4月24日，2024年中国航天大会期间，一名志愿者在武汉国际博览中心参观火星基地模拟沙盘。 （央视）
天问三号任务计划在火星克律塞平原和乌托邦平原实施采样返回。（电脑合成图）
2021年5月15日，中国的“天问一号”着陆火星乌托邦平原，图为“祝融号”火星车与着陆器合影。 （来源：CNSA）
9月5日在安徽黄山举行的第二届深空探测（天都）国际会议上，天问三号任务总设计师刘继忠透露，我国天问三号任务计划2028年前后实施两次发射任务，实现火星样品返回地球。这意味着天问三号任务的实施时间相比之前的计划将推前两年。
此外，未来火星探索将关注哪些新目标？为此，各国航天人需要研发和应用怎样的新技术，以便克服新挑战呢？
1 探索火星步履不停
与水星、金星比起来，火星最接近太阳系“宜居带”，是除地球之外，被认为最有可能孕育和存在生命的另一颗行星。自古以来，火星就是一颗承载了人类最多梦想的星球。
人类的火星探测计划肇始于1960年，在经历了20世纪60至70年代的狂热和80至90年代的沉寂后，在21世纪初再度迎来了一波探测高潮。而从各国和机构的最新火星探测计划来看，未来国际航天界将在火星生命探测、火星采样返回、火星卫星探测、火星演化历史和载人登陆火星等5个方面开展重点攻关。
争取发现火星生命也是火星探测的最初驱动力，促使苏联和美国在航天时代伊始就投入大量资源到火星探测任务中。如今，国外的“火星快车”“凤凰号”“勇气号”“机遇号”“好奇号”等多次在火星表面发现了水、甲烷、地表含碳有机分子等生命支持要素。蓝莓状石头和鹅卵石、古河流三角洲遗迹、火星南极地下液体沉积物（近似地下湖泊）等相继被发现，印证了火星曾存在大量液态水的痕迹。甚至不时有研究者表示，在地球收集到的火星陨石上发现过疑似古老生命遗迹。
在历史上，火星探测经历了飞掠、环绕、着陆、巡视等任务演化过程，尤其是着陆和巡视任务直达火星表面，极大丰富了人类对火星的认知。美国“好奇号”“毅力号”火星车甚至携带了激光器和远距离化学成分分析仪器，可深入研究科学家感兴趣的岩石样本。然而，类似先进探测方式固然能够显著提升对火星样本的研究能力，但激光冲击和蒸发等必然对样本造成破坏，可能会让研究“失准”。此外，火星车搭载的研究仪器高度集成化、小型化，很难达到地球实验室内级别的探测精度。在实际操作中，火星车还需要投入大量资源用于确保自身运动和通信等，对某个实验的资源分配极其有限，严重限制了科研成效。
“未来，人类肯定有望走向另一个星球。火星作为离我们最近的近邻，又是地球的姊妹星，必然成为首选目标。从科学上来说，我们首先需要经过一个漫长的改造过程，使火星的环境地球化。”中国航天科技集团八院509所总体室主任陆希说跌宕起伏的火星生命探测历程，已呈现出令人鼓舞的前景。
2 研究火星成果频出
迄今为止全世界开展了40多次火星探测任务，实现了对火星的飞掠、环绕、着陆和巡视探测。
目前，来自中国、美国、欧空局、阿联酋等各方的9个火星探测任务正在进行中。放眼未来，更先进的探测器、更精密的仪器、更强大的通信能力都将显著提升采集火星数据的质量和数量，从细节中寻找更多蛛丝马迹。比如，欧空局ExoMars系列将搭载更先进的微量气体和有机物探测仪、地下雷达等设备，立体化揭示火星的秘密，进而对照深入研究条件类似的地球。
近日，科学家根据“好奇号”在探测盖尔陨石坑时获得的数据，发现陨石坑中纵横交错的裂缝中，可能充满了富含水的蛋白石，这可能是人类未来探索火星的重要资源。研究还发现，巨大的火星地下裂缝网络提供了丰富的水和辐射屏蔽条件，可能比火星地表更适合居住。
2021年5月15日，中国的“天问一号”着陆火星乌托邦平原南部预选着陆区，首次通过一次任务实现“绕、着、巡”三大任务目标。我国首次火星探测任务着陆火星成功，标志着我国迈出了星际探测征程的重要一步，实现了从地月系到行星际的跨越，在火星上首次留下中国人的印迹。这是中国首次实现地外行星着陆，成为全球第二个成功着陆火星的国家。
2022年9月26日，我国科研人员根据“祝融号”火星车次表层探测雷达的回传数据，发现位于火星车着陆区数米厚的风化层下，存在着两组由粗变细的沉积地层，可能反映了约35亿年至32亿年以来火星表面多次被水活动改造的过程。
3 采样返回意义重大
虽然在过去几十年的探测中，科学家对火星的宜居性环境特征及演化有了初步了解，但仍未发现明显的火星生命活动痕迹。“样品研究将从另外一个维度打开火星宜居性演化的奥秘。”中国科学院地质与地球物理研究所研究员魏勇坚信，未来10年，火星的研究重点将是小范围宜居环境区域内的采样返回。
在嫦娥六号实现人类首次月球背面取样壮举后，中国勇于挑战深空探测更艰巨的任务：从更遥远的火星采回样品，探寻红色星球上是否存在生命这一重大科学问题。
2023年9月，中国科学院院士、中国探月工程首任首席科学家欧阳自远在一场以“向太阳系的星辰大海挺进”为主题的演讲中指出，未来月球探测是起点，火星探测是重点，小行星探测是热点，行星际穿越探测是亮点。中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁在4月24日举行的2024年中国航天大会主论坛上透露：“纵观世界各国目前的进展，我国有望成为第一个火星采样返回的国家，目前已开始筹建世界首个火星样品实验室。”
2024年全国两会期间，我国深空探测航天器设计领域专家孙泽洲也介绍了我国火星采样返回的相关信息，“目前为止，还没有哪个国家尝试实施火星取样返回这个任务”，同时，他还透露了火星采样返回的两大难点：一是在火星表面获取样品，然后从火面起飞上升；二是在轨道上完成这两个目标之间的交会和样品转移。不过，因为有月球探测和火星探测的基础，“火星采样返回整体工作进展比较顺利”，孙泽洲说。
4中国期待跨越发展
9月5日，安徽省黄山市举办的第二届深空探测（天都）国际会议中，主题报告《天问三号火星取样返回任务》的现场座无虚席，天问三号任务总设计师刘继忠同百余中外同行一起探讨任务最新进展。“这是极具技术挑战性、探索性的空间探索任务，人类至今尚未实现过。”刘继忠在会后接受记者采访时说。
地月距离约38万公里，而地球与火星的平均距离约4亿公里。“火星比月球距离远得多，环境也更加复杂。”刘继忠介绍，受限于目前火箭的运载能力，原先通过一次发射实现月球取样，但火星取样任务则需要两次发射。中国计划2028年在海南文昌用40天左右的时间，使用两枚长征五号运载火箭，分两次发射天问三号的轨道器、返回器组合体和着陆器、上升器组合体。
然而，从火星取样返回的难点不仅是发射环节，整个任务过程非常复杂，包括13个阶段，采取就位和遥感等探测方式。“在技术上要突破火星表面采样、起飞上升、环绕火星交汇、行星保护等关键技术，为未来火星持续探测和应用打下前期的技术基础。”刘继忠说。
生命痕迹探寻被列为天问三号任务的第一科学目标。刘继忠说，火星上是否存在或曾经存在过生命是国际重大科学热点问题。其他的科学主题还包括火星气候及其演变、火星地质及内部过程。
天问三号一次任务所采集的样品有限，因此对于在哪里采样整个研发团队开展了大量研究，尽量寻找有可能富集生命痕迹信息的候选点。经过充分论证，在克律塞平原和乌托邦平原初步选定了候选着陆点。
5 深空探测步步为营
对于火星取样，天问三号团队设计了多点表面取样、定点深度钻取取样和飞行器采样三种方式，尽可能达到采样的多样性。“比如火星表面取样，我们将通过机械手实现更大的采样范围；而钻取将采取不同深度不同位置的样品；我们还专门研制了一个飞行器，可以在更远的范围采集样品。”刘继忠说。
外空探索与发现是全人类共同的事业和科学研究，中国火星取样返回任务在火星环境保护、国际合作等方面也作出了自己的承诺。刘继忠说，天问三号任务将切实履行国际公约，开展前向和返向行星防护，确保不污染火星、不污染地球以及样品的原始性。
在任务设计中，污染的预防监测被视为非常重要的一环，避免着陆器发动机的羽流、取样以及装样设备等有可能造成的污染。科研人员还研究了在高温、辐射等条件下，对样品中潜在生物痕迹的影响。“我们还将建设火星样品实验室，也叫行星保护实验室，对样品更好地开展研究。”刘继忠说。
此外，天问三号任务将开展国际合作，搭载中外科学家共同研制的科学载荷，中国还将与全世界科学家联合开展火星样品和数据合作共享研究。在一个更为长远的设想中，中国将联合各国或科研机构开展火星科研站的使命与任务定义、需求分析、概念研究、实施方案设计，以及关键技术攻关等，共建火星家园。
从“嫦娥探月”到“天问探火”，中国在深空领域的探索是一场接力赛。“中国深空探测从月球到火星一步一个台阶。未来人类登上火星将是必然趋势。”刘继忠说。
综合新华社、央视报道
