科学家计划从火星上采集土壤样品返回地球

火星物质样本返回计划将带回火星土壤和岩石

火星将是美国宇航局未来重点探索的行星

科学家计划派遣行星登陆机器人探测器从火星上采集土壤样品返回地球，整个任务花费可能达到50亿至100亿美元，这趟火星往返旅程可能不会采用核动力装置作为主要能源，而电力推进系统更加便宜。火星物质样本返回计划（MSR）如果采用电力推进，则需要强大高效的太阳能电池板，目前航天领域的太阳能电池板技术已经较为成熟，这种技术可以减轻传统化学能火箭的搭载负荷。

在行星际飞行过程中，前往火星的往返任务在解决动力来源后就变得触手可及，未来十年或者二十年内，科学家们就可以将火星岩石和土壤样本带回地球。根据的德国航空航天中心的物理学家沃尔夫冈·泽博尔特（Wolfgang Seboldt）介绍：“通过利用可靠的技术，火星物质样本返回计划在2020年以后将会变得更加成熟。”有研究表面，太阳能电池板功能的电力推进系统还可能加快火星间的往返进程，并最终应用于载人火星探索任务，赢得空间飞行过程中的时间，就意味着我们可以减少宇航员在高能宇宙射线环境中暴露的时间，降低任务的危险程度。

大多数空间飞行任务中使用了较多的化学推进系统，只要能保证化学能燃料的供应，就可以持续飞行较长的时间。比如阿波罗计划中使用的土星五号重型运载火箭以及阿波罗宇宙飞船，还有航天飞机等这些轨道飞行器摆脱地球引力时通过燃烧推进剂获得巨大的推力，在将来一段时间的火星任务中，我们还将使用类似的化学能火箭将宇宙飞船送入轨道。

一旦宇宙飞船等载荷进入轨道之后，我们就可以将主能源模式切换到电力推进系统上，在刚开始时离子推进器可能工作较为缓慢，但随着时间的推移，宇宙飞船将从高效太阳能电池板中获得几乎无限的电力供应，并使飞船以高速飞行。这样的动力方式可以使火星轨道飞行器进行往返火星之旅变得更便宜，至少在速度上也不会逊于传统的化学能火箭。

计划之中的火星往返之旅常规任务方案为从地球上发射两艘宇宙飞船，一艘是用于火星登陆的飞船，另一艘则是工作在火星轨道上。火星登陆宇宙飞船负责登陆火星，并收集火星土壤和岩石样本，然后通过传统的化学能推进器将自身发射进入火星轨道，完成火星往返之旅。

火星物质样本返回计划（MSR）是一个混合版的常规行星际探索任务，其中涉及到电力推进系统和先进的着陆方案，途径一条优化设计的火星与地球空间飞行轨道抵达这颗红色的星球。由于采用的推进剂较少，负载较轻，因此可以使用"联盟-FG"（Soyuz-Fregat）运载火箭等火箭进行常规发射，并非需要使用阿丽亚娜5 ECA型重型运载火箭，在火星与地球之间的空间飞行途中，方案中涉及到使用20千瓦级的太阳能电池板阵列，能量使用要求类似于位于地球同步轨道上的通信卫星电力供应等级。

但是太阳能电力系统存在一定的风险，物理学家沃尔夫冈·泽博尔特和他的同事们指出行星际空间飞行途中太阳能电池板存在一定的风险未知，该问题的详细说明在著名的英国《宇航学报》（Acta Astronautica）期刊上。火星物质样本返回任务的成本取决于电力推进系统，其中也与其他空间探测器的成熟设计有关，重复性使用相关部件可以降低任务研发成本。当然，也有一些空间机构的行星探索任务工程师们关注电力推进系统的可靠性和使用寿命，比如太阳能电池板在行星际空间飞行中是否可能受到宇宙射线的损害，对这项问题的研究有助于帮助处于地球轨道上的卫星和国际空间站降低宇宙射线对硬件系统的威胁。

近年来，太阳能电力推进系统变得越来越受关注，美国航空巨头波音公司计划在更多地球同步轨道上的卫星安装这套系统，以便在地球同步轨道上进行必要的轨道提升和轨道维护，接着将这套动力系统推广到所有宇宙飞船和卫星。欧洲航天局计划打造可提供30千瓦的电力推进系统，与此同时，轨道卫星和国际空间站也参与这项测试计划。物理学家沃尔夫冈·泽博尔特认为国际空间站可能是个很好的测试平台，可以在真实空间环境中试验更新推力更强的推进器系统。此外，我们还将研制面积较大、重量更轻，对太阳光收集能力更强的太阳能电池板阵列。

最近在莫斯科举行的第四届俄罗斯-德国电力推进器及2012年应用情况的会议上，科学家们展示了在火星物质样本返回任务中使用电力推进系统是非常有前景的，如果更乐观的估计，将新型太阳能电力系统对火星生命的探索任务将起来巨大的帮助，推动火星载人空间任务或者更遥远的行星际探索任务的执行。

腾讯科学讯（Everett/编译）