探火数十载，美国为何还未实现采样返回？_国外航天_外空网

xing123 发表于 2016-10-31 15:30:55

探火数十载，美国为何还未实现采样返回？

一种二元结构火星采样返回方案的示意图近日，美国宇航局一位官员向外界表示，美国宇航局将在2022年左右发射一个具备采样返回功能的火星探测器，开启人类探测火星的一个新阶段。美国已经对火星展开了50余年的探测，为何直到2022年左右才发射具备采样返回能力的探测器？火星采样返回又有多难？采样返回必不可少世界航天之父齐奥尔科夫斯基曾说过：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远留在摇篮里。”1957年，人类第一颗人造地球卫星发射成功，叩开太空之门意味着人类离开摇篮，探索更远的深空已经不再是遥不可及的事情。由于地球资源有限，找到另一颗适合人类居住的行星是全世界科学家一个宏伟的梦想。火星是距地球最近的行星，肉眼看上去是一颗引人注目的火红色的亮星。科学家认为，火星上可能存有生命和液态水，如果火星上有生命和水，它可能就是适合人类居住的另一颗行星，人类也就有可能向火星移民，找到另一个适合人类生存的家园。从上世纪60年代开始，美国、苏联、欧洲以及日本都竞相踏上探索火星的征程。1964年11月5日以来，人类总共向火星发射了30个火星探测器等，但2/3以失败告终。1974年2月，苏联火星4号探测器飞过火星时传回了第一张火星照片，美国《纽约时报》下结论说，“火星了无生趣，是个死亡的世界”，但科学研究一直没有排除火星上存有生命的可能性。今年9月28日，美国宇航局确认在火星发现液态水。这是人类50多年火星探测历史上的一次重大发现，很可能再次掀起火星探测的热潮。进入新世纪后，随着深空探测技术的发展，人类火星探测器的发射成功率有了很大的提高，通过火星轨道探测器或着陆器可以对火星的表面地貌、大气、温度等进行考察和探测。但美中不足的是，由于火星探测器搭载的有效载荷比较少，性能也比较有限，无法对火星土壤、大气等进行详细的考察，进一步增进对火星的认识的最好办法之一是将火星的土壤运回地球，在实验室进行详细的分析。在地球上，科学家们通常通过搜索特定的微观纹理来确认微生物的构造和生物性质，这涉及到将岩石切割成薄片，并在显微镜下观察它们。从工程学的角度来看，要在火星上进行这类操作是非常困难的，采样返回任务将是验证这一结果的黄金标准。火星采样返回三元结构方案在火星工作的想象图采样返回真的很难从技术难度和对航天系统工程能力的要求来看，采样返回任务的要求最高。由于地球和火星都是运动的天体，所以从地球出发的火星探测器并非任何时候都可以发射，而是每隔2年零2个月才有一次发射机会，这样的发射机会称为“发射窗口”。也就是说，火星探测器的“发射窗口”每隔26个月才会打开一次。火星探测的方式主要包括遥感探测和着陆探测两种。遥感探测主要通过轨道器实现，目的是对火星表面开展全球性遥感；着陆和巡视探测主要通过着陆器和火星车来实现，目的是对火星表面重点地区开展定点精细探测，并寻找火星曾经或现在存在生命的证据。轨道器飞行在火星大气层之外，技术上相对容易一些。而如果是火星车或着陆器，则需要穿过火星大气层才能“踏”上火星表面，这期间需要经历惊心动魄、生死攸关的一幕。探测器从130多公里的高空进入火星大气，时速高达21000公里，要在短短7分钟的时间内，让探测器的速度降至零，从而实现安全着陆。这也是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻，被称为“黑色7分钟”。火星着陆探测难度系数非常大，如果还要采样返回的话，着陆器需采集火星土壤，然后飞出火星大气层，踏上回到地球的漫漫长路并再入返回地球，其难度不言而喻。三元结构方案可行性高美国早在上世纪60年代实施海盗火星着陆器计划时就提出了自动火星采样返回任务的构想，此后一直进行火星采样返回方案的研究。比如，美国宇航局在1971年提出采用太阳能电推进技术进行火星采样返回方案（MRSS）；在1991年又提出注重“低成本、低质量”和注重“先进技术”的2种火星采样返回方案；在2003年开始新一轮的火星采样返回风险评估和技术分析。虽然美国宇航局对火星采样返回任务进行了长期的研究，但由于技术、资金等因素的影响，全部方案仅停留在纸上。随着美国航天技术的发展，美国宇航局认为现有的技术已经能够支撑火星采样返回任务。按照任务系统组成和运载火箭发射次数，火星采样返回的方案可分为一元、二元和三元结构方案。一元结构方案是轨道器和着陆器一起发射；二元结构方案是轨道器和着陆器分别发射；三元结构方案是分别发射巡视器、轨道器和着陆器，前后两次的间隔时间为4年。专家认为，三元结构方案具有很大的优势和较高的可行性，因此，美国未来火星采样返回任务可能会采用三元结构。（张思博）

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