【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 陳藍(lán)】

火星探索，從當(dāng)年海盜號軟著陸，到后來勇氣和機(jī)遇號火星車，到現(xiàn)在核動力火星車和火星直升機(jī)，美國不是一直遙遙領(lǐng)先的嗎？怎么還需要追趕中國？

沒錯。半個多世紀(jì)來，美國在火星上沒有對手，即使今天也還遙遙領(lǐng)先，這是真的。但接下來的火星取樣返回，美國需要竭盡全力追趕中國，也是真的。

美國海盜一號拍攝的火星全圖，由100多張照片拼接而成 NASA

3月11日，中國國家航天局官網(wǎng)發(fā)布了火星取樣返回任務(wù)（天問三號） 國際合作機(jī)遇公告。公告中稱，此次合作機(jī)會面向國際社會開放，歡迎國際合作方與天問三號任務(wù)開展系統(tǒng)級、單機(jī)級合作，鼓勵國外有關(guān)科研機(jī)構(gòu)與國內(nèi)有效載荷研制單位以聯(lián)合研制的形式參與遴選。

天問三號任務(wù)概況 CNSA

天問三號探測器構(gòu)成，左為軌返組合體，右為著上組合體 CNSA

天問三號著陸、取樣機(jī)器人、火星發(fā)射、軌道樣品轉(zhuǎn)移渲染 CNSA

這意味著什么？了解中國航天穩(wěn)扎穩(wěn)打風(fēng)格的網(wǎng)友應(yīng)該都能猜到，這意味著天問三號任務(wù)已經(jīng)解決了所有關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)，掃除了主要風(fēng)險，已經(jīng)或即將進(jìn)入工程研制階段，甚至初樣也已物理存在。這也意味著這次公布的任務(wù)時間表 - 2030年前后樣品返回地球 - 基本上已經(jīng)十拿九穩(wěn)了。

那么美國呢？

先不說阿波羅時代就有火星取樣返回的設(shè)想，美國開展嚴(yán)肅的火星取樣返回研究的時間點(diǎn)最早可以追溯到1970年代初。半個多世紀(jì)過去，夢想依舊，足以說明這個夢想的巨大難度。

1974年，NASA的蘭利研究中心和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）聯(lián)合發(fā)表了一篇論文，對火星取樣返回做了詳盡的理論分析。那年，后來名揚(yáng)天下的海盜號火星登陸器還在研制中，中國以舉國之力送入太空的衛(wèi)星只有兩顆，最大重量才200公斤出頭。絕大部分國人對火星取樣返回恐怕連概念也沒有。

1974年蘭利中心和JPL發(fā)表的論文 AIAA

1990年代前，以JPL為代表的NASA各個研究機(jī)構(gòu)提出過形形色色的各種火星取樣返回概念，但進(jìn)入立項(xiàng)階段的一個都沒有。前蘇聯(lián)在70年代中期起也有類似的一些方案，但因N1超重火箭的失敗等原因而被取消。

人類有能力登上月球，為什么無人的、只需帶回幾百克土壤的火星取樣還這么難？首先，將航天器送入飛向火星的太陽軌道需要比飛向月球更多的能量。第二，火星重力是月球的兩倍，還有大氣層，返回器從火星起飛比月面起飛需要更多推進(jìn)劑。為攜帶這些多出來的推進(jìn)劑，火箭從地球發(fā)射時需要多消耗高出兩個數(shù)量級的推進(jìn)劑！最后，還需要遠(yuǎn)程通信測控、火星大氣層再入等月球上不需要的技術(shù)。而火星表面取樣和收集、上升器、樣品轉(zhuǎn)移和返回等，也使火星取樣返回比單程火星探測器更為復(fù)雜和昂貴。

美國長期倡導(dǎo)火星探索的科學(xué)家羅伯特·祖布林（Robert Zubrin）多年前做過一個研究。他認(rèn)為在火星軌道交會對接有巨大風(fēng)險，返回器從火星表面發(fā)射、直接返回地球是最佳選擇，但返回器可能重達(dá)500公斤。這已經(jīng)超出了當(dāng)時的推進(jìn)劑效率、重量限制和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限。即使所有的技術(shù)問題都解決了，所需要的資金也是天文數(shù)字。

1990年代中期，隨著技術(shù)的發(fā)展和NASA啟動雄心勃勃的新一輪火星探索計劃，火星取樣返回的夢想再次復(fù)蘇。JPL和洛克希德馬丁提出了100公斤級小型火星上升器和火星軌道對接方案。祖布林提出了原位資源利用（ISRU，指利用火星資源就地生產(chǎn)推進(jìn)劑）方案。它們雖然都沒有實(shí)施，但NASA的技術(shù)儲備得到了不斷豐富。

史上第一個有實(shí)施可能性的火星取樣返回計劃或是1998年提出的火星2003/2005取樣返回任務(wù)。它由NASA和法國國家空間研究中心（CNES）合作實(shí)施，計劃2003和2005年發(fā)射兩個著陸器和火星車，獲取的樣本將由一個140公斤重的固體火箭上升器送入火星軌道。2005年的發(fā)射還包括一臺軌道器，它將完成軌道上兩個樣本的捕獲，然后將它們帶回地球。

1998年的前一年，美國一架十來公斤的小車在火星上行走了100米，被視為自海盜號登陸21年來美國火星探索的首次突破。直接跨越到火星起飛、軌道捕獲，取樣返回計劃的難度一眼可知，自然逃脫不了被取消的命運(yùn)。不過，當(dāng)時的中國離首次載人飛行還有5年，離第一個深空探測器嫦娥一號還有9年，火星取樣返回可能連夢想都談不上，純屬科學(xué)幻想。

此后，JPL和洛馬并沒有放棄努力。進(jìn)入新世紀(jì)，NASA的火星探索計劃漸入佳境，勇氣號和機(jī)遇號兩輛火星車取得了巨大成功，取樣返回任務(wù)也獲得了越來越多的資源和機(jī)會。從2001年到2017年，美國的火星取樣返回計劃經(jīng)歷了數(shù)不清的方案迭代，這是一個在目標(biāo)、技術(shù)、資源/預(yù)算的平衡中不斷掙扎的過程。

2017年，NASA和歐洲航天局（ESA）簽約合作，火星取樣返回任務(wù)終于走上正軌。按此計劃，NASA旗艦級的毅力號火星車將收集樣本，然后轉(zhuǎn)移到存放區(qū)域。后續(xù)發(fā)射的一個著陸器將再次登上火星，一架歐洲火星車將到存放區(qū)域獲取樣本，然后送至上升器將其送入軌道。ESA還將發(fā)射一個軌道器，將和上升器對接并將樣本帶回地球。

毅力號火星車取樣時鉆的孔 NASA

投放在“存放區(qū)域”的樣品試管，左側(cè)輪轍間可見一個，其余不可見 NASA

NAS-ESA火星取樣返回上升器從火星起飛 NASA

2020年毅力號火星車發(fā)射，2021年著陸，后續(xù)順利完成取樣。2020年底，中國嫦娥五號完成月球取樣返回。天問一號火星探測器則幾乎和毅力號并行發(fā)射和著陸，祝融號火星車行走了近兩公里。中國首次火星探測便一次完成繞、落、巡三大任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。這個時候，火星取樣返回對中國來說已不再是遙遠(yuǎn)的夢想，而是近在咫尺的目標(biāo)了。

NASA、ESA合作計劃最早預(yù)算70億美元，后續(xù)兩個任務(wù)原計劃于2026年發(fā)射，2031年返回地球。但那時他們并沒有太多關(guān)注中國的進(jìn)展。他們可能并不清楚，2031年就是中國的目標(biāo)。

很不幸，問題慢慢浮現(xiàn)了。2022年，NASA決定把后續(xù)發(fā)射推遲兩年，單著陸器改為雙著陸器，樣本返回時間推遲到2033年。2023年，獨(dú)立審查委員會發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目的資金需求可能高達(dá)110億美元，樣本返回時間可能晚于2040年。2024年，NASA局長納爾遜宣布降本、降風(fēng)險計劃并邀請商業(yè)公司參與。最終成本目標(biāo)調(diào)整為58-77億美元，計劃2030、2031年發(fā)射兩個后續(xù)任務(wù)，著陸器恢復(fù)單個，樣本返回時間提前至2035-2039年。

好像沒啥改進(jìn)，是不是？

NASA也清楚這點(diǎn)。所以，2025年1月，NASA再次提出簡化方案：一是使用類似“好奇號”的“天空起重機(jī)”著陸方式，二是借助商業(yè)重型著陸器。兩種方案均將采用放射性同位素核電池替代太陽能，最終選擇預(yù)計2026年中確定。

樣本什么時候返回地球？抱歉，現(xiàn)在已經(jīng)不知道了。

說了那么多，無非是想說明，火星取樣返回是一個極為艱巨的任務(wù)。說它是皇冠上的明珠，一點(diǎn)不為過。經(jīng)過美國無數(shù)仁人志士、科技精英半個多世紀(jì)的不懈努力，成功已經(jīng)慢慢接近了。但由于NASA、ESA的拉跨和西方整體實(shí)力下降，卻很可能功虧一簣。

如今，眼看這顆明珠就要落到中國手里。美國將可能首次在它最強(qiáng)的強(qiáng)項(xiàng)——深空探索上落后，怎能不焦慮？

不過，美國今天仍是世界最強(qiáng)的國家，其創(chuàng)新能力、技術(shù)儲備和人才優(yōu)勢都無可匹敵，絕對不能低估。在來自中國的巨大壓力下，仍然可能激發(fā)出巨大能量。這樣的例子我們已經(jīng)多次看到，例如二戰(zhàn)時美國工業(yè)能力的爆發(fā)，例如在冷戰(zhàn)時期贏得太空競賽。

但有一點(diǎn)是肯定的，追上中國不能再指望NASA了?；鹦侨臃祷厝蝿?wù)這二十年，起了個大早，趕了個晚集，吞金無數(shù)，最后熬成一個爛攤子，甚至可能胎死腹中。這里不僅有技術(shù)路線錯誤、新技術(shù)驗(yàn)證不充分等原因，更有官僚主義、政治正確和利益集團(tuán)博弈等一系列因素在起作用。

特朗普和馬斯克的新政、新上任年輕的NASA局長能拯救NASA嗎？很難！君不見前不久傳聞NASA的科學(xué)任務(wù)預(yù)算要被砍掉一半嗎？這可是NASA最值得驕傲的部門，沒有之一。從飛往太陽系幾乎所有重要天體的探測器，到哈勃及韋布望遠(yuǎn)鏡，無一不是巨大成功，舉世皆知，可謂成績輝煌。如果預(yù)算被砍，不僅像土衛(wèi)六蜻蜓直升機(jī)這種萬人期待的科幻項(xiàng)目前途未卜，甚至還會影響執(zhí)行中的火星取樣返回任務(wù)。

美國追上中國的唯一希望在商業(yè)航天。馬斯克的星艦火星計劃最有可能擔(dān)當(dāng)這個重任。明眼人一望便知，NASA最新簡化方案的第二選項(xiàng)基本上就是欽定SpaceX。然而，星艦第八飛失敗，迄今連一次完整的軌道飛行也還沒完成，不僅離火星取樣十分遙遠(yuǎn)，連計劃中的月球登陸也是未知數(shù)?；鹦侨臃祷?，必須突破在軌推進(jìn)劑補(bǔ)給、火星大氣再入、火星軟著陸、取樣收集、火星起飛等一系列技術(shù)難題，以星艦的尺度，無一不是史無前例的巨大挑戰(zhàn)。要在2031年前完成使命，實(shí)話實(shí)說，概率很低。

星艦在火星著陸的渲染圖 Kendall Dirks

奇跡會發(fā)生嗎？也許。讓我們祝福吧。那樣的話，火星競賽將變得更精彩。SpaceX是值得我們學(xué)習(xí)和尊重的對手，有競爭才會有進(jìn)步。

除了SpaceX，美國還有人也希望迎接這個挑戰(zhàn)。這就是Rocket Lab（火箭實(shí)驗(yàn)室），一家被馬斯克的光芒長期掩蓋的商業(yè)航天公司。它的電子火箭在市場上取得了一席之地。3月11日，就是中國宣布火星取樣返回國際合作的同一天，它的CEO宣布了他的火星取樣返回計劃。這個計劃除了讓毅力號給它送來樣本，其他很像中國天問三號的翻版。但我只能說，這最多只是備案，機(jī)會不多。

火箭實(shí)驗(yàn)室的MAV（火星上升器）從火星起飛 Rocket Lab

天問三號仍有最大的機(jī)會。中國為什么能后來居上？這可能和多年來形成的中國航天的基因有關(guān)。規(guī)劃長遠(yuǎn)，預(yù)研扎實(shí)，再加技術(shù)創(chuàng)新，做到了穩(wěn)妥保守中有創(chuàng)新，跨越式發(fā)展但不激進(jìn)。這在天問三號上表現(xiàn)得尤為典型。它采用兩次發(fā)射、取樣即返回、火星軌道交會對接的技術(shù)路線，最大程度繼承了天問一號和嫦娥五號的成熟技術(shù)，再加上很多局部創(chuàng)新，例如材料、防熱結(jié)構(gòu)、取樣機(jī)器人、人工智能的運(yùn)用等等，提高了天問三號的成功率。

天問三號如果成功，將是中國第一次在深空探索領(lǐng)域領(lǐng)先世界。這將是一個里程碑式的事件。對美國來說，是又一次“斯普特尼克”事件。它對世界產(chǎn)生的影響，將遠(yuǎn)超航天的范疇。它可能產(chǎn)生的連鎖結(jié)果，也無法預(yù)期。但有一點(diǎn)可以肯定，這只是百年未見之大變局的一個片段。

對從小看美國太空大片長大的人們來說，這世界變得有點(diǎn)陌生了。因?yàn)?，一個新時代即將到來！

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