机遇公告。公告中称，此次合作机会面向国际社会开放，欢迎国际合作方与天问三号任务开展系统级、单机级合作，鼓励国外有关科研机构与国内有效载荷研制单位以联合研制的形式参与遴选。

天问三号任务概况 CNSA

天问三号探测器构成，左为轨返组合体，右为着上组合体 CNSA

天问三号着陆、取样机器人、火星发射、轨道样品转移渲染 CNSA

这意味着什么？了解中国航天稳扎稳打风格的网友应该都能猜到，这意味着天问三号任务已经解决了所有关键的技术难点，扫除了主要风险，已经或即将进入工程研制阶段，甚至初样也已物理存在。这也意味着这次公布的任务时间表 - 2030年前后样品返回地球 - 基本上已经十拿九稳了。

那么美国呢？

先不说阿波罗时代就有火星取样返回的设想，美国开展严肃的火星取样返回研究的时间点最早可以追溯到1970年代初。半个多世纪过去，梦想依旧，足以说明这个梦想的巨大难度。

1974年，NASA的兰利研究中心和喷气推进实验室（JPL）联合发表了一篇论文，对火星取样返回做了详尽的理论分析。那年，后来名扬天下的海盗号火星登陆器还在研制中，中国以举国之力送入太空的卫星只有两颗，最大重量才200公斤出头。绝大部分国人对火星取样返回恐怕连概念也没有。

1974年兰利中心和JPL发表的论文 AIAA

1990年代前，以JPL为代表的NASA各个研究机构提出过形形色色的各种火星取样返回概念，但进入立项阶段的一个都没有。前苏联在70年代中期起也有类似的一些方案，但因N1超重火箭的失败等原因而被取消。

人类有能力登上月球，为什么无人的、只需带回几百克土壤的火星取样还这么难？首先，将航天器送入飞向火星的太阳轨道需要比飞向月球更多的能量。第二，火星重力是月球的两倍，还有大气层，返回器从火星起飞比月面起飞需要更多推进剂。为携带这些多出来的推进剂，火箭从地球发射时需要多消耗高出两个数量级的推进剂！最后，还需要远程通信测控、火星大气层再入等月球上不需要的技术。而火星表面取样和收集、上升器、样品转移和返回等，也使火星取样返回比单程火星探测器更为复杂和昂贵。

美国长期倡导火星探索的科学家罗伯特·祖布林（Robert Zubrin）多年前做过一个研究。他认为在火星轨道交会对接有巨大风险，返回器从火星表面发射、直接返回地球是最佳选择，但返回器可能重达500公斤。这已经超出了当时的推进剂效率、重量限制和结构强度极限。即使所有的技术问题都解决了，所需要的资金也是天文数字。

1990年代中期，随着技术的发展和NASA启动雄心勃勃的新一轮火星探索计划，火星取样返回的梦想再次复苏。JPL和洛克希德马丁提出了100公斤级小型火星上升器和火星轨道对接方案。祖布林提出了原位资源利用（ISRU，指利用火星资源就地生产推进剂）方案。它们虽然都没有实施，但NASA的技术储备得到了不断丰富。

史上第一个有实施可能性的火星取样返回计划或是1998年提出的火星2003/2005取样返回任务。它由NASA和法国国家空间研究中心（CNES）合作实施，计划2003和2005年发射两个着陆器和火星车，获取的样本将由一个140公斤重的固体火箭上升器送入火星轨道。2005年的发射还包括一台轨道器，它将完成轨道上两个样本的捕获，然后将它们带回地球。

1998年的前一年，美国一架十来公斤的小车在火星上行走了100米，被视为自海盗号登陆21年来美国火星探索的首次突破。直接跨越到火星起飞、轨道捕获，取样返回计划的难度一眼可知，自然逃脱不了被取消的命运。不过，当时的中国离首次载人飞行还有5年，离第一个深空探测器嫦娥一号还有9年，火星取样返回可能连梦想都谈不上，纯属科学幻想。

此后，JPL和洛马并没有放弃努力。进入新世纪，NASA的火星探索计划渐入佳境，勇气号和机遇号两辆火星车取得了巨大成功，取样返回任务也获得了越来越多的资源和机会。从2001年到2017年，美国的火星取样返回计划经历了数不清的方案迭代，这是一个在目标、技术、资源/预算的平衡中不断挣扎的过程。

2017年，NASA和欧洲航天局（ESA）签约合作，火星取样返回任务终于走上正轨。按此计划，NASA旗舰级的毅力号火星车将收集样本，然后转移到存放区域。后续发射的一个着陆器将再次登上火星，一架欧洲火星车将到存放区域获取样本，然后送至上升器将其送入轨道。ESA还将发射一个轨道器，将和上升器对接并将样本带回地球。

毅力号火星车取样时钻的孔 NASA

投放在“存放区域”的样品试管，左侧轮辙间可见一个，其余不可见 NASA

NAS-ESA火星取样返回上升器从火星起飞 NASA

2020年毅力号火星车发射，2021年着陆，后续顺利完成取样。2020年底，中国嫦娥五号完成月球取样返回。天问一号火星探测器则几乎和毅力号并行发射和着陆，祝融号火星车行走了近两公里。中国首次火星探测便一次完成绕、落、巡三大任务，实现了跨越式发展。这个时候，火星取样返回对中国来说已不再是遥远的梦想，而是近在咫尺的目标了。

NASA、ESA合作计划最早预算70亿美元，后续两个任务原计划于2026年发射，2031年返回地球。但那时他们并没有太多关注中国的进展。他们可能并不清楚，2031年就是中国的目标。

很不幸，问题慢慢浮现了。2022年，NASA决定把后续发射推迟两年，单着陆器改为双着陆器，样本返回时间推迟到2033年。2023年，独立审查委员会发现该项目的资金需求可能高达110亿美元，样本返回时间可能晚于2040年。2024年，NASA局长纳尔逊宣布降本、降风险计划并邀请商业公司参与。最终成本目标调整为58-77亿美元，计划2030、2031年发射两个后续任务，着陆器恢复单个，样本返回时间提前至2035-2039年。

好像没啥改进，是不是？

NASA也清楚这点。所以，2025年1月，NASA再次提出简化方案：一是使用类似“好奇号”的“天空起重机”着陆方式，二是借助商业重型着陆器。两种方案均将采用放射性同位素核电池替代太阳能，最终选择预计2026年中确定。

样本什么时候返回地球？抱歉，现在已经不知道了。

说了那么多，无非是想说明，火星取样返回是一个极为艰巨的任务。说它是皇冠上的明珠，一点不为过。经过美国无数仁人志士、科技精英半个多世纪的不懈努力，成功已经慢慢接近了。但由于NASA、ESA的拉跨和西方整体实力下降，却很可能功亏一篑。

如今，眼看这颗明珠就要落到中国手里。美国将可能首次在它最强的强项——深空探索上落后，怎能不焦虑？

不过，美国今天仍是世界最强的国家，其创新能力、技术储备和人才优势都无可匹敌，绝对不能低估。在来自中国的巨大压力下，仍然可能激发出巨大能量。这样的例子我们已经多次看到，例如二战时美国工业能力的爆发，例如在冷战时期赢得太空竞赛。

但有一点是肯定的，追上中国不能再指望NASA了。火星取样返回任务这二十年，起了个大早，赶了个晚集，吞金无数，最后熬成一个烂摊子，甚至可能胎死腹中。这里不仅有技术路线错误、新技术验证不充分等原因，更有官僚主义、政治正确和利益集团博弈等一系列因素在起作用。

特朗普和马斯克的新政、新上任年轻的NASA局长能拯救NASA吗？很难！君不见前不久传闻NASA的科学任务预算要被砍掉一半吗？这可是NASA最值得骄傲的部门，没有之一。从飞往太阳系几乎所有重要天体的探测器，到哈勃及韦布望远镜，无一不是巨大成功，举世皆知，可谓成绩辉煌。如果预算被砍，不仅像土卫六蜻蜓直升机这种万人期待的科幻项目前途未卜，甚至还会影响执行中的火星取样返回任务。

美国追上中国的唯一希望在商业航天。马斯克的星舰火星计划最有可能担当这个重任。明眼人一望便知，NASA最新简化方案的第二选项基本上就是钦定SpaceX。然而，星舰第八飞失败，迄今连一次完整的轨道飞行也还没完成，不仅离火星取样十分遥远，连计划中的月球登陆也是未知数。火星取样返回，必须突破在轨推进剂补给、火星大气再入、火星软着陆、取样收集、火星起飞等一系列技术难题，以星舰的尺度，无一不是史无前例的巨大挑战。要在2031年前完成使命，实话实说，概率很低。

星舰在火星着陆的渲染图 Kendall Dirks

奇迹会发生吗？也许。让我们祝福吧。那样的话，火星竞赛将变得更精彩。SpaceX是值得我们学习和尊重的对手，有竞争才会有进步。

除了SpaceX，美国还有人也希望迎接这个挑战。这就是Rocket Lab（火箭实验室），一家被马斯克的光芒长期掩盖的商业航天公司。它的电子火箭在市场上取得了一席之地。3月11日，就是中国宣布火星取样返回国际合作的同一天，它的CEO宣布了他的火星取样返回计划。这个计划除了让毅力号给它送来样本，其他很像中国天问三号的翻版。但我只能说，这最多只是备案，机会不多。

火箭实验室的MAV（火星上升器）从火星起飞 Rocket Lab

天问三号仍有最大的机会。中国为什么能后来居上？这可能和多年来形成的中国航天的基因有关。规划长远，预研扎实，再加技术创新，做到了稳妥保守中有创新，跨越式发展但不激进。这在天问三号上表现得尤为典型。它采用两次发射、取样即返回、火星轨道交会对接的技术路线，最大程度继承了天问一号和嫦娥五号的成熟技术，再加上很多局部创新，例如材料、防热结构、取样机器人、人工智能的运用等等，提高了天问三号的成功率。

天问三号如果成功，将是中国第一次在深空探索领域领先世界。这将是一个里程碑式的事件。对美国来说，是又一次“斯普特尼克”事件。它对世界产生的影响，将远超航天的范畴。它可能产生的连锁结果，也无法预期。但有一点可以肯定，这只是百年未见之大变局的一个片段。

对从小看美国太空大片长大的人们来说，这世界变得有点陌生了。因为，一个新时代即将到来！

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