中国火星探测：2028出发，2031返回
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2025中国航天大会上，国家航天局探月与航天工程中心天问三号任务总设计师刘继忠进行了关于《火星取样返回的挑战与突破》的分享，介绍了我国火星探测任务的概况、目标、阶段等内容。未来，天问三号任务计划2028年左右启程，2031年完成火星取样任务。
自1960年以来，人类探测火星经历了爆发期（1960-1976）、低潮期（1976-1991）、新阶段（1992至今）三个时期。截至当前，针对火星探测共有7个国家/组织参与，累计进行了47次火星探测任务。
中国火星取样返回的进展上，已形成科学、技术、工程三方面的天问三号任务目标体系。科学目标。探寻火星潜在的生命痕迹，探研地质和内部结构特征，探查大气循环与逃逸过程。技术目标。突破火星起飞上升、环火交会、行星保护等关键技术，形成火星取样返回能力。工程目标。2031年前后实现火星样品返回地球。
围绕三大目标体系，设定了17类任务场景、123类能力需求。在系统组成上，工程总体包括探测器系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、着陆场系统、地面应用系统、行星保护系统，共七大类。
在具体步骤上，我国火星取样返回分为地面研制、飞行、地面研究三个阶段。计划用两次长征五号（CZ-5）运载火箭发射，将“轨返组合体”和“上着服组合体”发送至火星轨道；通过二者协作，完成火星取样任务返回地球。“天问三号”探测器共包括着陆器、上升器、服务器组合体和轨道器、返回器组合体，共配置6台科学载荷。轨道器环火轨道为约350公里圆轨道，姿态对日定向，设计寿命不少于5年，配置中红外超精细成像光谱仪和火星全球多色相机。服务器环火轨道为近火点约400公里环火大椭圆轨道，留轨探测约2个火星年，设计寿命不少于5年，配置沉降ENA极光探测仪和高精度矢量磁强计。着陆器配置超宽带探测雷达和拉曼-荧光光谱仪。
具体流程上，将会包括发射、地火转移、火星捕获、大气制动、火星停泊、离轨着陆、火面工作、火面上升、交会捕捉、环火等待、火地转移、再入回收、持续探测。
尽管已有火星取样的规划方案，但在具体实施上，还面临多项约束和挑战。科学挑战上，主要包括生命痕迹难识别、生命痕迹高富集性选址难。工程挑战上，主要难点在任务规模与运输能力难匹配、行星保护实现难。
而火星取样返回任务的技术挑战中，火面采样、火面起飞上升、环火交会捕捉是三个核心关键环节。
火面采样的挑战主要包括：样品特性未知。火壤物理力学特性未知，采样难度大。风沙环境复杂。沙尘暴时空变化复杂，影响能源、采样装饰等。自主性要求高。实时性和精准性难确保。样品原始性保证难。羽流污染范围大，样品原始性难确保。
不过，在火面采样的突破上，我国特色符合采样体系具有多点表面采样、深度取样、飞行区辅助采用三个特点。火面起飞上升的挑战主要包括：火星引力大。火星重力约为月球2倍，克服重力入轨能力需求高。火星大气稀薄。气压仅为地球1%，上升器气动设计要求高。火面温度交变大。热控难度大，低温发动机性能难保持。资源约束大。重量、空间资源小，上升器规模有限，轻量化集成要求高。
环火交会捕捉的挑战在于：资源受限。上升期难以匹配传统交会对接机构，入轨散布大，对接难度大。交会捕捉全自主。地火距离远（最近距离5000万公里，最远距离4亿公里），延时测控大，捕获过程自主性要求高目标识别难。样品容器反射面小、姿态不确定性大、识别难、存在双目标探测跟踪问题。
此外，在任务规模与发射能力关系上，如果以长征五号火箭探测月球对比，探测火星还存在捕获难度更大，双向延时更长等难点。
在技术突破上，需要使用2发长征五号火箭，在同一时间窗口间隔24天发射，实时零窗口技术，并延长火箭滑行时间。
刘继忠总工程师还介绍到，未来我国火星探测包括绕、着、巡、回等几个步骤，并有计划开展火面长期运行。
未来火星探测规划上，要点包括：地火大质量往返运输。往返投送运输、火面推进剂制备、在轨加注与管理……火面运输与操作。火面远距离往返航行、星表多智能体协同、生态圈构造……科学应用于技术验证。大范围地质勘探、水探测及提取、火面天文观测……火面长期运行支持。星表堆电源技术、原位资源开发利用、航天员保障技术……
在火星探测上，我国还将开展一系列多层次多类型国际合作。4月24日，中国国家航天局面向国际社会发布的《天问三号火星取样返回任务国际合作机遇公告》显示，将共开放天问三号探测器20千克质量资源，包括不超过15千克的轨道器资源和不超过5千克的服务器资源。
天问三号尚需2发长征五号火箭，未来，后续火星探测、月球探测等任务可能由长征九号担当主角。2025中国航天大会上，中国运载火箭技术研究院研究员姜杰院士的《重型重复使用
航天运输系统发展路径》报告中，展示了我国重型运载火箭长征九号（CZ-9）的最新规划。
新一代重型运载火箭长征九号，直径10米级，分为三级两级串联构型，分别采用液氧甲烷和液氧液氢动力。CZ-9起飞质量约4400吨级，推力约6000吨；LTO运力50吨级（月球探测），MEO运力30吨级（火星探测），LEO运力100吨级（近地任务）。
CZ-9将用于执行近地轨道、地月/地火转移轨道、地球同步转移轨道等各类发射任务，将具备大规模航班化空间运输能力。据央视新闻报道，我国将加快推动重型运载火箭工程实施，长征九号一级重复使用构型计划2030年首飞，两级完全重复使用构型计划2033年至2035年首飞。
