如何将火星样本带回地球？看完你就知道了

作者｜弗拉瑟·凯恩

來源｜ 漫步宇宙公衆號

阿波罗计划的一个最伟大成就，是将数百公斤月球样本带回地球。50年过去了，科学家仍对这些样本进行分析并得出各种发现。除了月球样本，科学家还收集了太阳风和彗尾颗粒样本。火星虽然是科学家研究的一大焦点，但迄今为止，他们还没有获得任何火星样本。美国宇航局和欧洲航天局计划实施一项火星样本收集-返回任务，帮助科学家进一步了解这颗红色星球。

火星样本收集-返回任务艺术概念图

太空探索要分阶段进行。首先，你要派遣飞船飞掠星球，展开快速勘测，获取星球的图像和数据。而后，你要派遣轨道器造访这颗星球。轨道器将环绕它飞行数年，获取地表特征的大量细节。“卡西尼”号曾环绕土星294圈，拍摄了超过45万张照片，改变了我们对土星的认知。

在此之后，你要派遣着陆器和探测车。美国宇航局派遣“机遇”号、“勇气”号和“好奇”号勘测火星。它们拍摄了数十万张照片，钻取岩石样本进行分析并且还发现了火星曾有过水的证据。

“卡西尼”号飞船艺术概念图

迄今为止，各个航天机构总共只实施了几次样本返回任务。除了阿波罗计划，前苏联的“月球16”号、“月球20”号和“月球24”号任务也曾将月表土样本带回地球。虽然它们带回的样本数量远不及阿波罗计划，但这些样本来自不同的月球区域，因此也具有重要的研究价值。

2001年，美国宇航局发射“创世纪”号飞船，负责收集太阳风样本并带回地球。不幸的是，降落伞未能顺利打开，“创世纪”号样本返回舱在犹他州沙漠硬着陆。但尽管如此，科学家仍拿到一些样本。

“创世纪”号的样本返回舱在犹他州沙漠坠毁

2004年1月，美国宇航局的“星尘”号抓住彗星“怀尔德-2”的尾巴，两年后将彗尾样本带回地球。日本的“隼鸟2”号和美国的OSIRIS-Rex飞船将把小行星样本带回地球。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）甚至计划实施一项任务，将火星卫星的样本带回地球。不过，科学家至今也没有实施火星样本返回任务。

地球上有不少来自火星的陨石，帮助科学家了解这颗红色星球的地貌和大气层。数百万年前，火星曾遭受一颗巨型小行星的撞击。此次撞击将大量火星岩石抛入太空，部分奔赴地球并在穿过地球大气层时幸存。地球上的火星陨石远远无法满足科学家的需求，他们希望获得特定的火星样本。这意味着科学家有必要实施一项火星样本返回任务。

小行星着陆器MASCOT在“龙宫”上的移动轨迹。这条轨迹利用MASCOT和母船“隼鸟2”号的观测数据绘制

上世纪70年代以来，甚至在发射“海盗”号飞船前，美国宇航局就开始策划火星样本返回任务。这项任务的目标包括搜索生命迹象，不仅仅是目前有的生命，同时也包括过去的生命，甚至生命的化学前身。

在将火星样本带回地球后，科学家会用样本进行各种各样的实验。他们可以将火星表皮土暴露在水、更浓密的大气层和营养物等物质中，以确定是否存在任何活跃的细菌。（“海盗”号曾尝试进行这种实验，但结果并不具有决定性，行星学家仍就实验结果展开激烈争论。）此外，科学家还可以借助高倍率的显微镜对样本进行分析，搜寻微生物化石或者其它任何生命存在的证据。

“好奇”号火星车自拍照

科学家可以通过样本了解火星地表演化史以及水如何在过去数百万年影响这颗星球。他们可以获取最感兴趣的火星区域的样本，例如湖泊沉积层、热液喷口周围的沉积层以及古代河流三角洲。此外，他们还可以获取近期和古代陨石撞击区域、火山喷发地区以及长时间暴露在风中的区域的样本。

借助火星样本，科学家可以研究几十亿年的火星历史，揭示哪个阶段的巨变导致火星沦为一个冰冷而干躁的世界，同时确定小行星轰炸何时平息。火星表面遍布陨石，他们可以获取这些陨石的样本，进而了解其它星球。

“好奇”号拍摄的夏普山

火星样本最好在宇航员踏足火星前送回地球。我们知道火星表皮土中存在有毒化学物质，但大气层外的尘埃呢？如果宇航员将它们吸入体内，是否会危及健康？地下深处的物质又是怎样的情况？通过研究这种样本，科学家能够了解如何让宇航员更好地在火星上生存。此外，他们还可以利用表皮土生产建筑材料、种植作物。通过化学手段分解表皮土，他们还能获得各种原材料。

火星勘测样本采集（SCIM）是最早提出的样本返回任务之一。这是一项相对不算昂贵的侦察级任务，飞船将穿过距地面40公里的火星大气层，收集尘埃和大气样本。这个高度足够高，飞船不会被火星俘获。在此之后，飞船将样本带回地球。通过研究这些样本，科学家能够将大气样本与火星岩石中发现的气体进行比较。此外，他们还可以细致研究火星尘埃。这些尘埃能够形成全球性风暴，终结地表探测任务，对未来的探火宇航员的安全也构成威胁。

美国科学家发现古代火星曾出现一个原始海洋，水量超过北冰洋

SCIM计划于2001年提出，2007年发射，2010年将样本返回地球。不过，这项计划从未成为现实。2009年，美国宇航局和欧洲航天局开始认真制定火星样本返回计划，并正式宣布他们将合作实施这项任务。为了未来的样本返回任务，宇航员和欧航局都在研制火星车。

在火星上跋涉时，美国宇航局的“火星2020”号探测车（将于2020年发射）将收集科学家感兴趣的样本，而后将样本留在火星地表。欧航局的“罗莎琳·富兰克林”号火星车（也将于2020年发射）也会收集样本并将其存放到钢笔大小的容器。随后，欧航局的取样车取走样本并装上美国宇航局的上升飞行器。飞行器将样本送入火星轨道。接下来的旅程由欧航局负责。

“好奇”号在火星上发现的一颗铁陨石

欧航局的取样车采用轻型设计，重量不超过120公斤。抵达火星后，它每天要行进200米，自动规避沿途的风险，整个火星之旅的旅程在20到30公里之间。行进途中，它会取走“火星2020”号或者“罗莎琳·富兰克林”号留在火星地表的样本，挑选30个左右最具科学研究价值的样本。几个月后，取样车抵达火星样本返回着陆器。

样本返回着陆器利用隔热罩和降落伞穿过火星大气层，最后将上升飞行器放到火星。它最长将在火星逗留150天，等待取样车带回样本。装载样本后，上升飞行器点燃发动机，将样本送入距地面350公里的轨道。随后，欧航局的地球返回轨道器接收样本，利用离子发动机将样本送回地球。

欧航局的ExoMars火星车和俄罗斯的固定式地表科学平台

本世纪30年代，科学家将获得大约500克火星地表样本。2019年初，白宫批准了火星样本返回任务的预算。这项任务最早将在2026年发射。虽然这种任务此前已被提议多次，但这是第一次获得预算。2020年，白宫将为宇航局提供1.09亿美元预算，用于未来的火星探索活动，实质上就是样本返回任务。经过近50年的谋划，火星样本返回任务最终要付诸实施。

排版：李安