2025中國航天大會上，國家航天局探月與航天工程中心天問三號任務總設計師劉繼忠進行了關于《火星取樣返回的挑戰與突破》的分享，介紹了我國火星探測任務的概況、目標、階段等內容。

未來，天問三號任務計劃2028年左右啟程，2031年完成火星取樣任務。

自1960年以來，人類探測火星經歷了爆發期（1960-1976）、低潮期（1976-1991）、新階段（1992至今）三個時期。截至當前，針對火星探測共有7個國家/組織參與，累計進行了47次火星探測任務。

01、火星取樣：三大目標，三個階段

中國火星取樣返回的進展上，已形成科學、技術、工程三方面的天問三號任務目標體系。

• 科學目標。探尋火星潛在的生命痕跡，探研地質和內部結構特征，探查大氣循環與逃逸過程。
• 技術目標。突破火星起飛上升、環火交會、行星保護等關鍵技術，形成火星取樣返回能力。
• 工程目標。2031年前后實現火星樣品返回地球。

圍繞三大目標體系，設定了17類任務場景、123類能力需求。

在系統組成上，工程總體包括探測器系統、運載火箭系統、發射場系統、測控系統、著陸場系統、地面應用系統、行星保護系統，共七大類。

在具體步驟上，我國火星取樣返回分為地面研制、飛行、地面研究三個階段。

計劃用兩次長征五號（CZ-5）運載火箭發射，將“軌返組合體”和“上著服組合體”發送至火星軌道；通過二者協作，完成火星取樣任務返回地球。

“天問三號”探測器共包括著陸器、上升器、服務器組合體和軌道器、返回器組合體，共配置6臺科學載荷。

• 軌道器環火軌道為約350公里圓軌道，姿態對日定向，設計壽命不少于5年，配置中紅外超精細成像光譜儀和火星全球多色相機。
• 服務器環火軌道為近火點約400公里環火大橢圓軌道，留軌探測約2個火星年，設計壽命不少于5年，配置沉降ENA極光探測儀和高精度矢量磁強計。
• 著陸器配置超寬帶探測雷達和拉曼-熒光光譜儀。

具體流程上，將會包括發射、地火轉移、火星捕獲、大氣制動、火星停泊、離軌著陸、火面工作、火面上升、交會捕捉、環火等待、火地轉移、再入回收、持續探測。

02、火星探測的主要挑戰

盡管已有火星取樣的規劃方案，但在具體實施上，還面臨多項約束和挑戰。

科學挑戰上，主要包括生命痕跡難識別、生命痕跡高富集性選址難。

工程挑戰上，主要難點在任務規模與運輸能力難匹配、行星保護實現難。

而火星取樣返回任務的技術挑戰中，火面采樣、火面起飛上升、環火交會捕捉是三個核心關鍵環節。

火面采樣的挑戰主要包括：

• 樣品特性未知。火壤物理力學特性未知，采樣難度大。
• 風沙環境復雜。沙塵暴時空變化復雜，影響能源、采樣裝飾等。
• 自主性要求高。實時性和精準性難確保。
• 樣品原始性保證難。羽流污染范圍大，樣品原始性難確保。

不過，在火面采樣的突破上，我國特色復合采樣體系具有多點表面采樣、深度取樣、飛行區輔助采樣三個特點。

火面起飛上升的挑戰主要包括：

• 火星引力大。火星重力約為月球2倍，克服重力入軌能力需求高。
• 火星大氣稀薄。氣壓僅為地球1%，上升器氣動設計要求高。
• 火面溫度交變大。熱控難度大，低溫發動機性能難保持。
• 資源約束大。重量、空間資源小，上升器規模有限，輕量化集成要求高。

環火交會捕捉的挑戰在于：

• 資源受限。上升期難以匹配傳統交會對接機構，入軌散布大，對接難度大。
• 交會捕捉全自主。地火距離遠（最近距離5000萬公里，最遠距離4億公里），延時測控大，捕獲過程自主性要求高
• 目標識別難。樣品容器反射面小、姿態不確定性大、識別難、存在雙目標探測跟蹤問題。

此外，在任務規模與發射能力關系上，如果以長征五號火箭探測月球對比，探測火星還存在捕獲難度更大，雙向延時更長等難點。

在技術突破上，需要使用2發長征五號火箭，在同一時間窗口間隔24天發射，實時零窗口技術，并延長火箭滑行時間。

03、未來火星探測：繞、著、巡、回、？

劉繼忠總工程師還介紹到，未來我國火星探測包括繞、著、巡、回等幾個步驟，并有計劃開展火面長期運行。

未來火星探測規劃上，要點包括：

• 地火大質量往返運輸。往返投送運輸、火面推進劑制備、在軌加注與管理……
• 火面運輸與操作。火面遠距離往返航行、星表多智能體協同、生態圈構造……
• 科學應用與技術驗證。大范圍地質勘探、水探測及提取、火面天文觀測……
• 火面長期運行支持。星表堆電源技術、原位資源開發利用、航天員保障技術……

在火星探測上，我國還將開展一系列多層次多類型國際合作。

4月24日，中國國家航天局面向國際社會發布的《天問三號火星取樣返回任務國際合作機遇公告》顯示，將共開放天問三號探測器20千克質量資源，包括不超過15千克的軌道器資源和不超過5千克的服務器資源。

天問三號尚需2發長征五號火箭，未來，后續火星探測、月球探測等任務可能由長征九號擔當主角。

2025中國航天大會上，中國運載火箭技術研究院研究員姜杰院士的《重型重復使用航天運輸系統發展路徑》報告中，展示了我國重型運載火箭長征九號（CZ-9）的最新規劃。

新一代重型運載火箭長征九號，直徑10米級，分為三級兩級串聯構型，分別采用液氧甲烷和液氧液氫動力。

CZ-9起飛質量約4400噸級，推力約6000噸；LTO運力50噸級（月球探測），MEO運力30噸級（火星探測），LEO運力100噸級（近地任務）。

CZ-9將用于執行近地軌道、地月/地火轉移軌道、地球同步轉移軌道等各類發射任務，將具備大規模航班化空間運輸能力。

據央視新聞報道，我國將加快推動重型運載火箭工程實施，長征九號一級重復使用構型計劃2030年首飛，兩級完全重復使用構型計劃2033年至2035年首飛。

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參考及引用：
《火星取樣返回的挑戰與突破》國家航天局探月與航天工程中心天問三號任務總設計師 劉繼忠；
《重型重復使用航天運輸系統發展路徑》中國運載火箭技術研究院研究員 姜杰；
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1830251290210640446&wfr=spider&for=pc；
2025中國航天大會、中國航天科技集團、央視新聞、環球網及網絡公開信息；

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