天问三号

天问三号是中国国家航天局的一项计划中的火星采样返回任务，也是中国行星探测工程的第三项任务和第二项中国火星探测任务。天问三号的科学目标包括识别火星生命的潜在生命痕迹等。探测器计划于2028年分两次由长征五号发射；着陆器计划于2030年7月着陆火星，使用着陆器和四轴无人机进行表面和钻取采样，采集至少500克火星样品；返回器计划于2031年返回地球。

天问三号任务目前正处于研制阶段。在美国与欧洲合作的回收计划暂停后，天问三号是目前世界上唯一进行的火星采样返回任务。

## 背景

### 火星样本返回：21世纪的新旗舰任务

火星一直是太空探测和行星科学的重点目标。虽然火星整体上与地球的相似度不及金星，但环境和地质历史方面与地球最为接近，也更可能存在过生命。从1965年的第一个火星探测器水手4号开始，至2020年代，人类已经完成了对火星的飞掠、环绕和巡视探测。

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火星样本取回任务

NASA-ESA火星样本取回任务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国计划在2030年前实施四次重大行星际任务，包括火星绕落巡探测任务（后来的天问一号）、小行星采样返回和主带卫星绕飞探测任务（天问二号）、火星采样返回任务和木星系统探测任务（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，火星采样返回任务的架构首次公开。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月火星大气再入（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）：

对比项｜方案一｜方案二

探测器组成｜轨返组合体：轨道器+返回器（简称“轨返”）着上组合体：着陆器（巡航级+进入舱）+上升器（简称“着上”）

轨返发射火箭｜长征五号

着上发射火箭｜长征五号

轨返发射时间｜2028年11月

着上发射时间｜2028年12月｜2028年5月

轨返抵达火星时间｜2029年8月6个月气动辅助变轨，2030年3月完成轨道圆化｜2029年9月6个月气动辅助变轨，2030年4月完成轨道圆化

着上地火转移｜0.5圈霍曼转移（9个月）｜1.5圈霍曼转移（26个月）

着上抵达火星｜着上到达火星附近后使用一次性火星大气捕获（近火点约50km）入轨，随后转入火星大气再入

着上着陆火星时间｜2029年9月（火星秋分季）｜2030年7月（火星春分季）

采样方案｜联合采样：表采+钻采+移动采样，智能多点采样

采样周期｜2029年9月-2030年3月（尘暴季节）｜2030年7月-9月（气候稳定）

上升器设计｜ΔV约4.5km/s，两级固体推进火箭或两级液体火箭方案

轨返交会捕获上升器时间｜2030年3月｜2030年10月

轨返离开火星时间｜2030年10月

轨返返回地球时间｜2031年7月

优势｜着上组合体转移时间短（9个月）系统验证周期紧凑｜避开尘暴季节，采样环境稳定轨道调整余量更大

劣势｜尘暴季采样风险高系统可靠性压力大｜着上组合体转移时间26个月深空长周期飞行技术挑战

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3月11日，国家航天局发布《天问三号火星取样返回任务国际合作机遇公告》，征集国际合作载荷，并首次公布另外6项主要载荷。

2025年4月24日，在中国航天日活动上，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，严格遵守国际空间研究委员会（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，在中国航天日活动上，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。天问三号任务聚焦3大科学主题，涵盖9个科学问题：

- 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：火星地质和内部过程
- 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

## 探测器组件

天问三号探测器由轨返组合体航天器（轨道器、返回器）和着上服组合体航天器（着陆器、上升器、服务器）组成。

### 轨道器

轨道器与返回器组成轨返组合体，负责将后者运送至绕火轨道，开展科学探测，并在取得样本后将其返回至地球。轨道器在到达火星后，将采用高度350km、倾角30°的圆形绕火轨道，姿态对日定向。轨道器设计寿命不小于3年。轨道器配置2台国内、3台国际科学载荷。

### 返回器

返回器负责装载样本，将样本带回地球表面。

### 服务器

服务器与着陆器和上升器组成着上服组合体，负责将后者运送至绕火轨道，并开展科学探测。服务器的绕火轨道为400×76000km、54°倾角的大椭圆绕火轨道，留轨探测约2年，设计寿命不小于5年。服务器配置2台国内、1台国际科学载荷。

### 着陆器

着陆器与上升器组成着上组合体，负责将后者由绕火轨道运送至火星表面。着陆器携带的设备包括用于表面采样的机械臂、钻取采样的岩心钻机、移动式表面采样的四轴无人机、样品封装设备和上升器发射平台。着陆器配置2台国内、1台国际科学载荷。

### 上升器

上升器负责将样本由火星表面运送至绕火轨道。上升器为一级使用固体燃料和二级使用液体燃料的两级火箭，发射质量约360千克。

## 科学载荷

天问三号任务共搭载11项科学载荷，分别为主要载荷（6项）和国际合作载荷（5项）。主要载荷项目于2025年3月11日公布，5月20日征集研制意向。国际合作载荷方面，2025年3月11日，国家航天局发布《天问三号火星取样返回任务国际合作机遇公告》，宣布向国际同行开放天问三号探测器20千克质量资源，包括不超过15千克的轨道器资源和不超过5千克的服务器资源。其后共计收到28份合作意向。2026年4月24日，国家航天局公布入选的5个合作项目。

科学载荷｜研制方｜用途

轨道器载荷

中红外超精细成像光谱仪｜待定｜获取火星大气中红外谱段高光谱成像数据，用于研究火星水和挥发分的时空演化

火星全球多色相机｜待定｜获取火星沙尘暴全球成像数据，用于实现至少提前1天的火星沙尘预报

火星PEX光谱仪｜国际空间研究委员会（COSPAR）探索工作组（PEX）与深圳大学牵头，香港大学太空研究实验室研制｜火星生命痕迹探寻及表面矿物成分探测

火星分子离子成分分析仪｜澳门科技大学牵头｜火星大气逃逸过程探测

激光外差光谱仪｜香港中文大学牵头，中国科学院合肥物质科学研究院和澳门科技大学参与｜火星大气水同位素廓线分布及火星风场探测

服务器载荷

沉降高能中性原子（ENA）极光探测仪｜待定｜获取火星大气沉降中性粒子、质子极光、拾起离子等探测数据，用于研究火星大气逃逸过程随太阳活动的变化规律

高精度矢量磁强计｜待定｜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

火星地物高光谱成像仪｜香港大学地球与行星科学系牵头｜生命痕迹、含水矿物及资源普查等探测

着陆器载荷

超宽带探测雷达｜待定｜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

拉曼—荧光光谱仪｜待定｜采样区拉曼和荧光光谱探测，用于遴选返回样品

激光角反射器阵列｜意大利国家核物理研究所-弗拉斯卡蒂国家实验室｜在火星表面布设精确基准点

## 着陆点

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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。

- 阿拉伯台地：麦克劳克林陨击坑（McLaughlin Crater）、奥克夏高原（Oxia Planum）、茅尔斯峡谷（Mawrth Vallis）、大山陨击坑（Oyama Crater，23.66°N 20.17°W）、贝克勒耳陨击坑（Becquerel Crater）
- 克里斯平原及周边：卡塞峡谷群（Kasei Valles）、西穆德峡谷群（Simud Valles）、尼罗堑沟群（Nili Fossae）
- 乌托邦平原及周边：天问一号着陆区及周边（25.066°N 109.925°E）、以及伊希斯平原（Isidis Planitia）

2026年的一篇论文从影响太阳能板积尘状况（与着陆器寿命有关）的尘卷风的空间分布情况出发，青睐上述10个优选区中的卡塞峡谷群、奥克夏高原、麦克劳克林陨击坑和茅尔斯峡谷。

## 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。

飞行事件｜涉及组件｜时间｜备注

发射｜轨返｜2028年11月上旬

发射｜着上服｜2028年12月｜约间隔24天后

地火转移｜轨返｜2028年11月 – 2029年8月｜0.5圈霍曼转移轨道

地火转移｜着上服｜2028年12月 – 2029年9月｜0.5圈霍曼转移轨道

火星捕获｜轨返｜2029年8月｜周期3天的大椭圆轨道

大气制动｜轨返｜2029年8月 – 11月｜多次穿越火星大气减速，近火点为90~120km；目标近圆工作轨道为350km/30°

火星捕获｜着上服｜2029年9月｜400×76000km/54°、周期3天的大椭圆轨道

火星停泊｜着上服｜2029年9月 – 2030年7月｜规避火星沙尘暴与火星合日

离轨着陆｜着上｜2030年7月

火面工作｜着陆器、飞行器｜2030年7月 – 9月｜取样、封装、转移

火面上升｜上升器｜2030年9月

交会捕获｜轨返、样品容器｜2030年9月 – 10月

环火等待｜轨返｜2030年10月 – 11月｜等待火地转移窗口

持续探测｜服务器｜2030年10月后

火地转移｜轨返｜2030年11月

再入回收｜返回器｜2031年7月｜样品返回舱再入着陆地球

持续探测｜轨道器｜2031年7月后

### 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岩心钻机，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；一台四轴无人机将负责移动采样，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。

### 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。

## 基本资料

- names_list：火星二号（2020年前）
- 说明：天问三号轨返组合体示意图
- 任务类型：火星采样返回
- 运营单位：中国国家航天局
- 任务时长：3年（预计）
- 制造商：上海航天技术研究院、中国空间技术研究院
- power_source：太阳能板
- 推出时间：轨返组合体：2028年11月（计划）、着上服组合体：2028年12月（计划）
- launch_rocket：轨返组合体：长征五号（遥？）、着上服组合体：长征五号（遥？）
- 发射地点：中国文昌航天发射场
- launch_contractor：中国航天科技集团
- landing_date：返回器：2031年7月（计划）
- landing_site：四子王旗着陆场
- 分类：中国行星探测工程
- previous_mission：天问二号
- next_mission：天问四号
- 著名项目：中国火星探测任务
- previous_mission2：天问一号
- 类型：orbiter
- object：火星
- component：轨返组合体
- arrival_date：2029年8月（计划）
- departure_date：2030年10月（计划）
- component：着上服组合体
- arrival_date：2029年9月（计划）
- 类型：lander
- component：着上组合体
- arrival_date：2030年7月（计划）
- departure_date：2030年9月（计划）
- sample_mass：至少500克（计划）
- 类型：rendezvous
- object：轨返组合体
- component：上升器
- arrival_date：2030年9月（计划）
- 类型：flyby
- object：地球
- component：轨道器
- 备注：返回器返回
- arrival_date：2031年7月（计划）