火星记忆新手攻略（让梦想回到她的诞生之地）

原创 EnterpriseH

来源 哔哩哔哩弹幕网

在漫漫长夜之中，六颗流星划过。在她们的光芒最后消失之前，人们记住了她们。

特别鸣谢：航天爱好者网SINO4894大佬，ovob

其他参考资料：

MSR Status to PAC, Jeff Graming, Aug 16 2020

Mars Sample Return-Earth Return Orbiter Implementation Phase-Notice to all Potential Suppliers Ver 2, Airbus Defence and Space, July 30 2020

A Maturing Earth Entry Vehicle Concept for Potential Mars Sample Mission, Scott Perino, Marcus Lobbia, Joe Parrish, JPL, 27 Apr 2018

感谢某位不愿透露姓名的有能DD（雾），我们safufu的蒜头（划去）阿媂娅终于能够实现自己在推特上立下的雄心壮志——成为火星上的Vtb。与之一起的当然还有OG的所有六人。

如果cover本社和蝗在导流槽里就更好了

——尽管和她之前在推上透露出的意向不太一致，这趟火星之旅不会来自我们亲爱的爆破鬼才马一龙的飞天不锈钢水塔，而是来自同样以爆破出名（指钱老带头的实验小组把实验室炸飞了）的加州理工学院/NASA喷气推进实验室（JPL）。

“火箭就是可控爆炸”

“确实”

或许是冥冥之中自有天意，这次OurGirls的六位女孩将随之前往的，是JPL的火星取样返回（Mars Sample Return，MSR）任务。顾名思义，这次任务将从火星表面采集样本，并将其带回地球。这或许象征着，OG的各位只是为了各自的梦想而暂时离开一段时间，而在未来的某日，她们终将再度回到我们的身边。

火星取样返回是个让人感觉说远也远、说近也近的梦想。说近是因为，在大部分人的潜意识里，既然在60年代末就已经实现了载人登月，那么从火星上采集东西并返回地球似乎应该是很早就该出现的事了；说远，则是因为这一任务至今仍然没有任何一个国家或机构实现，连走到立项阶段的任务都没有。对于NASA而言，火星取样返回的早期研究早在70年代人类首个火星着陆器海盗号的成功之后便已启动，试图借着海盗号的成功对其获得的科学成果进行拓展，并在火星上开展进一步的生物学研究，但因资金要为航天飞机和空间站项目让路而最终取消。

海盗号之后进行的后续研究为NASA后来的很多火星探测任务铺平了道路，包括这个看起来很绿皮的、通过把起落架换成履带试图直接让着陆器变成漫游车的设计，最后演进成了火星探路者和火星漫游车项目

航天飞机项目之后，NASA在80年代再次启动火星取样返回项目的规划论证，但这个项目仍然没有活到立项，就因科学项目政策改变而又被取消。这可能是由于1985年启动的火星观察者项目失败，使得NASA为了减少损失的可能性而放弃了单一且耗资耗时较长的大项目，转而选择分散多个灵活且低成本的小项目。这些项目如今已经大名鼎鼎：火星探路者（Mars Pathfinder），火星全球勘测者（Mars Global Surveyer）和2001火星奥德赛（2001 Mars Odyssey）。这些项目的成功使得NASA在90年代末又双叒叕重启火星取样返回项目，然而非常不幸的是，1999年火星极地登陆者（Mars Polar Lander，又名火星98）项目再次以全面失败告终，NASA决定再一次改变探测项目政策，于是火星取样返回项目又双叒叕胎死腹中。尽管如此，同样的失败也使得NASA启动了大名鼎鼎的火星漫游车项目——“勇气”号和“机遇”号火星车已经成为最负盛名的火星探测计划之一。

为了节约成本，火星观察者号采用了商业货架产品设计，其卫星平台直接来自现有的通信卫星。即便如此，这一项目的最终成本还是达到了离谱的8.13亿美元（1995年币值）。而这一耗费巨资的项目最后却死得相当不明不白——早在进入火星轨道前火星观察者就失去了通讯，事后分析只含糊地认为可能是某些管路发生了泄露导致探测器失效。（图片来源NASA官网）

正是由于火星极地登陆者的失败，原本只打算制造一辆漫游车的火星探测漫游车计划为了避免全盘失败而改成了制造两辆互为备份的探测器，并取得了出人意料的巨大成功。连笔者本人早在幼儿园时期开始入坑时，也已经对勇气号和机遇号的演示动画熟悉到刻入DNA里了（

火星极地登陆者的死因后来成了一大堆后来者重蹈覆辙的同样方式：着陆前传感器故障导致探测器以为已经着陆，并提前关闭发动机、切断减速伞，导致探测器直接高速日大地。此外，2007年的凤凰号探测器之所以起了这个名字，正是因为其搭载的科学仪器大部分都来自火星极地登陆者，并有着相同的科学任务和着陆地区——这个名字象征着时隔十年火星极地登陆者的凤凰涅槃。（图片来源NASA官网）

进入21世纪之后，NASA将大部分重点放在了成本和困难较低的现场研究（如类似勇气号/机遇号/好奇号/毅力号那样的漫游车随车携带实验室，或类似凤凰号那样的着陆器），以及在轨遥感探测等任务类型上，但仍然对火星取样返回这一长期以来的目标给予了很高的优先级。经过近20年的研究，在2017年，NASA认为火星取样返回任务已具备了“在进度和预算可控”前提下的可行性。最终，NASA宣布火星取样返回项目于2019年正式立项，且优先级为最高。预期MSR项目将在2021年进入A阶段研制。对于这一久远的梦想，NASA给予了很高的重视程度，其科学任务部为其成立了独立于火星探测项目部门的独立项目办公室，以确保不会受到其他火星探测项目的干扰。

截至目前，MSR项目进展较为顺利，但今年的MSR项目独立调查委员会发布的报告也对这一项目提出了较多问题和建议。这些建议包括将项目的预计发射时间由SRL和ERO均于2026年7月发射调整至SRL为2028年、ERO为2027年，并重新考虑运载火箭和任务时间表；评估目前的MSR总体设计为“极其复杂且成本极高”（下文会让大家深刻理解怎么个“极其复杂”），建议在研制阶段进行全面的简化和风险评估削减；预估MSR项目预算将由原来的30.3亿USD超支至38-44亿USD（国会老爷：wdnmd），很可能成为NASA历史上第二昂贵的行星科学探测项目；在多个关键节点上欧空局和NASA应紧密配合并做好应对可能出现的问题的可能性，以避免互相干扰影响项目进度等。但综合来看，MSR在2021年进入A阶段研制的目标进度不会受到影响，且一部分关键研究已经在A阶段前完成，可以加速项目进度。

本文仅介绍MSR项目的工程、技术及科学目标的相关细节，对于管理和行政方面的部分则不作叙述。

MSR项目的核心科学目标自然是将样本采集并送回地球。其将突破数个关键技术和工程目标，包括：

• 实现火星表面高精度定点着陆；
• 实现开放环境中的样本回收和采集；
• 实现火星表面不同探测器之间的样本传递；
• 首次在其他行星上进行入轨发射；
• 实现全自动目标识别与交会对接；
• 实现首次火星轨道出发和地球轨道进入；
• 实现在硬件条件受限情况下的第二宇宙速度再入及着陆；
• 实现双向污染控制，即确保地球上的环境物质不会污染火星环境的同时，从火星上带回的样本也不会接触地球环境。

最后一点尤为重要，因为MSR将是人类历史上首次从一个可能存在生命的地外星球向地球带回样本，因此确保双向生物隔离是本次任务前所未有的关键要求（没人希望《异星觉醒》变成真事——事实上那部片子就是一个最极端的没认真实施双向污染控制的反面教材案例）。在MSR相关文件中多次提到了“打断传染链”（Break-The-Chain，BTC），指的就是通过采取相关的隔离和清理措施来确保双向生物隔离和污染控制。MSR系列任务在NASA的地外天体探测行星保护标准目录中归为最高的受限制V级，目前仅有阿波罗载人登月任务的防疫要求与之平级。

MSR项目包括三个独立的探测器项目：火星2020预采样（即毅力号火星车）、样本返回着陆器（Sample Retrieval Lander，SRL），及欧空局的地球返回轨道器（Earth Return Orbiter，ERO）。其中，样本返回着陆器上还包括了火星上升飞行器（Mars Ascent Vehicle，MAV）、样本转移漫游车（Sample Fetch Rover，SFR）和轨道样本容器（Orbiter Sample，OS）；地球返回轨道器则在轨道器上搭载了由两个模块组成的样本捕获、封装和返回系统（Capture, Containment and Return System，CCRS），包括样本捕获封装模块（CCM）和地球返回模块（ERM），其中地球返回模块上装有地球再入飞行器（Earth Entry Vehicle，EEV，也就是之前提到的自由落体日地球返回舱），在MAV将OS送入火星轨道后，OS将被ERO上的CCM捕获，并转移到ERM上装入EEV内，然后在接近地球时将EEV投入地球大气实现回收。

MSR计划于2026年起先后发射SRL和ERO，并最终在2031年返回地球，运回毅力号从其火星探测任务中的不同地点采集及SRL本身采集的共31管总共重达16kg的土壤和岩石样本，其有效载荷几乎接近载人任务（阿波罗11号带回了25kg的月表样本），可以说是雄心勃勃。同时，为了实现这一雄心勃勃的目标，MSR任务中的各飞行器也采用了尽管就目前来看过于复杂且风险过高，但从工程上说颇具创造性甚至可以说是有趣的设计。下文中将对探测器各部分的设计细节及其是如何满足前述所有任务目标要求的措施进行详细叙述。火星2020/毅力号想必大家都很熟悉，此处按下不表。

当前MSR项目的架构概览，来自于MSR项目经理Jeff Gramling发布于今年8月16日的项目报告，个人翻译

来自同一份文件的项目时间线估计。（小字真抠不动了，各位别强求）

搭载在毅力号上的样本管及其容器，每根管子长144mm，直径23mm，重100g，在离开地球前由NASA相关负责科学家进行仔细清洁以确保其严格无菌

样本返回着陆器（SRL）

SRL系统的所有组成部件，注意由于着陆器的体积，再入飞行器和隔热罩的大小显著超出了常见火星探测器的设计，尽管如此，并没有文件提到体积和重量的增加会对巡航级、隔热罩与降落伞的设计造成挑战。两种巡航级的可选设计分别在凤凰号/洞察号任务（上）、火星漫游车/好奇号/毅力号任务（下）中已经多次使用且成熟。图中展示的是常规着陆器方案，而非使用天空起重机。

SRL由NASA研制，其任务是着陆到火星表面，进行第二阶段样本采集（是的，SRL自己也会采集样本，这样即便毅力号不幸白给，MSR也不至于耗资40亿千里迢迢跑了五年就运回来一罐火星的二氧化碳大气），并接收和打包毅力号的预采样样本，随后发射MAV将其送入火星低轨道。预计SRL的发射质量为4.5吨，着陆器质量1.2吨。为了在预定地点接收毅力号送来的样本，要求SRL能具备精确定点着陆能力。

原则上，除了毅力号之外，MSR任务中的其他探测器在采样和转运所需的机构之外都不再携带额外的科学仪器载荷，以避免增加额外的复杂度和成本。尽管如此，探测器本身的设计结构仍然非常复杂。

SRL原计划在2026年7月由Atlas V运载火箭发射前往火星（实际上考虑到Atlas V已经计划在2023年退役，届时更有可能担任其发射任务的将是她的后继Vulcan），但如前所述，独立调查委员会已经建议考虑将SRL的发射时间表推迟到2028年窗口后沿的可能性，并重新选择运载火箭。

除去NASA火星探测器常规的巡航级和隔热罩设计及着陆用的减速伞等组件，SRL由三个部分组成：样本返回着陆平台（Sample Retrievial Lander Platform，即着陆器本身），样本转移漫游车（SFR）和火星上升飞行器（MAV） 。此外，在着陆器上还装有样本转移机械臂（Sample Transfer Arm），用于将样本从SFR上取出并装入MAV，当然也包括二次取样作业。

目前SRL的着陆器考虑了两种构型，一是类似凤凰号/洞察号的反推着陆设计，二是类似好奇号/毅力号的天空起重机。着陆器设计的优点是可靠性高、技术成熟，风险较低，但缺点是载荷空间很小导致结构设计复杂，尤其是SRL还要带上一个MAV并把它发射到火星轨道上，这可能在不被注意的地方导致风险增加和成本超支。天空起重机则有着很大的空间和重量裕度（使用天空起重机的毅力号和好奇号的着陆质量都超过一吨，相比之下凤凰号、火星极地登陆者和洞察号都只有300千克左右的质量，着陆器设计可能需要改进才能满足1.2吨着陆重量的设计需求），宽松的设计裕度有利于系统设计集成和控制成本，且着陆时的机动飞行和控制能力强，容易实现目标中的精确着陆，但着陆器本身复杂，风险高。目前设计上倾向于使用传统着陆器方案。

天空起重机（Skycrane），顾名思义，在最后的下降阶段由一个单独的动力下降飞行器（PDV）吊着探测器在火星表面机动飞行，然后在预定着陆点悬停并将探测器吊放到地表上，自己切断吊索后自行飞到安全区坠毁。其拥有更大的重量裕度和载荷空间，但无论是推进、导航、控制还是承载机构的设计都更复杂。好奇号任务中第一次使用这种着陆方式，将着陆重量达一吨的火星车成功送达火星地表。

至于常规的着陆器设计想必不用多说了

两个设计都将最大限度地使用现有硬件，常规着陆器设计的硬件将来自凤凰号/洞察号的设计，天空起重机设计则来自好奇号/毅力号。同时常规着陆器设计将通过改进来满足其高着陆精度和重量的需求。

目前SRL设计采用纯太阳能供电、放射性同位素加热器（RHU）保温的供能设计，这被独立调查委员会认为是增加了任务风险且限制任务灵活度的选择。考虑到着陆和表面任务执行期间可能出现的沙尘暴，纯太阳能供电设计无法达到A类任务风险需求（因为有可能被沙尘暴盖住导致断电），并且为了躲开风季和光照较差的冬季而限制了发射窗口。独立调查委员会建议在SRL上加装放射性同位素热电发生器（RTG，也就是KSP里人尽皆知的核电池）以解决这一问题。

火星救援都考虑到这个了，人家小说里的MAV就带着一个RTG

样本转移漫游车（SFR）是一辆重量仅有150kg的小型漫游车（虽说小，但也和勇气号/机遇号差不多大），设计地表工作寿命210火星日。为了尽快赶到样本管所在地点并运回样本，加上其未携带科学仪器，不必停下来进行探测任务，因此SFR被设计能够达到惊人的高速（大嘘），每个火星日的平均行驶里程不低于前所未有的250米！(

其实算是快的了，勇气号和机遇号一天就开200米，火星探路者号为期三个月的整个生命周期满打满算总共也就开了100多米，好奇号之前的阶段性目标则是怎么赶在任务结束前开出20km开到被设定为探索目标的山脉脚下去…当你在一颗完全未知的星球地表开车时，也确实不能指望能开多快。

在SRL着陆和开展表面任务前，毅力号将在指定位置卸下其采集的样品管。随后，在SRL完成着陆后，SFR将被释放，并自行驶往毅力号卸下样本管的指定地点，到达之后用车载机械臂抓取样本管容器并收纳到自身内，然后驶回SRL所在位置，将样本管交付给样本容器。

这张较为早期的概念中还考虑了将SRL和SFR直接集成在一起，把MAV装载在漫游车上直接开到毅力号所在地点接收样本然后发射的设计。人类史上第一个在其他行星上部署的机动式弹道导弹系统（确信）

SFR的设计由欧空局承包，当前其设计直接来自ExoMars 2022项目的漫游车，以期通过采用现成平台设计节约成本。但这一方案面临两个问题，其一是SFR设计用途较为专一特化且复杂，采用现成通用平台改装的设计方式可能难以满足需求；其二是ExoMars 2022项目本身也尚在研发阶段，倘若ExoMars 2022项目中出现了漫游车设计变更， SFR也将不得不相应进行设计变更，且这样无法实现“利用已经过飞行证明的成熟硬件来提高可靠性和降低成本”的目的，因为ExoMars 2022自己都还没飞过（原计划今年发射窗口与天问一号、希望号和毅力号一起去火星的，结果欧空局可耻地放了鸽子，于是ExoMars 2020变成了ExoMars 2022）。这意味着NASA和ESA必须紧密联系并进行统筹，以预备可能出现的设计变更。

至少有一点好处：欧空局在为ExoMars 2022宣传时可以自豪地吹比“我们这是在为未来的火星取样返回项目验证技术”

而且他们真的这么写了……

此外目前的SFR也采用纯太阳能供电、RHU加热器保温设计，因此同样需要考虑加装RTG提高生存力的可能。

独立调查委员会认为，目前的MSR整体架构过于单链条化，像SFR、SRL和后述的很多关键设计这样一处关键系统失效就有可能导致整个任务失败的风险点过多，因此在未来的设计中，需要针对这一方面进行重新评估和规划。

火星上升飞行器（MAV）是整个着陆器设计上的一大关键，其工作环境、技术难度和风险都非常高，将把采集的样本从火星地表送入低轨道，从而首次实现人类从其他行星地表发射运载火箭入轨。

MAV有诸多设计难点，首当其冲的就是严苛的尺寸/质量限制。前面提到，整个SRL的着陆质量也仅有1.2吨，在此基础上，留给MAV的设计发射质量仅有400kg，尺寸要求长度不超过2.8m、直径不超过570毫米。而其设计的性能指标为：△v约为6km/s，运载能力能将总重28kg的OS及其中的样本送入300-375千米高、倾角±25°的圆轨道，且半长轴误差±9km，离心率小于0.006，升交点赤经误差小于±0.08°。也就是说，MAV在有着极为严苛的重量/尺寸限制的同时，还要求了不小的载荷能力和很高的入轨精度。

作为对比，截击机厨狂喜弹（？）AIM-54不死鸟的全长为3.9米、直径为380毫米，发射重量为460kg。也就是说，在稍大的尺寸下不死鸟把60kg的高爆战斗部以5马赫的速度送到了200km外的轰炸机头上，而MAV要把28kg的样本罐子以20马赫的速度送入300km高的火星低轨道……

MAV的设计预研在2010年前后启动。考虑到△v需求，其大部分情况下只能采用两级设计，在此基础上分别初步考虑了两级液体或两级固体发动机，此外还有采用高性能固液混合推进系统的单级入轨设计。最终，考虑到复杂度和成本，以及在火星表面低温/大温差环境下长期存储的需求，显然最为简单可靠的两级固体火箭设计是最合适的选择。当然，纯固体火箭设计的入轨误差较大，但这可以通过让ERO进行轨道机动来弥补，此外MAV上用于姿控的RCS也会兼用于末速修正以进一步减少入轨误差。

MAV概念对比：两级固体与单级固液混合（图片来源NASA）

单级固液混合设计的MAV，OS装在头部。请注意由于火星大气稀薄，没有设计整流罩，而是让OS露出的头部直接成为整流罩。其设计推进剂为SP7A固体燃料 一甲基肼/MOH25液体推进剂，其中MOH25为25%一氧化氮和75%二氧化氮混合而成的常温液体氧化剂。其拥有良好的机动性能和推力控制能力，且相比两级液体设计结构更简单。但因为仍然存在液体燃料的对温度敏感（尤其是固体和液体燃料都需要保温且各自最适温度差别很大，反而复杂化了热控系统的设计）、需要加压、可能泄露等问题，且固液混合发动机技术不够成熟，最终还是输给了两级固体方案。

纯固体两级入轨MAV设计，采用冷氮气RCS进行姿控和末速修正。发动机来自现成且成熟的Star系列货架产品，采用HTPB推进剂。

之前报告中出现的SRL总体布局，可以看到折叠状态的SFR位于上方，MAV则被平置于其下方、着陆器中央的保护罩里。着陆器的推进系统沿着结构两侧对称分布。

除此之外MAV还面临着一系列工程上的困难。与其他运载器相比，MAV在发射及准备方面最大的不同之处在于其将随SRL被发射到火星表面，并在火星表面被长期储存后再进行发射，因此需要在火星表面长期处于稀薄大气和大温差的恶劣环境下。尤其在发射准备阶段，MAV被从保护罩中展开并起竖之后，将会在此期间直接暴露于火星地表环境，并面临最大的考验。尽管固体发动机有很强的环境适应性，但仍然需要在储存和操作方面做出诸多努力。据仿真模拟，在巡航段飞行的MAV被置于着陆器隔热罩和自身保护罩的双层保护下，因此不需要特别的措施便能满足其存储需求。但在火星表面，即便在保护罩的保护下MAV的最低温度也将低至-62.5℃，超出-40℃的设计温度下限，因此需要加装热控系统。总体来说热控系统的设计并不复杂，采用成熟的电加热器便可满足需求，此外在MAV的表面还铺设了5毫米厚的P50泡沫保温层兼用于保温及上升段抵抗气动加热之用，这一泡沫保温材料成熟可靠，其历史一直可以追溯到土星五号，此后从航天飞机到D4H都广泛使用。MAV的保护罩除了作为隔热之外，还能避免MAV在发射前接触火星环境，从而进一步避免意外污染。值得注意的是尽管火星大气极其稀薄（0.6kPa的二氧化碳），但仍存在足够的热传导与保温效应，因此热控系统的加热器需要限制功率在200W，避免受热不均导致MAV出现壳体变形或破裂。

由于火星的重力加速度及大气环境特点，MAV相比地球上发射的运载火箭有着非常独特的弹道和飞行时序。其最大的特点是经过短暂的一级动力段后飞行器就已冲出稀薄大气，随后经历较长的滑行段和姿控与定向后才进行二级点火，因此对GNC系统的导航能力及RCS的姿控能力都有着较高的要求。尤其是由于从火星表面发射不同于地球的大气和重力环境，MAV的级间比及飞行动力学特性都与地球上发射的运载火箭有着很大区别，增加了控制系统的设计和操作难度。

MAV飞行过程及时序，图源NASA，翻译个人。注意尽管一级飞行段只有80秒、二级点火则在T 500秒之后，但在二级点火之前的大部分滑行段中一级均保持连接，这是由于MAV特殊的布局和级间比导致在级分离后的滑行段RCS无法保持对满装药二级的有效姿态控制，因此在二级点火之前才分离一级以尽可能减少飞行器处于无控漂移状态的时间。

此外为了方便轨道上的ERO追踪并交会，以及实时遥测监视和飞行后分析的需求，MAV需具备持续的UHF波段遥测下行能力，并在OS舱分离之后具备持续在UHF波段发射信标的能力以利于ERO的追踪。不过目前MAV面临的一个问题是其UHF遥测能力无法提供二级飞行段的全部关键数据，如果在这一阶段出现问题将难以进行故障复现，独立调查委员会建议对MAV的UHF系统进行改进以提升性能，使其可传输关键飞行数据。

由于遵循风险和成本最低的原则使用了尽可能成熟可靠的设计，目前MAV的大部分工作进展顺利，NASA马歇尔飞行中心（MSFC）已经签发了MAV发动机采购合同，并计划在2021年开始MAV的相关测试工作。

轨道样本容器（OS）安装在头部的MAV有效载荷舱（MPA）内，发射时与MAV一起封装在防护罩内。从火星表面发射前打开防护罩，将样本管装入容器内，随后关上舱盖、扣上整流罩，保持密封并被MAV送入火星轨道。在轨道上OS被放出，由ERO捕获后装入返回舱内，最终返回地球。作为样本容器，其密封要求极高，要求在样本封装后，能确保内部在温度不超过30℃、磁场强度不超过0.5T，且保持封装当地大气环境的密封状态下，直到在回收后被开启。作为MAV的一部分，其同样有严格的质量和体积限制，自重不超过12kg，加上重16kg的样本管后，总重为28kg，直径不超过280毫米。载荷能力为31根样本管，以及随其封入舱内的100ml火星大气。

对于OS来说，最大的考验在于回收阶段。如之前动态所述，EEV/OS的组合要求即便降落伞未能打开的灾难性情况下也不能由于OS破损而造成样本泄漏，这就意味着无论采取何种设计OS都必须能在直接撞击着陆的极端情况下保持载荷的密封性和完整性，因此结构设计难度很高。同时由于极端的力学载荷，OS为了确保可靠性将是纯机械结构，在飞行中完全通过自身的保温层进行被动保温（装在MAV/ERO上时则依靠其配备的加热器），这也意味着OS上将不能安装任何的电子通讯或控制系统，为ERO对OS的捕获与EEV带着OS返回再入都带来了不少麻烦。

除此之外，OS在火星表面装载样本时，需要被直接打开并暴露在火星地表环境下较长时间，这也对其的温控和密封性能及机械结构可靠性提出了挑战。

尽管发射时被装载在MAV上，但OS在设计上实际上是地球返回飞行器（EEV）的一部分。关于OS和EEV结合的细节将在后文描述。

地球返回轨道器（ERO）

ERO当前的最终设计，来自空客公司于今年7月发布的ERO实施阶段报告。注意由于高△v要求，ERO被设计成两级构型，化学动力的轨道插入模块将在完成火星入轨和交会机动后被抛弃，然后使用电推进的返回模块完成转移飞行回到地球。（个人翻译）

空客公司在其文件中展示的ERO各关键分系统，注意CCRS被单独示出

ERO是MSR任务中的最后一个探测器，其首要任务是在轨道上捕获由MAV发射入轨的OS，并完成对样本的封装，然后带着OS返回地球，并将装在EEV上的OS随EEV一起投入地球大气完成回收，此外还将在SRL执行其火星地表任务期间提供通讯中继，并在MAV进行射前准备和发射时对其提供支持。ERO的研制分成两个部分，轨道器本身由欧空局管理、空客公司研制，而包括样本抓取系统及返回舱在内的有效载荷则由NASA的兰利飞行研究中心、格伦飞行中心和JPL负责研制。ERO原计划同样在2026年由欧空局的阿里安6运载火箭发射，但目前也考虑了顺延发射时间的可能性。

ERO首要的设计难点是非常高的△v需求，其任务目标要求ERO能够飞往火星、减速进入火星轨道，进行轨道机动以进入能满足SRL表面任务通讯、MAV发射遥测和OS在轨交会的轨道上，并在完成对OS的捕获后再加速脱离火星轨道，完成从火星到地球的转移飞行。在投下EEV之后，还要进行偏航机动，以避免ERO撞上地球、将可能接触到的火星物质带入地球大气。这一任务目标对ERO的总△v需求不亚于载人登火任务，同时质量限制也较为严格，ERO的全重限制为不超过6吨，而干重不超过3吨。

这样高的△v需求和严格的重量限制意味着ERO主推进系统的唯一选择将是离子电推进系统。（赞美电推神教！）ERO将采用传统化学推进和电推进结合的动力方式，在转移飞行时使用电推进，在快速轨道机动（如进入火星轨道制动和交会）时则使用化学动力。这也使得ERO将成为人类历史上截至目前被送入深空最大的电推进航天器，并因此拥有有史以来深空探测器中最大功率的电推进系统。推进系统的电功率要求ERO的太阳能电池板能在地球轨道上输出40kW功率，按效率换算，ERO将拥有面积达100平方米以上的巨大电池板。

为了满足重量限制和性能要求，ERO被设计成两级结构。化学推进系统的RCS推力器和电推进系统安装在探测器的主体，返回模块（Return Module，RM）上；而化学推进系统的主发动机则安装在下方可分离的轨道插入模块（Orbit Insert Module，OIM）上。在使用化学推进主发动机完成火星入轨制动点火之后，OIM将被抛弃。接下来的飞行中，化学动力RCS将负责交会对接等需要快速反应的轨道机动，而大多数△v则由电推进系统来完成，包括离开火星的加速及返回地球的转移飞行。此外，由于电推进系统安装在探测器侧面，因此与化学推进系统互不干涉，即便在OIM未分离的状况下也能使用电推进系统进行机动。

混合推进和电推进的高比冲特点使ERO具备了灵活的任务轨道选择。其可以被运载火箭射入高C3转移轨道直接前往火星，或是被送入太阳轨道后再依靠自身电推进系统进行机动前往火星，从而使得能够满足任务需求的发射窗口更多。

从以上特点不难看出，ERO最大的技术难点将是其大功率离子电推进系统的设计与制造，以及其超大面积太阳能电池板的折叠、展开和对日定向。由于ERO前所未有的推进和电功率，这将是ERO面临的关键技术节点。除此之外，针对样本容器的在轨全自动识别和交会对接程序处理能力也是ERO的一大技术难关。

ERO从地球到火星的转移飞行时间预计为220-450天（取决于选择的轨道和发射窗口），到达火星后的工作轨道为倾角25°的400km高圆轨，这也接近于MAV设计所要求的轨道（300-375千米，25°倾角圆轨），MAV的入轨误差则通过交会机动来弥补。为了节约燃料，ERO将采用大部分火星探测器都采用过的入轨方式，即先减速进入火星大椭圆轨道，随后将近火点调整到大气上层，利用气动阻力进行大气刹车，进一步减速进入目标的400km圆轨道，然后开展任务作业。

NASA的MAVEN探测器进行火星大气刹车的轨道示意图。与KSP里那种经常用力过猛、一不小心就变成直接再入扎地上的大气刹车不同，现实中的科学家显然不会那么绿皮，实际的大气刹车是个少量多次的过程，通过几十乃至上百次在大气上层通过来一点点降低速度。

样本捕获，封装和返回系统（CCRS）

来自NASA报告的CCRS设计，其安装在ERO顶部，在上面的ERO关键子系统列表中已经示出。注意ERO电池板完全展开时的大小。OS在被捕捉后，将由机械臂抓取，旋转90度向上送入EEV中，然后关闭舱口密封，完成EEV在轨自动装配。

ERO上的有效载荷任务系统由NASA负责研制，称为样本捕获，封装和返回系统（CCRS）。其主要包括两个模块：样本捕获与封装模块（CCM），及地球返回模块（ERM）。CCM包括用于捕获OS的捕获筒、用于引导ERO完成与MAV和OS的轨道交会的相关系统，以及将OS抓取后交付ERM的机械臂；ERM则包括用于将OS送回地球的地球再入飞行器（EEV，即返回舱）、EEV在轨的保护罩和用于OS在CCM和ERM间移动的转移通道。

如前所述，OS上没有任何电子控制与通信系统，因此在入轨释放后成为一个无控物体，并且由于其是光滑的近球形，可能带有不规则旋转，因而使得传统的使用机械臂抓取的捕获方案变得极为困难。NASA格伦飞行中心因此提出了使用捕获筒的捕获方案，ERO在交会后将通过机动用捕获筒兜住OS，然后关闭桶盖将OS封进桶里，再用机械臂抓取，这样就极大提高了捕获的成功率。

捕获筒设计的示意图，注意此时的ERO设计还是极为早期的概念。

地球返回飞行器（EEV）的设计继承了兰利飞行中心从上世纪90年代开始的“行星际样本再入器”项目，但其仍有独特的设计难点。除了采用直接撞击着陆方式外，与MSR探测器的每一个部分一样，EEV也有着严格的质量限制，设计要求包括OS在内的总重不超过100kg，而OS自己算上样本至少就有28kg，设计阶段按33kg的质量上限考虑。这意味着EEV要以极其轻巧的材料承受并缓冲直接撞地产生的预计不低于1,000g、姿态不利时可能达3,000g的巨大冲击，结构设计难度极高。此外，为了确保着陆点能落在犹他州沙漠预定的着陆场区，其不仅要以从火星返回时超过第二宇宙速度、高达12,000m/s的速度再入地球稠密大气，而且还要以像弹道导弹一样的陡峭角度直接扎向地球表面（与导弹一样，目的是为了打得比较准），相比正常再入较为平缓且缓慢的飞行轨迹，会承受更为剧烈的气动阻力和加热。

EEV的再入操作，来自JPL于2018年4月在柏林国际火星取样返回任务大会上所做的EEV设计概念介绍报告

由于双向污染控制对着陆阶段的可靠性提出了极其严苛的要求，因此如之前动态所述的，EEV为提高可靠性，决定省略一切设计复杂的电子/机械系统，完全采用被动气动稳定外形和自旋稳定来确保再入阶段飞行器的弹道稳定，并且直接省略降落伞以略去开伞这一复杂过程，采用结构吸能减震，撞击硬着陆的方式完成回收。也就是说，EEV是一个完全无控、自由落体的再入飞行器。这也就是所谓的“在硬件条件受限情况下的第二宇宙速度再入及着陆”。

EEV的研发从本世纪初开始，最早的设计是一个33厘米头部半径、半锥角45度的球锥形，采用PICA（酚醛浸渍碳烧蚀材料）作为隔热层，将OS整个包裹在球型的吸能材料层内部，并在隔热层和吸能材料层之间加入了复合材料三明治结构来进一步减震。这一设计仅进行了有限的分析便演进到了下一代设计，没有造出实物。这一设计上存在的一大问题是，出于气动稳定性考虑，EEV的重心必须位于隔热罩气动中心前方，因此不能在隔热罩上使用烧蚀隔热层，否则随着材料被烧蚀，位于前端的隔热层质量逐渐减轻，可能使EEV重心逐渐后移，导致其在再入中途失去稳定性开始翻滚。这也是EEV热防护和结构综合设计上的一大挑战。

EEV的早期设计方案

在2003-05年，EEV设计进一步演进，并开始进行包括气动、结构及模拟着陆冲击在内的一系列测试。这一阶段的迎风面热防护材料换成了碳-酚醛（CP）材料，背风面则换成了SLA-561V，此外还有碳-碳复合材料。气动外形也进行了调整，半锥角增加到60度，头部半径则尚未决定。在这一阶段MSR的样本质量还尚未明确，设计时EEV的总质量为44kg，包括5kg的样本容器。设计再入速度为11,560m/s，再入角-15°。

2005年时的EEV设计。由于原图分辨率奇差，可能有识别和翻译错误的语句，若有建议还望指出。

当前的EEV设计则是在2005年方案基础上引入了新概念的产物。其热防护系统选材基本未变，仍是PICA/CP和碳-碳复合材料，但使用范围则发生了比较大的变化。PICA和CP被用于包裹在样本容器周围的次级热防护系统上，而隔热盾则完全由碳-碳复合材料制成。气动外形上有半锥角45°和60度两个方案。在这一阶段MSR的载荷指标已经明确，EEV设计总重为80-150kg，包括一个12kg干重、最大总重33kg，直径28cm的样本容器。设计再入速度为11,500-14,500m/s，再入角-10~20°。

EEV设计包括如下几个主要组成部分：主热防护系统/气动外壳（Primary TPS/Aeroshell，也称为隔热盾）、收容确保模块（Containent Assurance Module，CAM）（怎么听着这么SCP……）及被收容的轨道样本容器（Contained Orbiting Sample，C-OS）。除此之外，还有在顶部及周围铺设的次级热防护系统（Secondary TPS）、垫在隔热盾和样本舱之间的热绝缘护垫（Thermal Isolation Pad，TIP）等部件。

当前的EEV设计，HEEET是一种3D打印的先进复合隔热材料，FRCI则是航天飞机上用于背风面的隔热瓦之一。

隔热盾是一个纯粹的热结构（也就是不需控制温度隔热，而完全依靠自身材料承受热载荷），由碳-碳复合材料制成，并通过热绝缘护垫避免隔热盾承受的高热传到样本容器上。改采用碳-碳复合材料作为隔热盾的理由是其的性能能提供更好的灵活性来面对再入过程中可能出现的各种突发情况或是在再入程序上可能出现的变更，尤其是近年来空间活动和小卫星的发展使得近地空间碎片显著增加，EEV在从深空返回的途中将有可能高速穿过空间碎片密集区域（这一点在之前那张EEV再入程序图上也已经有所体现），而采用碳-碳复合材料的隔热盾相比其他隔热材料将有更好的防撞能力。

哥伦比亚号：我信了你个鬼

……确实，因此在设计上次级热防护系统也有着足够大的冗余度，能够确保即便主隔热盾真的出了在再入中途被太空垃圾砸穿的大囍事，也不至于重演哥伦比亚号的流星雨。与隔热盾相比，次级热防护系统是隔热结构，需要保护在其包裹下的CAM/C-OS“冷”结构不受极端热载荷的影响，因此采用了常见的PICA/HEEET/CP/FRCI等隔热材料。

此外关于太空垃圾撞击问题，除了在结构设计上考虑被动承受撞击之外，NASA也计划届时与国防部和太空军合作，对EEV预计再入路径上有威胁的太空垃圾进行监视，并在必要时安排ERO在释放EEV之前进行规避机动。

收容确保模块（CAM）是EEV上用于容纳OS的部分，设计要求不仅能协助抵抗各种可能破坏样本容器密封性的恶劣环境，也要能简单可靠地开启和密封以将OS装入其中。CAM采用钛合金支撑结构，外部敷设次级热防护材料，内部有数十根类似自行车轮胎辐条的缆线连接在CAM壳体和C-OS外层壳体之间，将C-OS支撑在CAM的空隙中以起到缓冲作用，并将冲击载荷均匀传递到C-OS的壳体上来减少冲击。在缆线与壳体之间的空隙内则填充了蜂窝复合材料制造的变形吸能材料来缓冲撞地的冲击力。CAM的钛合金壳体可以有效地减少在撞击落地时被诸如岩石之类的锐利物体扎穿样本容器外壳的可能性。

被收容的轨道样本容器（Contained Orbiting Sample，C-OS）实际上是CAM的一部分，用于将OS紧密封装在其中，并通过缆线与CAM的其他部分连接。C-OS包括套在OS外面的两层壳体：初级收容容器（Primary Containment Vessel，PCV）和次级收容容器（Secondary Containment Vessel，SCV）。其中PCV包裹在OS的外部，在PCV打开的状态下，OS被装入，二者通过OS中央的一根伸缩减震杆对齐并连接在一起，随后PCV关闭密封，与OS一起形成“打断传染链”的完整收容密封环境；SCV则用于与CAM壳体通过缆线连接减震，并提供额外的密封和抗穿透能力。目前对于C-OS的具体设计方式还在研究中，是完全作为CAM的一部分还是与OS连接在一起仍有待具体确定，但最终封装在EEV里的结构布局已经基本上确定下来。

据JPL估计，EEV撞地时的平均过载将达到1,300G，如果姿态不利或是人品不好摔在了硬地上，则过载峰值可能达到3,000G。尽管如此，在采取了如上的层层密封措施之后，已经可以确信，有足够的安全性来确保即便在撞击着陆这种充满坎巴拉风格的设计情况下，OS中宝贵的火星样本不会像倒霉的起源号那样溅的满地都是。

起源号：我裂开了

事实上，JPL在犹他州靶场对EEV进行的空投试验表明，在模拟的着陆情境下，EEV摔在犹他州软沙地上的典型过载峰值只有550G，仅有设计值的一半。这个冗余度足以让人放心了。

此外JPL也在对其他各种不同的EEV/OS方案展开积极测试，力争在任务正式实施前拿出具备较高成熟度的EEV/OS设计方案。

EEV空投试验的连续照片，下为三次测试测得的撞击过载-时间曲线

尽管在包括EEV在内的CCRS各系统上都采用了尽可能简单可靠甚至是简单过了头的设计以降低风险，但独立调查委员会指出，CCRS的设计方案没有先例，关键技术均是全新研发，因此需要复杂的测试和认证流程才能确保其有足以使用的成熟度。此外由于CCRS也是MSR任务中极为关键的一个部分，任何组件遭遇技术瓶颈都会导致CCRS的研发被拖累，进而拖累整个项目。同时从目前的资料来看，ESA在设计ERO平台时，仅仅是将CCRS设定为搭载在ERO平台顶部的一个模块，而没有针对ERO与CCRS系统的匹配结合进行充分的沟通与适应设计。远期来看，这些都是有可能存在问题的地方，有待在日后的A阶段及正式研制工作中进行调整和改进。

目前MSR项目正在以较为顺利的状态推进当中，预计2021年进入A阶段研制的目标将按计划实现。尽管当前的MSR仍然存在一些问题并面临超支和推迟的可能NASA和ESA做的大项目有几个不推迟不超支的？，但无论如何，这是火星取样返回，这个人类长期以来的梦想，离现实最近的一次。

我们期待着，在不久的，MSR的后续任务，能够如期发射并顺利抵达火星，最终将样本安然送回地球，将这陪伴了人类多年的梦想带回它所诞生的行星。我们也期待着，在未来的某一天，OG的六位姑娘，也能像MSR那样，肩负着自己的梦想摆脱束缚，踏上远方征途，最终安然归来，回到我们身边。

Godspeed, MSR. Godspeed, Our girls.

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