天問三號

天問三號是中國國家航太局的一項計劃中的火星採樣返回任務，也是中國行星探測工程的第三項任務和第二項中國火星探測任務。天問三號的科學目標包括識別火星生命的潛在生命痕跡等。探測器計劃於2028年分兩次由長征五號發射；著陸器計劃於2030年7月著陸火星，使用著陸器和四軸無人機進行表面和鑽取採樣，採集至少500克火星樣品；返回器計劃於2031年返回地球。

天問三號任務目前正處於研製階段。在美國與歐洲合作的回收計畫暫停後，天問三號是目前世界上唯一進行的火星採樣返回任務。

## 背景

### 火星樣本返回：21世紀的新旗艦任務

火星一直是太空探測和行星科學的重點目標。雖然火星整體上與地球的相似度不及金星，但環境和地質歷史方面與地球最為接近，也更可能存在過生命。從1965年的第一個火星探測器水手4號開始，至2020年代，人類已經完成了對火星的飛掠、環繞和巡視探測。

火星樣本返回任務具備極高的吸引力。巡視探測是目前完成的最為先進的火星探測任務，移動的火星車可以覆蓋大面積的探測範圍，並使用儀器近距離檢測樣品。但巡視任務在幾個方面仍然不及能將樣品帶回地球的火星採樣返回任務：火星車無法使用與地球上同等先進的儀器；部分樣品操作無法自動化完成；帶回地球的樣品可供日後更先進的分析技術再次檢測。

火星樣本返回任務也面臨諸多困難，被譽為自載人登月的阿波羅計劃以來最具勇氣和技術挑戰性的空間探索任務。它不僅要求完成高難度的火星著陸，還要求完成史無前例的火星起飛。由於從火星直接起飛返回地球難度太大，一種常見的任務流程設計要求將樣品從火星上升器轉移至另一艘軌道器，但由此涉及的深空探測器交會也是從未有過的航太技術。相較於月球任務，火星遙遠的距離增加了探測器飛行時間，還增加了探測器與地球的延遲，使得部分即時動作必須由探測器自主完成。

### 前車之鑑：NASA-ESA火星樣本取回任務

NASA-ESA火星樣本取回任務是美國宇航局和歐洲空間局聯合組織的火星樣本返回任務，共涉及3次任務，在第一次任務（火星2020）於2022年成功後，後續任務由於預算超支自2024年以來處於暫停狀態。該計劃的特色是樣品覆蓋的區域較大，但每個樣品的獨立封裝管也降低了樣品的運載效率，使得工程難度增大。另外，該任務僅收集火星淺層樣品，未涉及地表以下的鑽取樣品。

### 中國深空探測的發展

中國航天在2000年代起開始涉及深空探測，實力逐漸增強。在2020年和2024年，中國完成了兩次月球樣品返回任務（嫦娥五號、嫦娥六號），這是近幾十年來僅有的大質量天體樣品返回任務。火星探測方面，中國於2021年完成天問一號任務，這是人類首次成功的「繞、落、巡」一體任務。

## 任務籌劃

### 前期研究

2016年1月11日，中國的首個自主火星探測任務正式立項。同年，中國政府發布了《2016中國的航太》白皮書，其中「未來五年的主要任務」中包括了「火星採樣返回的方案深化論證和關鍵技術攻關」。

2018年4月24日，國家航太局探月與航太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，包括火星繞落巡探測任務（後來的天問一號）、小行星採樣返回和主帶衛星繞飛探測任務（天問二號）、火星採樣返回任務和木星系統探測任務（天問四號）。

2018年6月，在聯合國外空司的演講中，火星採樣返回任務被暫時命名為「火星二號」，緊接「火星一號」任務。

2019年12月，火星採樣返回任務的架構首次公開。探測器分為軌道器和返回器組合體（「軌返」）與著陸器和上升器組合體（「著上」）兩個太空飛行器，於2028年11月分別使用長征五號運載火箭和長征三號乙運載火箭從文昌和西昌發射，各自進行地火轉移飛行。軌返於2029年8月完成火星制動捕獲，在環火軌道等待。著上於2029年10月火星大氣再入（EDL）火星，於2029年10月至2030年7月間在火面完成樣本採集、轉移及封裝。上升器於2030年7月起飛，在環火軌道與軌返完成交會和樣本捕獲轉移。軌返於2030年11月開始火地轉移飛行，最終於2031年9月飛掠地球，返回器與軌道器分離，著陸地球。

2020年4月24日，國家航太局在2020年中國航天日啟動儀式上宣布了行星探測工程的名稱與圖形標識，將中國行星探測任務命名為「天問」。同年12月，中國探月工程的嫦娥五號成功攜帶月壤返回地球，完成了中國首次地外天體採樣返回任務。

2021年，中國首次自主火星探測任務天問一號順利完成火星環繞、著陸與巡視，取得圓滿成功。2021年5月15日，在天問一號著陸巡視器成功著陸火星後的現場採訪中，中國首次火星探測工程總設計師張榮橋透露了中國火星採樣返回任務的名稱為「天問三號」，並表示火星採樣返回任務的關鍵性技術在眼下還不成熟，下一步將將耗時約二至三年開展先期關鍵技術研究。待填補技術空白後，火星採樣返回任務才能進入工程研製階段。

2021年6月，天問三號任務正在按程序履行報批手續。

2022年5月，張榮橋再次確認了天問三號將會是火星採樣返回任務。

### 正式立項

2022年6月，天問一號探測器總設計師孫澤洲透露天問三號的任務架構及時間表，預計發射日期為2028年。具體任務流程主要有下列兩套方案（另有著上經0.5圈霍曼轉移後在繞火軌道等待著陸窗口的方案）：

對比項｜方案一｜方案二

探測器組成｜軌返組合體：軌道器+返回器（簡稱「軌返」）著上組合體：著陸器（巡航級+進入艙）+上升器（簡稱「著上」）

軌返發射火箭｜長征五號

著上發射火箭｜長征五號

軌返發射時間｜2028年11月

著上發射時間｜2028年12月｜2028年5月

軌返抵達火星時間｜2029年8月6個月氣動輔助變軌，2030年3月完成軌道圓化｜2029年9月6個月氣動輔助變軌，2030年4月完成軌道圓化

著上地火轉移｜0.5圈霍曼轉移（9個月）｜1.5圈霍曼轉移（26個月）

著上抵達火星｜著上到達火星附近後使用一次性火星大氣捕獲（近火點約50km）入軌，隨後轉入火星大氣再入

著上著陸火星時間｜2029年9月（火星秋分季）｜2030年7月（火星春分季）

採樣方案｜聯合採樣：表采+鑽采+移動採樣，智能多點採樣

採樣周期｜2029年9月-2030年3月（塵暴季節）｜2030年7月-9月（氣候穩定）

上升器設計｜ΔV約4.5km/s，兩級固體推進火箭或兩級液體火箭方案

軌返交會捕獲上升器時間｜2030年3月｜2030年10月

軌返離開火星時間｜2030年10月

軌返返回地球時間｜2031年7月

優勢｜著上組合體轉移時間短（9個月）系統驗證周期緊湊｜避開塵暴季節，採樣環境穩定軌道調整餘量更大

劣勢｜塵暴季採樣風險高系統可靠性壓力大｜著上組合體轉移時間26個月深空長周期飛行技術挑戰

2023年和2024年期間，天問三號的預計發射時間繼續保持在2028年。

2024年11月，一篇論文討論了天問三號的51個候選著陸點。

2025年3月11日，國家航太局發布《天問三號火星取樣返回任務國際合作機遇公告》，徵集國際合作載荷，並首次公布另外6項主要載荷。

2025年4月24日，在中國航天日活動上，天問三號任務總設計師劉繼忠介紹了天問三號的兩次發射將間隔24天進行，使用四軸無人機輔助採樣等內容。

2025年5月20日，國家航太局徵集天問三號任務6項主要載荷研製意向。

2025年6月19日，一篇論文討論了天問三號任務。在著陸區選擇中，文章選出10個最具科學潛力與工程可行性的重點候選著陸區；在採樣環節，提出使用表土鏟取、深層鑽探及無人機輔助三種方式結合，目標樣本質量不小於500克；在樣品處理方面，任務將構建從採樣到實驗室分析的全鏈條保真機制，嚴格遵守國際空間研究委員會（COSPAR）的行星保護政策，保護火星環境不受地球生物污染（前向保護），防止火星樣品遭受地球物質污染影響科學結論，同時保障地球環境安全（反向保護）。

2025年6月29日，一篇論文概述了天問三號任務2024年底提出的新版方案。相比2022年方案，2024年方案主要更改了著上組合體的飛行流程，採用了當時備選的第三個方案，即著上經0.5圈霍曼轉移後在繞火軌道等待約1年再著陸的方案，避免了前兩個方案中高難度而史無前例的火星大氣捕獲機動。由於新方案需要長期停泊，動力需求增加，著上組合體的巡航級規模相應變大，升級為可長期環繞火星運行並攜帶科學載荷的伺服器。另外，文中敲定了部分技術路線（如返回器地球再入方案），留下另一部分繼續研究（如上升器起飛方案）。

2026年3月，探測器研製處於初樣研製階段，並計劃於本年度轉入正樣研製。

2026年4月24日，在中國航天日活動上，國家航太局正式發布天問三號任務合作項目遴選結果，共有5個合作項目入選。

## 科學目標

天問三號任務科學目標包括：探尋火星潛在的生命痕跡；探研火星地質和內部結構特徵；探查火星大氣循環與逃逸過程；取得類地行星宜居性演化研究的重大發現。天問三號任務聚焦3大科學主題，涵蓋9個科學問題：

- 主題一：潛在的火星生命的生命痕跡
- 樣品中生命痕跡的特徵、保存能力及其意義
- 主題二：火星氣候及其演變
- 火星表面水環境演化
- 火星大氣沙塵與水活動
- 太陽風與火星大氣逃逸
- 火星水和揮發分的時空演化
- 主題三：火星地質和內部過程
- 火星地殼的物質組成
- 古老火星幔的物質組成與演化
- 火星撞擊通量、地質構造活動時間分布
- 火星樣品與核幔殼成因和早期深部演化

## 探測器組件

天問三號探測器由軌返組合體太空飛行器（軌道器、返回器）和著上服組合體太空飛行器（著陸器、上升器、伺服器）組成。

### 軌道器

軌道器與返回器組成軌返組合體，負責將後者運送至繞火軌道，開展科學探測，並在取得樣本後將其返回至地球。軌道器在到達火星後，將採用高度350km、傾角30°的圓形繞火軌道，姿態對日定向。軌道器設計壽命不小於3年。軌道器配置2台國內、3台國際科學載荷。

### 返回器

返回器負責裝載樣本，將樣本帶回地球表面。

### 伺服器

伺服器與著陸器和上升器組成著上服組合體，負責將後者運送至繞火軌道，並開展科學探測。伺服器的繞火軌道為400×76000km、54°傾角的大橢圓繞火軌道，留軌探測約2年，設計壽命不小於5年。伺服器配置2台國內、1台國際科學載荷。

### 著陸器

著陸器與上升器組成著上組合體，負責將後者由繞火軌道運送至火星表面。著陸器攜帶的設備包括用於表面採樣的機械臂、鑽取採樣的岩心鑽機、移動式表面採樣的四軸無人機、樣品封裝設備和上升器發射平台。著陸器配置2台國內、1台國際科學載荷。

### 上升器

上升器負責將樣本由火星表面運送至繞火軌道。上升器為一級使用固體燃料和二級使用液體燃料的兩級火箭，發射質量約360千克。

## 科學載荷

天問三號任務共搭載11項科學載荷，分別為主要載荷（6項）和國際合作載荷（5項）。主要載荷項目於2025年3月11日公布，5月20日徵集研製意向。國際合作載荷方面，2025年3月11日，國家航太局發布《天問三號火星取樣返回任務國際合作機遇公告》，宣布向國際同行開放天問三號探測器20千克質量資源，包括不超過15千克的軌道器資源和不超過5千克的伺服器資源。其後共計收到28份合作意向。2026年4月24日，國家航太局公布入選的5個合作項目。

科學載荷｜研製方｜用途

軌道器載荷

中紅外超精細成像光譜儀｜待定｜獲取火星大氣中紅外譜段高光譜成像數據，用於研究火星水和揮發分的時空演化

火星全球多色相機｜待定｜獲取火星沙塵暴全球成像數據，用於實現至少提前1天的火星沙塵預報

火星PEX光譜儀｜國際空間研究委員會（COSPAR）探索工作組（PEX）與深圳大學牽頭，香港大學太空研究實驗室研製｜火星生命痕跡探尋及表面礦物成分探測

火星分子離子成分分析儀｜澳門科技大學牽頭｜火星大氣逃逸過程探測

雷射外差光譜儀｜香港中文大學牽頭，中國科學院合肥物質科學研究院和澳門科技大學參與｜火星大氣水同位素廓線分布及火星風場探測

伺服器載荷

沉降高能中性原子（ENA）極光探測儀｜待定｜獲取火星大氣沉降中性粒子、質子極光、拾起離子等探測數據，用於研究火星大氣逃逸過程隨太陽活動的變化規律

高精度矢量磁強計｜待定｜獲取火星空間磁場探測數據，用於研究太陽風與火星大氣逃逸規律

火星地物高光譜成像儀｜香港大學地球與行星科學系牽頭｜生命痕跡、含水礦物及資源普查等探測

著陸器載荷

超寬頻探測雷達｜待定｜獲取採樣區淺表層分層結構科學數據，為鑽取採樣提供資訊

拉曼—螢光光譜儀｜待定｜採樣區拉曼和螢光光譜探測，用於遴選返回樣品

雷射角反射器陣列｜義大利國家核物理研究所-弗拉斯卡蒂國家實驗室｜在火星表面布設精確基準點

## 著陸點

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2024年11月，首次討論天問三號的候選著陸點。著陸點的限制條件如下：著陸點高度必須位於火星大地水準面（橢球面）以下至少3公里（海拔-3公里），以便有足夠的時間供降落傘減速（天問一號著陸點位於海平面以下4100米）；出於軌道和氣候方面的考慮，著陸點應位於火星坐標系北緯17°至30°之間；在50×20公里的橢圓著陸區域內，地面坡度不應超過8°，岩石覆蓋面積不應超過10%，隕石坑覆蓋面積也不應超過10%；此外，橢圓著陸區域應遠離山脈，避免被山脈遮擋。根據上述工程限制，確定了51個潛在著陸點：亞馬遜平原1個，烏托邦平原12個，克里斯平原或阿拉伯台地38個。

2025年的一篇論文通過火星宜居性關鍵要素分析，兼顧工程安全性，建議將烏托邦平原作為首選著陸區。2025年的另一篇論文再次選出10個重點區域：阿拉伯台地5個，克里斯平原及周邊3個，烏托邦平原及周邊2個。

- 阿拉伯台地：麥克勞克林隕擊坑（McLaughlin Crater）、奧克夏高原（Oxia Planum）、茅爾斯峽谷（Mawrth Vallis）、大山隕擊坑（Oyama Crater，23.66°N 20.17°W）、貝克勒耳隕擊坑（Becquerel Crater）
- 克里斯平原及周邊：卡塞峽谷群（Kasei Valles）、西穆德峽谷群（Simud Valles）、尼羅塹溝群（Nili Fossae）
- 烏托邦平原及周邊：天問一號著陸區及周邊（25.066°N 109.925°E）、以及伊希斯平原（Isidis Planitia）

2026年的一篇論文從影響太陽能板積塵狀況（與著陸器壽命有關）的塵捲風的空間分布情況出發，青睞上述10個優選區中的卡塞峽谷群、奧克夏高原、麥克勞克林隕擊坑和茅爾斯峽谷。

## 任務流程

天問三號任務流程包括發射、地火轉移、火星捕獲、大氣制動、火星停泊、離軌著陸、火面工作、火面上升、交會捕獲、環火等待、火地轉移、再入回收、持續探測等13個階段。

飛行事件｜涉及組件｜時間｜備註

發射｜軌返｜2028年11月上旬

發射｜著上服｜2028年12月｜約間隔24天後

地火轉移｜軌返｜2028年11月 – 2029年8月｜0.5圈霍曼轉移軌道

地火轉移｜著上服｜2028年12月 – 2029年9月｜0.5圈霍曼轉移軌道

火星捕獲｜軌返｜2029年8月｜周期3天的大橢圓軌道

大氣制動｜軌返｜2029年8月 – 11月｜多次穿越火星大氣減速，近火點為90~120km；目標近圓工作軌道為350km/30°

火星捕獲｜著上服｜2029年9月｜400×76000km/54°、周期3天的大橢圓軌道

火星停泊｜著上服｜2029年9月 – 2030年7月｜規避火星沙塵暴與火星合日

離軌著陸｜著上｜2030年7月

火面工作｜著陸器、飛行器｜2030年7月 – 9月｜取樣、封裝、轉移

火面上升｜上升器｜2030年9月

交會捕獲｜軌返、樣品容器｜2030年9月 – 10月

環火等待｜軌返｜2030年10月 – 11月｜等待火地轉移窗口

持續探測｜伺服器｜2030年10月後

火地轉移｜軌返｜2030年11月

再入回收｜返回器｜2031年7月｜樣品返回艙再入著陸地球

持續探測｜軌道器｜2031年7月後

### 發射

天問三號軌返組合體計劃於2028年11月使用長征五號運載火箭在中國文昌航太發射場發射，著上服組合體計劃於24天後於2028年12月使用長征五號在中國文昌航太發射場發射。

### 地火轉移

軌返組合體由軌道器負責提供動力，著上服組合體由伺服器提供動力，各自進行地火轉移。

### 火面工作

火面工作的主要內容是完成採樣、封裝與轉移。採樣將包括表面採樣、鑽取採樣和飛行器移動採樣3種形式。其中表面採樣將使用著陸器機械臂在1.5米半徑內進行表面採樣，目標質量為400克以上；鑽取採樣將使用著陸器的岩心鑽機，目標深度為2米，目標體積為10.2毫升（19×36毫米），耗時約100分鐘；一台四軸無人機將負責移動採樣，在至少100米以外多次進行。採樣完成後，將進行樣品封裝，最後轉移至上升器二級。

### 火面上升

上升器的速度增量需求約3.8~4.5km/s。從著陸器平台起飛後，一級工作工作時間約1分鐘，關機速度為2.3km/s以上；隨後進入約7分鐘的滑行段；滑行結束後，一二級分離，二級點火，約3分鐘後入軌。之後二級可能需要進行變軌機動。

### 交會捕獲

交會捕獲的主要內容是將樣本由上升器轉移至返回器。上升器與軌返組合體交會後，將不會對接，而是將樣品容器分離，由後者進行捕獲。樣品容器分離後與軌返組合體的初始距離為900公里，其無線電信標可在軌工作26天。樣本轉移將採用快速交會+再次捕獲的主備份方案，整個流程將由探測器全自主完成。

### 再入回收

返回器再入軌跡採用彈道式再入，配有降落傘減速，著陸速度約10m/s。

## 基本資料

- names_list：火星二號（2020年前）
- 說明：天問三號軌返組合體示意圖
- 任務類型：火星採樣返回
- 運營單位：中國國家航太局
- 任務時長：3年（預計）
- 製造商：上海航太技術研究院、中國空間技術研究院
- power_source：太陽能板
- 推出時間：軌返組合體：2028年11月（計劃）、著上服組合體：2028年12月（計劃）
- launch_rocket：軌返組合體：長征五號（遙？）、著上服組合體：長征五號（遙？）
- 發射地點：中國文昌航太發射場
- launch_contractor：中國航天科技集團
- landing_date：返回器：2031年7月（計劃）
- landing_site：四子王旗著陸場
- 分類：中國行星探測工程
- previous_mission：天問二號
- next_mission：天問四號
- 著名項目：中國火星探測任務
- previous_mission2：天問一號
- 類型：orbiter
- object：火星
- component：軌返組合體
- arrival_date：2029年8月（計劃）
- departure_date：2030年10月（計劃）
- component：著上服組合體
- arrival_date：2029年9月（計劃）
- 類型：lander
- component：著上組合體
- arrival_date：2030年7月（計劃）
- departure_date：2030年9月（計劃）
- sample_mass：至少500克（計劃）
- 類型：rendezvous
- object：軌返組合體
- component：上升器
- arrival_date：2030年9月（計劃）
- 類型：flyby
- object：地球
- component：軌道器
- 備註：返回器返回
- arrival_date：2031年7月（計劃）