NASA-ESA 火星樣本取回任務

NASA-ESA 火星樣本取回任務（NASA-ESA Mars Sample Return, MSR）是一項計畫中的火星樣本取回任務，目標是在 43 個鉛筆大小的小型圓柱形鈦製樣本管中收集火星岩石和土壤樣本，並在 2033 年左右將它們送回地球。  這項耗資約 90 億美元的任務將可以進行比火星探測器更加深入、廣泛的分析。 

儘管此任務截至 2022 年 12 月仍處於設計、規劃階段，但毅力號火星車已經在傑澤羅撞擊坑採集樣本。

任務概念與背景 

經過許多次提案與篩選後，目前的 NASA-ESA 計畫於 2022 年 9 月獲得批准，使用三個任務取回樣本：   

 樣本採集任務（毅力號）
 樣本收集任務（樣本收集著陸器（Sample Retrieval Lander, SRL）+ 火星上升飛行器（Mars ascent vehicl, MAV） + 樣本轉移機械手臂 + 2 架機智號级直升機）
 返回任務（地球返回軌道器（Earth Return Orbiter, ERO））。

該任務希望解答火星是否曾孕育生命的問題。

樣本採集 

火星2020任務的毅力號火星車正在採集樣本，隨後會將樣本管留在火星地表，以供未來的任務取回。

火星 2020 毅力號火星車 

火星2020任務的毅力號火星車於 2021 年 2 月將降落在傑澤羅撞擊坑。它將收集了多個樣本並將其裝樣本管中以備日後返回。科學家們推測，傑澤羅撞擊坑是一個古老的湖床，適合地面採樣。

2021 年 8 月上旬，毅力號首次嘗試通過鑽出一個手指大小的火星岩石核心來收集地面樣本。 這次採樣嘗試沒有成功。產生了一個鑽孔，然而樣品容器是空的，這是因為取樣的岩石不夠堅固，無法產生堅固的樣本。毅力號隨後於 2021 年 9 月上旬對被認為更有可能獲得足夠堅固樣品的第二塊目標岩石進行取樣。研磨岩石後，通過噴射加壓氮氣清除灰塵，並檢查所得岩石表面，在 9 月 1 日鑽孔採樣。  9 月 6 日，該封裝完成，第一個樣品放入樣本管容器中。

2022 年 12 月 21 日開始，毅力號開始将收集到的 10 個樣本放置在三叉樣本存放站（Three Forks Sample Depot）。

樣本

三叉樣本存放站（Three Forks Sample Depot） 
NASA 的毅力號火星車為 MSR 活動進行科學和樣本採集將近一個火星年之後，於2022 年 12 月 19 日開始把十個樣本存放三叉樣本存放站。該倉庫將作為備用方案，以防毅力號無法運送樣本。 毅力號將樣本存放在一個相對平坦的地形，稱為三叉（Three Forks），這樣 NASA 和 ESA 就可以在 MSR 任務中收回它們。 該地點同時也是樣本收集著陸器的備用著陸點。

毅力號複雜的採樣和緩存系統需要將近一個小時的時間才能從火星車的腹部取回金屬管，用其內部緩存相機（Cachecam）對其進行最後一次觀察，然後讓樣本掉落一塊精心挑選的地面上。

樣本管不會被堆放在同一個地方。每個樣本管都有一個直徑約為 5.5 米（18 英尺）的「操作區域」可供放置。10 個樣本管將以復雜的鋸齒形圖案編排放置於火星地表，每個樣本附近彼此相距約 5 ~ 15 公尺。

採用此計劃有多種原因，最大原因是因為樣本回收直升機一次只能收回一個樣本管。同時，直升機會於此處起飛和降落，並在該地點短暫行駛。 為了確保直升機能夠毫無問題地取回樣本，該計劃要得到妥善執行，並且將耗時兩個多月。

樣本收集 
早期規劃的火星樣本取回任務包括 ESA 的撿取樣本火星車及其相關的第二個著陸器，以及火星上升飛行器（Mars ascent vehicl, MAV）及其著陸器，後者將把樣本帶到 MAV，然後將樣本發射進入軌道。但考慮到成本超支後，決定以毅力號為將樣本運送到樣本收集著陸器（Sample Retrieval Lander, SRL）的主要方式。

目前計畫的的樣本收集任務為在 2028 年發射樣本收集著陸器，搭載火星上升飛行器和兩架樣本回收直升機。毅力號和直升機將把樣本運送到 SRL 。 SRL 中由 ESA 研發的樣本轉移機械手臂將提取樣本並將它們放置到火星上升飛行器的樣品返回膠囊中。 SRL計畫於 2029 年在傑澤羅撞擊坑的三叉地區（Three Forks）附近著陸。

火星樣本回收直升機 
SRL 將會搭載兩架機智號級直升机，兩者都將利用微型機械手臂收集樣本管至 SRL ，以防毅力號遇到問題。

火星上升飛行器（MAV） 
火星上升飛行器（MAV）是 NASA 製造的 3 公尺長、兩級固體燃料火箭，由洛克希德·馬丁公司與馬歇爾太空飛行中心合作開發，它將把從火星表面收集到的樣本運送到地球返回軌道器。  計劃在它點燃之前以每秒 16 英尺（5 米）的速度彈射到空中，以消除升空失誤的可能性，例如 SRL在火箭升空時滑動或傾斜。火箭的第一級將由一個升級後的 STAR-20 發動機運行 70 秒，而第二級將由一個升級後 STAR-15 發動機再燃燒 27 秒。 之後 MAV 將進入高度 380 公里的軌道。樣品容器將被釋放到軌道上。

MAV 計劃於 2028 年隨著 SRL 發射。

樣本返回

地球返回軌道器（ERO） 
ERO 是 ESA 開發的軌道器。 它包括 NASA 建造的樣本捕獲/收容和返回系統 (CCRS) ，用於與 MAV 在低火星軌道 (LMO) 上會合並交付樣本。ERO 重約 6000 公斤並擁有寬度超過 40 公尺的太陽能板 （為有史以來發射到太空最大的太陽能板之一）。

ERO 計劃於 2027 年用亞利安6號運載火箭發射，並於 2028 年到達火星，它將使用離子推進器和單獨的推進元件逐步到達正確的軌道。 軌道器將在軌道上取回並密封樣本艙，並使用 NASA 製造的機械手臂將密封的樣本艙放入地球再入艙 (Earth Entry Vehicle, EEV) 。它將在 2033 年火星-地球轉移窗口期間返回地球。

地球再入艙（Earth Entry Vehicle, EEV） 
捕獲/收容和返回系統 (CCRS) 會將樣本存放在 EEV 中。 EEV 將在沒有降落傘的情況下返回地球並著陸。 猶他州測試和訓練場的沙漠和 EEV 中的減震材料能在保護樣品免受衝擊力。    EEV 計劃於 2033 年登陸地球。

參見 

 太陽系探索年表
 火星2020
 毅力號
 火星2020時間軸
 火星探索計劃

外部鏈結 

 NASA 的火星樣本取回任務官方網站 
 NASA 和 JPL 制作的火星樣本取回任務示範動畫 （视频）

樣本取回任務
拟议的美国宇航局太空探测器
火星探測器
歐洲太空總署探測器
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