天问三号

{{Infobox spaceflight
| name = 天问三号
| names_list = 火星二号（2020年前）
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| manufacturer = 上海航天技术研究院
中国空间技术研究院
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| power_source = 太阳能板
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| launch_date = 轨返组合体：2028年11月（计划）
着上服组合体：2028年12月（计划）
|departure_date = 2030年10月（计划）

火星样本返回任务具备极高的吸引力。巡视探测是目前完成的最为先进的火星探测任务，移动的火星车可以覆盖大面积的探测范围，并使用仪器近距离检测样品。但巡视任务在几个方面仍然不及能将样品带回地球的火星采样返回任务：火星车无法使用与地球上同等先进的仪器；部分样品操作无法自动化完成；带回地球的样品可供日后更先进的分析技术再次检测。

火星样本返回任务也面临诸多困难，被誉为自载人登月的阿波罗计划以来最具勇气和技术挑战性的空间探索任务。它不仅要求完成高难度的火星着陆，还要求完成史无前例的火星起飞。由于从火星直接起飞返回地球难度太大，一种常见的任务流程设计要求将样品从火星上升器转移至另一艘轨道器，但由此涉及的深空探测器交会也是从未有过的航天技术。相较于月球任务，火星遥远的距离增加了探测器飞行时间，还增加了探测器与地球的延迟，使得部分即时动作必须由探测器自主完成。

前车之鉴：NASA-ESA火星樣本取回任務
NASA-ESA火星樣本取回任務是美国宇航局和欧洲空间局联合组织的火星样本返回任务，共涉及3次任务，在第一次任务（火星2020）于2022年成功后，后续任务由于预算超支自2024年以来处于暂停状态。该计划的特色是样品覆盖的区域较大，但每个样品的独立封装管也降低了样品的运载效率，使得工程难度增大。另外，该任务仅收集火星浅层样品，未涉及地表以下的钻取样品。

中国深空探测的发展
中国航天在2000年代起开始涉及深空探测，实力逐渐增强。在2020年和2024年，中国完成了两次月球样品返回任务（嫦娥五号、嫦娥六号），这是近几十年来仅有的大质量天体样品返回任务。火星探测方面，中国于2021年完成天问一号任务，这是人类首次成功的“绕、落、巡”一体任务。

任务筹划
前期研究
2016年1月11日，中国的首个自主火星探测任务正式立项。同年，中国政府发布了《2016中国的航天》白皮书，其中“未来五年的主要任务”中包括了“火星采样返回的方案深化论证和关键技术攻关”。

2018年4月24日，国家航天局探月与航天工程中心副主任裴照宇表示中國計劃在2030年前實施四次重大行星際任務，包括火星绕落巡探测任務（后来的天問一號）、小行星採樣返回和主带卫星绕飞探测任務（天问二号）、火星採樣返回任務和木星系統探测任務（天问四号）。

2018年6月，在联合国外空司的演讲中，火星采样返回任务被暂时命名为“火星二号”，紧接“火星一号”任务。

2019年12月，火星採樣返回任務的架构首次公开。探测器分为轨道器和返回器组合体（“轨返”）与着陆器和上升器组合体（“着上”）两个航天器，于2028年11月分别使用长征五号运载火箭和长征三号乙运载火箭从文昌和西昌发射，各自进行地火转移飞行。轨返于2029年8月完成火星制动捕获，在环火轨道等待。着上于2029年10月（EDL）火星，于2029年10月至2030年7月间在火面完成样本采集、转移及封装。上升器于2030年7月起飞，在环火轨道与轨返完成交会和样本捕获转移。轨返于2030年11月开始火地转移飞行，最终于2031年9月飞掠地球，返回器与轨道器分离，着陆地球。

2020年4月24日，国家航天局在2020年中国航天日启动仪式上宣布了行星探测工程的名称与图形标识，将中国行星探测任务命名为“天问”。同年12月，中国探月工程的嫦娥五号成功携带月壤返回地球，完成了中国首次地外天体采样返回任务。

2021年，中国首次自主火星探测任务天问一号顺利完成火星环绕、着陆与巡视，取得圆满成功。2021年5月15日，在天问一号着陆巡视器成功着陆火星后的现场采访中，中国首次火星探测工程总设计师张荣桥透露了中国火星采样返回任务的名称为“天问三号”，并表示火星采样返回任务的关键性技术在眼下还不成熟，下一步将将耗时约二至三年开展先期关键技术研究。待填补技术空白后，火星采样返回任务才能进入工程研制阶段。

2021年6月，天问三号任务正在按程序履行报批手续。

2022年5月，张荣桥再次确认了天问三号将会是火星采样返回任务。

正式立项
2022年6月，天问一号探测器总设计师孙泽洲透露天问三号的任务架构及时间表，预计发射日期为2028年。具体任务流程主要有下列两套方案（另有着上经0.5圈霍曼转移后在绕火轨道等待着陆窗口的方案）：

2023年和2024年期间，天问三号的预计发射时间继续保持在2028年。

2024年11月，一篇论文讨论了天问三号的51个候选着陆点。

2025年4月24日，在中國航天日活动上，天问三号任务总设计师刘继忠介绍了天问三号的两次发射将间隔24天进行，使用四轴无人机辅助采样等内容。

2025年5月20日，国家航天局征集天问三号任务6项主要载荷研制意向。

2025年6月19日，一篇论文讨论了天问三号任务。在着陆区选择中，文章选出10个最具科学潜力与工程可行性的重点候选着陆区；在采样环节，提出使用表土铲取、深层钻探及无人机辅助三种方式结合，目标样本质量不小于500克；在样品处理方面，任务将构建从采样到实验室分析的全链条保真机制，严格遵守（COSPAR）的行星保护政策，保护火星环境不受地球生物污染（前向保护），防止火星样品遭受地球物质污染影响科学结论，同时保障地球环境安全（反向保护）。

2025年6月29日，一篇论文概述了天问三号任务2024年底提出的新版方案。相比2022年方案，2024年方案主要更改了着上组合体的飞行流程，采用了当时备选的第三个方案，即着上经0.5圈霍曼转移后在绕火轨道等待约1年再着陆的方案，避免了前两个方案中高难度而史无前例的火星大气捕获机动。由于新方案需要长期停泊，动力需求增加，着上组合体的巡航级规模相应变大，升级为可长期环绕火星运行并携带科学载荷的服务器。另外，文中敲定了部分技术路线（如返回器地球再入方案），留下另一部分继续研究（如上升器起飞方案）
。

2026年3月，探测器研制处于初样研制阶段，并计划于本年度转入正样研制。

2026年4月24日，在中國航天日活动上，国家航天局正式发布天问三号任务合作项目遴选结果，共有5个合作项目入选。

科学目标
天问三号任务科学目标包括：探寻火星潜在的生命痕迹；探研火星地质和内部结构特征；探查火星大气循环与逃逸过程；取得类地行星宜居性演化研究的重大发现。

主题一：潜在的火星生命的生命痕迹

** 样品中生命痕迹的特征、保存能力及其意义

主题二：火星气候及其演变

** 火星表面水环境演化
** 火星大气沙尘与水活动
** 太阳风与火星大气逃逸
** 火星水和挥发分的时空演化

主题三：火星地質和内部过程

** 火星地壳的物质组成
** 古老火星幔的物质组成与演化
** 火星撞击通量、地质构造活动时间分布
** 火星样品与核幔壳成因和早期深部演化

|-
| style="background: #F5F5DC" | 高精度矢量磁强计
|
| 获取火星空间磁场探测数据，用于研究太阳风与火星大气逃逸规律
|-
| style="background: #E8FFE8" | 火星地物高光谱成像仪
| 香港大学地球與行星科學系牵头
| 生命痕迹、含水矿物及资源普查等探测
|-
!colspan=3|着陆器载荷
|-
| style="background: #F5F5DC" | 超宽带探测雷达
|
| 获取采样区浅表层分层结构科学数据，为钻取采样提供信息
|-
| style="background: #F5F5DC" | 拉曼—荧光光谱仪
|
| 采样区拉曼和荧光光谱探测，用于遴选返回样品
|-
| style="background: #E8FFE8" | 激光角反射器阵列
| 意大利国家核物理研究所-
| 在火星表面布设精确基准点
|}

着陆点
2024年11月，首次讨论天问三号的候选着陆点。着陆点的限制条件如下：着陆点高度必须位于火星大地水准面（椭球面）以下至少3公里（海拔-3公里），以便有足够的时间供降落伞减速（天问一号着陆点位于海平面以下4100米）；出于轨道和气候方面的考虑，着陆点应位于火星坐标系北纬17°至30°之间；在50×20公里的椭圆着陆区域内，地面坡度不应超过8°，岩石覆盖面积不应超过10%，陨石坑覆盖面积也不应超过10%；此外，椭圆着陆区域应远离山脉，避免被山脉遮挡。根据上述工程限制，确定了51个潜在着陆点：亚马逊平原1个，乌托邦平原12个，克里斯平原或阿拉伯台地38个。

2025年的一篇论文通过火星宜居性关键要素分析，兼顾工程安全性，建议将乌托邦平原作为首选着陆区。2025年的另一篇论文再次选出10个重点区域：阿拉伯台地5个，克里斯平原及周边3个，乌托邦平原及周边2个。

任务流程
天问三号任务流程包括发射、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、交会捕获、环火等待、火地转移、再入回收、持续探测等13个阶段。

发射
天问三号轨返组合体计划于2028年11月使用长征五号运载火箭在中国文昌航天发射场发射，着上服组合体计划于24天后于2028年12月使用长征五号在中国文昌航天发射场发射。
地火转移
轨返组合体由轨道器负责提供动力，着上服组合体由服务器提供动力，各自进行地火转移。
火星捕获
大气制动
火星停泊
离轨着陆
火面工作
火面工作的主要内容是完成采样、封装与转移。采样将包括表面采样、钻取采样和飞行器移动采样3种形式。其中表面采样将使用着陆器机械臂在1.5米半径内进行表面采样，目标质量为400克以上；钻取采样将使用着陆器的，目标深度为2米，目标体积为10.2毫升（19×36毫米），耗时约100分钟；一台四軸無人機将负责移动采样，在至少100米以外多次进行。采样完成后，将进行样品封装，最后转移至上升器二级。

火面上升
上升器的速度增量需求约3.8~4.5km/s。从着陆器平台起飞后，一级工作工作时间约1分钟，关机速度为2.3km/s以上；随后进入约7分钟的滑行段；滑行结束后，一二级分离，二级点火，约3分钟后入轨。之后二级可能需要进行变轨机动。
交会捕获
交会捕获的主要内容是将样本由上升器转移至返回器。上升器与轨返组合体交会后，将不会对接，而是将样品容器分离，由后者进行捕获。样品容器分离后与轨返组合体的初始距离为900公里，其无线电信标可在轨工作26天。样本转移将采用快速交会+再次捕获的主备份方案，整个流程将由探测器全自主完成。

环火等待
火地转移
再入回收
返回器再入轨迹采用弹道式再入，配有降落伞减速，着陆速度约10m/s。

持续探测
注释
参见

火星样本取回任务

** NASA-ESA火星樣本取回任務

中国行星探测工程

** 天问一号

中国樣本取回任務

** 嫦娥五号
** 嫦娥六号

参考文献

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