航天领域最难项目,火星采样返回,中国有望领先美欧计划

站长资讯 (19) 2022-07-07 10:22:40

如果航天项目有学历划分,那么在近地轨道转悠应该算初中,同步轨道算高中,空间站算本科,月球探测是研究生,火星探测一定是博士。

那么,从火星上挖土回来一定是博士后。

美国探测进度仅差半步,大概需要8到10年

首先大家肯定知道,探测一个行星,基本上分为四个步骤,环绕、着陆、巡视和采样返回。美国是全世界最早开始对火星进行研究的国家,早在70年就实现了对火星的环绕。

过去20多年,人类对火星的探测已经有了很多成果。

火星远古时期存在液态水,火星上存在大量的网状河道,三角洲和冲积扇。火星表面也广泛分布多种次生矿物,例如硫酸盐、含水二氧化硅、氯氧化物等等。

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火星上存在甲烷和其他有机物,甲烷的存在证明火星早期极有可能存在生命活动,根据多年的观察,火星表层或次表层局部区域存在甲烷产生或释放的源头。

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甚至火星的现代气候变化和辐射环境以及大气成分,人类都已经了如指掌。

但是要解开终极谜题,火星上是否出现过生命,就必须利用各种复杂的化学方法在火星的土壤中寻找生命的痕迹,这些化学方法需要的实验仪器是不可能送到火星上去的。当然,人类的移居火星计划,暂时也只能寄希望于人类对火星样本的研究。

可以说,只要从火星上带回来一次土壤或者岩石样本,对往后几代人都有重大科研价值。

航天领域最难项目,火星采样返回,中国有望领先美欧计划_https://www.jinrisc.com_站长资讯_第3张毅力号Atsah号火星岩石样本

这是毅力号在2022年3月13日在火星表面采集的岩石样本,长度6厘米,毅力号从去年6月份开始就已经开始了采样工作,目前已经采集了10管,2管失败,预计一共会采集43管样品,包含大气、土壤和岩石。但是,毅力号火星车是没有返回能力的,想要把这些样本带回地球,就得等另一次发射。

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要说中国和美国的采样返回进度比较,确实美国快了半步。火星采样返回作为人类当今难度最高的顶级项目。

美国制定了一个堪比阿尔忒弥斯的庞大计划,MSR(Mars Sample Return)。

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NASA认为,MSR堪比当年的阿波罗计划,是推动美国科学发展的又一个里程碑项目,预计将要花掉70亿美元,并且由NASA和欧洲空间局(ESA)共同完成。那么具体要怎么做呢?从火星采样返回绝对没有月球返回这么简单,火星比月球大得多,还有大气层,返回器想要重回宇宙空间,就需要付出更大的动能。所以想要一步到位,只用一枚火箭实现采样返回,还是太激进了。

这里我们先说NASA的方案,NASA此前认为两次发射方案足够,一次发射着陆上升组合体,简称着上段,另一次发射轨道返回组合体,简称轨返段。

航天领域最难项目,火星采样返回,中国有望领先美欧计划_https://www.jinrisc.com_站长资讯_第6张NASA早期方案,美国Altas V负责着上段,ESA Ariane负责轨返段

如果说火星样本是飞机航班乘客,那么轨返段就是停泊在远处的客机,着上段就是从登机口接乘客上飞机的摆渡车。着上段只负责突破火星大气层,把样本送到火星的空间轨道,然后轨返段接收到样本后,变轨机动进入火地转移轨道回到地球。

航天领域最难项目,火星采样返回,中国有望领先美欧计划_https://www.jinrisc.com_站长资讯_第7张MSR任务火星样品钛合金容器

我们先来说这个轨返段,轨返段只需要按时出现在火星轨道上,和着上段完成样品交接即可,轨返段晚一点来或者早一点对任务的成功概率都没有太大影响,它只需要负责安全地把样本抓住,送回地球就算完成任务,所以在MSR计划中,这一部分是由欧空局负责。

而任务问题的难点就在这个着上段,到了这个部分,基本上就没有欧洲人什么事情了,大部分的方案论证和研发都是由NASA自己完成。

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着上段可以理解为一枚火箭,这枚火箭需要摆脱火星的引力,突破火星大气层,返回宇宙空间。

当然,在着上组合体上升之前,就会遭遇重重困难,火星可没有地球上这种平整的人造发射场,在着上组合体着陆的时候,速度是6000米每秒左右,一旦在大气层中出现稍微一丁点偏差,就有可能导致整个着上段报废。

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着陆的地点选择也必须非常讲究,柔软的沙地、凸起的岩石和火星上的风暴,都有可能造成着陆角度有偏差,只要着陆角度偏差过大,就会导致发射无法继续进行。

目前,NASA和欧空局把着陆地点选在了一个名为“Jezero Crater”陨石坑附近,目前推测认为,该地区曾经被洪水淹没,这里曾经是一条远古河流的三角洲,该地区经历了多次剧烈的水活动,是60多个候选点中最有可能出现生命的地方,同时这里地表相对坚硬,有大片的平整区域地形,是理想的着陆地点。

航天领域最难项目,火星采样返回,中国有望领先美欧计划_https://www.jinrisc.com_站长资讯_第10张“Jezero Crater”陨石坑,蓝色标记为毅力号当前位置

当然着上段的火箭发射过程也很不容易,平常人类在地球上发射一枚火箭都战战兢兢,在火星上实现全自主发射的风险就呈几何倍数上升。

NASA为此设计了看起来非常奇葩的着上段,让火箭水平起飞,在半空中点火。目前,NASA的着上段仍在验证机阶段,不过就算着上段再难搞,说到底也只是大家在围着忙前忙后也就一颗几公斤重的金属球容器而已,从NASA的进展来看,还没有遇到大问题。

航天领域最难项目,火星采样返回,中国有望领先美欧计划_https://www.jinrisc.com_站长资讯_第11张NASA喷气动力实验室-着上段组合体原型机

地火转移的窗口每两年会出现一次,按照NASA的时间表,欧空局轨返段2026年出发,NASA年着上段2028年出发。

中国计划2028年发射,比MSR晚2年

那么中国的进展又如何呢?中国天问一号成功实现了一次完成“绕落巡”,很不容易。前段时间,天问一号总师公布了火星采样返回方案,也是两次发射,一次着上段,一次轨返段,火星样品在空间轨道上交接,样品由轨返段带回地球。这和NASA的早期方案差不多,唯一的不同在于,中国的着上段组合体还承担了采样任务。

从这次公开的任务计划可看出,欧空局2026年就起飞了,中国又何来的领先呢?

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从目前来看,NASA在火星任务上的技术开发进展都没有大问题,关键就在于这个欧空局,轨道返回器对于欧洲的阿丽亚娜火箭来说还是太重了。欧空局决定用时间换实力,既然我没有办法一口气飞到火星,那我就2026年出发,使用更轻的电推装置慢慢奔向火星。这样倒是可以赶上NASA的着上段发射,但是同样的,轨返段返回的时候,又需要4年,这样算下来,就得2033年才能回到地球。

航天领域最难项目,火星采样返回,中国有望领先美欧计划_https://www.jinrisc.com_站长资讯_第13张欧空局电推进轨返段概念图

而中国的任务计划,虽然分为秋分方案和春分方案两种,但是返回时间都是2031年,所以从目前来看,中国是最有希望成为率先火星采样返回的国家。

而到了这里,欧空局这个老六的事情还没完。前面说到,NASA的早期方案是两次发射,但是最近NASA把计划给改了,一开始NASA认为着上段可以带着一个小火星车,主要用来接毅力号采回来的样本。

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但是后来发现,这个额外的小火星车就算是什么科学载荷都不带,还是重量超标,只能单独发射。如果2030年着陆火星之后了,毅力号歇菜,NASA和欧空局只能干瞪眼,这个代价谁也承受不起,所以为了保险起见,这个负责收集样品的小火星车就必须发射,而且是单独发射。

所以,美欧计划已经变成了三发方案,而且这个小车必须和着上器同窗口发射,尽量减少在火星表面互相等待带来的风险。

最关键的问题还是,这个任务依旧是欧空局负责。

只要欧空局一延误错过发射窗口,NASA就必须再等2年。

所以说,MSR2020的采样返回时间,最早是2033年,一旦欧空局延误,就有可能拖到2035年甚至2037年。

最后总结一下,美国计划如果算上毅力号发射,实现火星采样返回需要进行4次发射,时间跨度从2019年开始直到2033年。

中国方案则是两发火箭解决问题,时间跨度也大概只有4年左右,我们带回来的样本可能没有美国多,也没有美国丰富。但是时间积累起来的风险比较少,也不会有人拖后腿,相关的火箭是成熟的型号,不会出现任务等火箭的情况。

这样看,虽然美国在火星探测上的底蕴和实力比中国强,但是中国实现领先的可能性还是很大的。

THE END
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