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调整前的火

调整前的火星采样返回计划示意图。这张概念图展示了未来在火星上,一组探测器通过协同工作,将NASA毅力号漫游车在火星表面收集的样本送回地球。

Credit:NASA

经过调整后的火星采样返回计划示意图。原图中的捡取样本火星漫游车及其2号着陆器(原图中部)不再出现,毅力号将把样品管送到着陆器附近,着陆器上的机械臂再把样品管转移到火星上升飞行器。小型直升机将作为备用转移手段。

Credit:NASA

火星样本取回计划(Mars sample-return mission, MSR)在这周的讨论之后做了调整。捡取样本火星漫游车及其着陆器将从这个计划里移除,并用以机智号 Ingenuity 为原型的直升机取而代之。

ESA的地球返回轨道器和样本返回着陆器预计于2027年秋季发射,2028年夏季着陆火星,毅力号采集到的样本预计于2033年返回地球。

将火星样本带回到地球允许世界各地的科学家能够在地球上使用更复杂的仪器来深度分析样本。通常这些仪器太大而且太复杂,而火星车上的仪器不可能集成这些仪器。这是科学界所梦寐以求的,可以使用最新开发的测试方法和模型对样本进行反复研究,就像对从月球返回的阿波罗样本几十年来所做的那样。

原先的样本返回计划包括四步:

第一步:样本收集任务:由毅力号火星漫游车完成。这一步正在执行中。目前毅力号携带的43个样品管中,已经封装了10个土壤样品、1个大气样品和1个对照管。

第二步:样本取回任务:捡取样本火星漫游车通过样本取回着陆器2(Sample Retrieval Lander 2, SRL2)在火星表面着陆,然后拾取毅力号散落在火星表面的样品管送到火星上升飞行器附近。

第三步:样本发射任务:火星上升飞行器(Mars Ascent Vehicle, MAV)和样本取回着陆器1(Sample Retrieval Lander 1, SRL1)在火星表面着陆。机械臂把样品管转移到上升飞行器上的样品仓。上升飞行器弹射起飞到火星轨道,并释放样品仓。

第四步:返回任务:地球返回轨道器(Earth Return Orbiter, ERO)在火星轨道捕获样品仓,返回地球。

原计划需要2个着陆器,因为可以同时携带 MAV 和捡取样本火星漫游车的单个着陆器会太大,目前没有可用的着陆技术。

新的调整过的计划里,主要的变化在第二步,捡取样本火星漫游车及其2号着陆器不再出现。NASA 和 ESA 将主要依靠毅力号将样本带到 MAV 的1号着陆器上。ESA 提供的样本转移臂会将粉笔大小的样本管从毅力号转移到MAV。

“新架构的关键是根据毅力号迄今为止的性能评估得到的可靠性和预期寿命数据,”NASA 火星样本返回项目主任 Jeff Gramling说。该评估以及与毅力号类似的好奇号火星车将在下个月迎来着陆火星 10周年纪念日的事实,导致各机构得出结论,毅力号在1号着陆器到达的时候还将能转移样本。

“我们有信心,当我们需要时,漫游车将在 2030 年将样本运送到样本取回着陆器,”他说。

作为第二步的备份,着陆器将携带两架类似于机智号的直升机,这种小型直升机作为毅力号的一部分,完成了远超预期的任务。机智号最初计划在着陆一个月内进行不超过五次飞行,但一年多来已经飞行了 29 次。

喷气推进实验室火星采样返回项目办公室经理Richard Cook表示,新直升机将比机智号略重。每架直升机都将配备机械臂来抓住样品管,其着陆腿上也安装有轮子。他说,这些轮子可以让直升机降落在样品管附近,然后迫近并抓住它。然后,直升机将飞回着陆器。

“直升机将被用作将样品管带回着陆器的备份,”他说。“我们也有可能用它做其他事情,例如观察着陆器周围的区域,并可能拍摄 MAV 发射的照片。”

Gramling说,取消捡取样本火星漫游车及其着陆器将降低整个火星样本返回活动的风险。“这样任务比较简单。它在组织上不那么复杂,”他说。“我们现在相信,我们拥有一个更简洁的架构,并将帮助我们取得成功。”

在成本上也可能会更便宜,但 Gramling 没有提供任何成本节省的估计。“显然,一个着陆器比两个便宜得多,”他说。该机构在大约一年内在关键决策点的时候将设定成本和进度承诺。

在目前的概念设计阶段,项目架构得到巩固,预计该项目将于今年 10 月进入初步设计阶段。这一阶段预计将持续约 12 个月,从而完成技术开发并制造主要任务组件的工程原型。

两年前,美国宇航局和欧空局估计,在完整的火星样本返回活动中,这些机构的所有任务的总成本至少为 70 亿美元。几个月后的一项独立审核估计,成本将增加约 10 亿美元。美国宇航局没有透露今年早些时候考虑的双着陆器方法将花费多少。

不建造捡取样本火星漫游车的方案可以为ESA节省大量资金,因为它在与俄罗斯航天局终止合作后试图找到一种新的方式来继续其 ExoMars 任务和 Rosalind Franklin 漫游车。欧空局人类和机器人探索部主任David Parker表示,该项目组在以最快速度为该任务制定替代方案。

“美国宇航局和欧空局之间进行了一些精彩的讨论,以探索将Rosalind Franklin漫游车带到火星的不同选择,”他说。然而,由于设计上的显著差异,欧空局排除了使用Rosalind Franklin漫游车作为捡取样本火星漫游车的可能性。Parker说,关于 ExoMars 任务的未来,将在 11 月的欧空局部长级会议上作出决定。

NASA 科学副署长 Thomas Zurbuchen 在电话会议上表示,他最近一直在谈论詹姆斯韦布太空望远镜,该望远镜在经过多年的延迟和数十亿美元的成本超支之后,迎来了成功发射和调试,于本月早些时候发布了第一次科学观测结果。

他说他看到了 JWST 和 Mars Sample Return 之间的可比性。“两者都是历史使命。两者都是国际化的。它们都是艰巨但非常值得去做的大型任务。”

[1]https://spacenews.com/nasa-and-esa-remove-rover-from-mars-sample-return-plans/

[2]https://www.nasa.gov/press-release/nasa-will-inspire-world-when-it-returns-mars-samples-to-earth-in-2033

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