日前中科院在其官网上发表了一篇关于未来在轨监测火星沙尘暴的设想和方案，提出了实施天问三号火星采样返回任务中可能遭遇沙尘暴的解决方法，提出了以三颗同步轨道卫星和一颗极轨卫星，“四点一体”全天候监测火星沙尘暴，为任务执行提供火星天气预警体系。

天文三号火星采样返回：或可能早于NASA完成

2022年中在南京大学的一次研讨会上，中国火星任务天问一号项目负责人孙泽洲透露了我国的天问三号火星采样返回任务，预计将于2028年出发，2031年返回，预计将历时3年时间，带回火星土壤，完成人类历史上最伟大的任务！

天问三号：两次发射，任务时间却存在分歧

天问三号的结构与嫦娥五号月球采样返回的结构非常相似，但由于地火之间的距离是地月距离的上千倍，而且火星还是一颗有稀薄大气层的行星，因此这俩的任务差距就有了，目前孙总公布的方案中，主要有如下几个部分组成：

• 1、着陆与上升组合体（简称着上组合体）
• 2、轨道与返回组合体（简称轨返组合体）

着陆与上升组合体主要由一个巡航级和火星大气层再入舱组成，其中巡航级包括主发动机与轨控发动机与燃料和深空测控设备以及太阳能电池组成，是完成从地球前往火星的重要保障舱段。

火星大气层再入舱包括防热大底、再入减速降落伞以及着陆器和上升器，这里需要提醒一下的事火星大气压虽然只有地球的1%，但它依然会造成严重的气动加热，因此在穿越火星大气层时仍然需要一个防热大底，只是比进入地球大气层的要求要小得多。

另一个是降落伞，火星大气层比较稀薄，所以减速效果比较差，因此需要在超音速状态下开伞，这个要求比地球上要高了，所以火星大气层中超音速的状态下打开减速伞也是一项技术活。

还有一个是着陆器与上升器，着陆器中有采样设备，采样后直接装入上升器的样品舱中。上升器是一枚和着陆器没有物理连接的火箭，发射后将会加速到火星的入轨速度3.53km/s，进入环绕火星轨道，等待与轨返组合体对接转移样品。

2028年5月发射着上组合体，飞行26个月后于2030年7月(火星春分)着陆，在春季完成火星表面采样工作。轨返组合体则在2028年11月发射，2029年5月轨返组合体抵达火星，之后在轨等待对接以及对接后等待返回。

预计在2030年11月启动轨返组合体，加速脱离火星进入地火入射轨道，于2031年7月进入地球大气层，按我国航天器返回规律，应该还是在南大西洋上空进入大气层，穿过非洲、中亚从新疆西部进入我国，很有可能在东风着陆场降落。

比较有意思的是，NASA和ESA的火星采样返回早就已经展开了（毅力号为样品采任务），但这个计划太庞大，多次更改，最新的计划是2033年返回，准备了几十年，结果很有可能被中国人“截胡”了。

中科院22年论文建议提早出发：避开火星沙尘暴

2022年6月10日，一篇标题为《沙尘暴对火星表面探测器的影响:回顾与展望》的论文发表在了中科院的期刊《科学通报》上，几位作者联合撰稿，强烈建议中国火星采样返回提早出发！理由是孙总的方案中虽然已经避开沙尘暴高发季节，但仍然有可能遭遇沙尘暴，而起早出发则是将这个可能性降到最低。

孙总其实也准备了两套方案，方案一是轨返组合从2028年11月出发，2029年8月进入火星轨道；着上组合在同年12月出发，2029年9月份着陆火星，完成采样后再2030年2月发射入轨，与轨返完成对接转移样品后于2030年11月份进入火地入射返回地球。

方案二则是着上组合从2028年5月发射，2030年7月着陆火星采样，并于2030年10月发射入轨；轨返组合则从2028年22月发射，2029年9月份进入环火星轨道，此后在轨绕行到2030年10月与上升器对接转移样品，并于同年11月转入地火入射返回地球。

两个方案中，第一个方案会在沙尘暴季节采样，显然这个方案的风险比较大，而第二个方案则避开了沙尘暴季节，但问题是虽然避开了沙尘季节，但着上组合会在深空运行2年多，这个风险其实也不小。那么中科院的这篇论文中是咋个建议的呢？

着上组合体在2028年1 3月发射，轨返组合体在28年11月发射，最早可在29年3月(火星夏至)着陆，2029年9月(火星秋分)前完成采样，如此则采样能够在第40个火星年的北半球夏季时完成，从而避开秋分后可能出现的沙尘暴天气。

与孙总公布的两个方案相比，论文的方案特点是着上组合早发射、早抵达、早采样、早入轨（火星轨道），比孙总的两个方案几乎要提早一年完成采样任务，确实避开了沙尘暴季节，但绕轨时间增加了，风险还是存在的。

“四点一体”全天候监测火星沙尘暴：保障火星采样任务完成

上文中火星采样返回的“行程安排”极力避开沙尘暴，原因是火星上的沙尘暴影响太大了，很可能就直接要了探测器的命！不过却不是《火星救援》中那种竖起的返回火箭被吹翻的影响，因为火星大气压很低，就算刮起来最大风也只是微风而已，不会吹倒大火箭。

但有一个影响却不得不防，火星极度干燥，大量沙尘颗粒极细，并且火星重力加速度很低，比较容易把火星沙尘刮起来，而作为一个在火星上工作的探测器，太阳能电池可能是其唯一的电力来源，能在火星上工作的最基本要求就是一天的日照产生的电能不仅要对付日常工作耗电，还要给蓄电池充电。

因此在火星上工作的探测器都有一套工作模式来管理探测器的运行，否则电没充满，还要工作的话就会把自己给搞亏电挂了：

• 1、正常工作模式：火星天气晴朗时, 火星车能源充足，其工作内容包括：待机、太阳翼运动、感知、图像压缩、移动、探测及通信等；
• 2、最小工作模式：沙尘影响，太阳能电池功率无法满足正常工作时；
• 3、休眠模式：沙尘重度影响，火星车将立即进入休眠状态；

不过上述的这几种工作模式只是应对电力不足，而沙尘暴虽然也会导致电力不足，但它还有一个致命影响是覆盖太阳能电池到很严重的程度时，即使在光照最好的时候也无法满足最小工作模式，那么此时探测器将会进入永久休眠模式，也就是说再也没法唤醒了。

我国天问一号的祝融火星车，自去年5月18日因遭遇沙尘暴与火星北半球冬季低温低光照等多重的影响进入休眠，原计划在去年12月份左右“醒来”，但到目前已经快一年了仍然没有任何消息，而在2月21日，NASA的MRO探测器发布的一组照片来看，祝融号太阳能电池被沙尘覆盖似乎比较严重。

因沙尘暴永久失联的探测器还有机遇号，在2018年5月30日遭遇了长达3个多月的沙尘暴中彻底失联，NASA的洞察者探测器则是在沙尘严重沉降后，太阳能电池无法提供足够电力而终止寿命，唯一走了狗屎运的是勇气号火星车，在2005年3月9日遭遇了一阵尘卷风，本来已经因沙尘影响太阳能电池效率降到60%后突然上升到93%，几乎就是满血复活了。

火星沙尘暴：究竟是如何形成的？

火星大气层非常稀薄，但它也会因为太阳辐射不均而产生风，一般情况下的火星“微风”并不足以带走尘埃，只有当风速达到时速为65~79公里（相当于8级大风）才能将极其微小的尘埃带起。

火星大气稀薄，尘埃很快就会落地？恰恰相反，因为火星极度干燥，没有水汽为这些尘埃“增重”，因此火星沙尘一旦被扬起将会持续很久，像地球上的沙尘暴持续数天已经很久了，但火星沙尘十天半个月是家常便饭，数月也是正常，而且还有可能发展到火星全球。

一般火星的近日点时更容易形成火星沙尘暴，此时的火星获得的太阳辐射要比远日点高40%，剧烈的昼夜温差作用下，火星沙尘暴更容易发生，但也不是每个火星年（687地球日）都会发生。

2018年6月的沙尘暴

火星南半球的春夏季更容易发生沙尘暴，而此时的北半球刚好处在秋冬季，这也是祝融火星车要在北半球秋冬季休眠过冬的原因。但火星沙尘暴并不是每年（每个火星年，约1.88地球年）都产生，并且其产生与发展壮大的机制仍然非常神秘，还有一个问题是探测器对火星并不能做到无缝观测，导致大量信息更新出现空白而无法判断沙尘暴的发生以及影响预报。

四点一体卫星组：第一个火星天气卫星组合

中国科学院地质与地球物理研究所魏勇研究团队提出的这个方案就是为了解决火星沙尘暴产生以及影响预报的难题，该团队从提出我国应及早在火星同步轨道开展多点卫星监测沙尘活动，同时提出了“四点一体”的火星全球天气监测组网：

整个卫星监测网包括了三颗同步轨道卫星和一颗极轨卫星，通过卫星组网的多点探测，可对火星全球天气形成无间断的持续监测，从而建立我国自主的火星沙尘暴与天气监测预警体系。

多卫星全球监测组网在火星科学探测和工程应用上具有重要的战略意义。这对于监测和预警火星沙尘暴，监测火星空间环境、大气和表面地貌变化，保障火星-地球通讯，发展火星定位导航技术，提升探测器数据存储和上传效率，提高火星科学探测质量等均将具有重大的科学意义和工程价值。

目前在火星轨道上运行的探测器还不少，但真正就天气预测方面的专业探测器还真没有，阿联酋的希望号探测器专门监测火星大气活动，但更新率是比较差的，而火星静止卫星以及极轨卫星组合，基本可以不间断的观测火星全球，是第一个火星天气组合综合观测卫星星座。

火星沙尘暴监测：与火星采样任务到底有多大关系？

看着火星沙尘暴影响很大，“四点一体”卫星组合可以及早的预报火星沙尘暴发生，从而避免“严重事故”的发生，但事实上如果“四点一体”卫星组只是用来监测火星天气的话，还真用处不大，因为有这样几个因素：

• 1、火星沙尘暴发生可能是全球性的；
• 2、探测器无法躲避，也无法收起太阳能电池；
• 3、只能提供一些预警：提早充电；

由于火星极度缺少水汽，沙尘暴很容易发展成全球性沙尘暴，火星表面甚至没有一块“干净”的地方，所以提供预报似乎意义并不是很大。

左侧是没有沙尘暴的火星，右侧是全球性沙尘暴覆盖的火星

另一个问题是目前的火星探测器没有躲避机制，火星上没有建筑物可以躲避，探测车也无法“撑起”遮挡沙尘暴的“伞”，另外太阳能电池也无法收起，因为在收起状态下如果彻底耗尽电能后将无法充电唤醒，因此探测器太阳能电池宁愿被沙尘覆盖（也许会剩下20%的发电效率）也不愿意把电池收起来（祝融火星车两侧太阳能电池可以收起）。

最后个是天气预报可以提供些许预警信息，这个还是有些意义，比如NASA的勇气号火星车，在2018年5月底发生的沙尘暴中判断失误，没有及时充满电就进入了休眠状态，结果3个月后沙尘暴消失再也没能醒来，所以暂时还不确定到底是电池未充满电还是太阳能电池被彻底覆盖造成。

综上所述，在火星建立“四星一体”的天气预报卫星星座意义并不是特别大，假如中科院真要以此为目的发射“火星气象卫星”的话代价实在是太大了，因为向火星发射载荷成本不是一般的高。

不过在中科院公布的前景描绘中包含了“保障火星-地球通讯，发展火星定位导航技术，提升探测器数据存储和上传效率”，这几个还是有一定的意义，比如地火通信就经常因为火星自转导致无法和地球联络，只能通过轨道上运行的轨道器中转，由于轨道器绕火星公转，每天能传输数据的时间非常有限，如果有“四点一体”卫星星座中继，那么差不多可以“24小时”与火星保持联络，这个意义还是比较大的。

另一个火星全球定位功能，到也有一些现实意义，不过火星同步静止卫星高度为17,032千米，还是比较高的，这个定位精度可能会比较差，并且极轨卫星还有过顶时间，用起来还是有些麻烦，不过实时定位要求相对不高、行动缓慢的探测车来说倒也有些帮助，但问题是花那么大价钱，完成锦上添花的事情，到底有多大意义呢？是不是应该把投资花到更有意义上去？

另外也有朋友提出了，火星探测车的太阳能电池怕沙尘暴，那么干脆把研制和发射火星天气预报卫星的资金用来研究核电池，比如NASA的毅力号火星车就不怕沙尘暴，一劳永逸的解决了火星探测车用电问题，这难道不香吗？所以中科院科学家的这个提议还是遭到了不少朋友的嘲讽。那么各位到底支持谁？研究核电池还是发射天气预报卫星？