宇宙的下一场“马戏表演”：把火星岩石带回地球
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编者按：NASA与欧洲宇航局开展了合作项目，计划将从火星上带回一些岩石等地质材料进行深入研究。他们于7月30日发射了此次项目的任务执行飞船“毅力号”，明年若其在火星登陆成功，那么该科学团队预期将在2031年把研究样本带回地球，以供研究。本文译自原标题为“Bringing Mars Rocks to Earth: Our Greatest Interplanetary Circus Act”的文章，本文作者 Kenneth Chang。
图片来源：Miguel Porlan
向火星发射一个机器航天器，抓点儿岩石和泥土，然后把它们带回地球。
这有多难呢？
这要比你想的更像一场星际马戏团表演，但NASA和欧洲航天局表示，现在，终于到了这个复杂的“表演”登场的时候了。他们最终将通过航天器把火星的岩石在2031年带回地球。
“在这么做了一段时间之后，科学界不由得对此产生了浓厚的兴趣，”NASA火星探索项目负责人詹姆斯·瓦津（James Watzin）说。
在过去的几十年里，机器人探测器为人类展现了一个愈发复杂的火星图片，但行星科学家却受到了航天器所能承载的科学知识的限制。
“机器人只能携带这么多仪器进入现场，”瓦津说。“要在细节层面真正深入研究一些有趣的问题，意味着我们需要在分子层面上分析证据，并试图从非常非常古老的材料中梳理出信息。这就需要一整套仪器，但由于这些仪器太大了，没办法缩小带上飞船发射到另一个星球。”
全球的科学家将会利用世界各地实验室中最精巧的设备，对那些从火星带回来的岩石进行深入研究和检测。
这个宏伟事业的第一步，也就是NASA的下一个发射火星的漫游者——“毅力号”将会从火星带回样本。它于今年7月30日发射升空，目的地是Jezero陨石坑，在约35亿年前，这里曾是一个湖泊，是一个很大可能保存火星上过去生命迹象的地方。
“毅力号”的关键任务之一是钻39个岩心，每个岩心宽半英寸，长2.4英寸，这些岩心看起来挺有意思的，也值得进行更深入的研究。每个岩石和泥土样本重约半盎司，它们被密封起来，装在一个超细的就跟雪茄那么大小的金属管中。
但最初，NASA其实没想把这些管子带回地球的，但“毅力号”也不可能把岩石扔掉。
三年前，美国宇航局加州喷气推进实验室的一个团队里的工程师想更细致的研究火星样本，缘于此，带回样本进行研究才被提上了日程，随后他们便开始计划在2026年发射回收航天器并在三年后将样本返回的可能性。
而后来，他们发现，这个计划还是有点太理想化了。
但如果登月计划被推迟到2031年，这个计划似乎又是可行的。“我们真的觉得我们可以做到，”瓦津说。
特朗普政府向NASA提出的2021财年预算的要求中，包括用于继续研发的2.33亿美元，两年前它们收到了用于初步研究的5000万美元。6月，欧洲航天局的22个成员国批准了与美国宇航局的合作。
“毅力号”小组已经开始对那些将会带回地球的火星物质进行了一些相关的初步研究。
“毅力号”团队的科学家肯尼斯·法利（Kenneth Farley）说：“我们更加关注如何正确地完成这项工作，我们的思想已经从‘是的，总有一天这些样本会被采集’转变为‘是的，它们可能很快就会被采集’，这是个挺大的进步。”
航天局官员还没有宣布花费的总额，但预计成本将达到数十亿美元。
喷气推进实验室中负责样本返回设计方案的布莱恩·k·穆尔黑德（Brian K. Muirhead）说：“我们正努力将成本控制在目标范围内。我们估算过了，几十亿美元这个数目就是我们认为的目标范围’，并且截至目前，NASA也表示没什么问题。“
如果一切按计划进行，2026年将有两艘宇宙飞船飞往火星。其中一个是美国宇航局制造的着陆器，它将会成为有史以来，在火星表面放置的最重的运载工具。它将会携带一个由欧洲人建造的探测车来提取岩石样本，随后通过一个小型火箭，岩石就会被发射到火星轨道上了。
着陆器先会绕火星轨道飞行两年，在2028年8月的时候抵达火星，也就是火星春天的开始。然后，由太阳能提供动力的火星探测器将从着陆器上滚下来，冲过去收集一些岩石样本，随后把它们带回着陆器上。然后，这些样本将被自动转移到火星上升运载火箭的顶部，随后火箭就会把这些岩石样本从火星发射出去。
第二个航天器，即重返地球轨道器将会由欧洲航天局组织建造。它将在着陆器到达之前进入轨道，并以更快的路径到达火星。这将使轨道飞行器在着陆器飞向地面时充当与着陆器通信的中继。
火星上升飞行器里将会存放一个足球大小的容器，里面装着火星岩石的取样，它会在离火星表面约200英里的地方环绕火星旋转。然后轨道飞行器必须找到这个容器，就像棒球外野手追逐飞球一样。轨道飞行器将跟踪火箭的发射，但为了简单起见，容器本身没有任何推进器或无线电信标。然而，它被设计成白色了，以便在黑暗的太空中更容易被发现。
穆尔黑德说：“如何找到这个容器显然是关键问题之一。一旦我们知道它的轨道在哪里，匹配就很容易了。”
轨道飞行器上的一扇门会被打开来捕获容器。然后，轨道飞行器内部一个1000磅重的精巧装置会旋转并将容器滑动到飞船内部合适的位置，尽量防止来自火星的任何东西污染样本容器之外的任何东西。
轨道飞行器随后将离开火星。当它接近地球时，会将火星样本弹射出来。样本被安装在一个叫作“重返地球”的飞行器中，在飞入地球后，将与犹他州的沙漠相撞。
有一个工程师认为，降落伞是一个没有必要的且相对复杂的设计。因此这个形似大草帽的“重返地球”飞行器将以相当于高速公路车祸的速度，即每小时90英里去撞击地面。
这些用于科学研究的大件儿——岩石和泥土，还挺坚硬的，一点儿也不脆——会很容易在这次撞击中幸存下来。
但还有许多细节，比如着陆器将在哪里降落，还没有最终决定。如果“毅力号”的工作状态依旧比较好，那它可能会继续前往 Jezero外一个可能有地热温泉的地方，这种环境相对来说比较可能孕育出生命。
但是，做出这些决定也用不了几年，而且除非“毅力号”在Jezero能进展的比较顺利，否则他们也给不了一个清晰明确的答案。
如果带回来的东西其中有损坏的，任务也不一定算失败。“毅力号”可能会在过程中丢掉一些样管，以防止在随后的任务中出现故障。如果探测器坏了，那么“毅力号”还可以把样本带回着陆器。
即使轨道飞行器任务执行失败，装样本的容器也可以在火星上盘旋数年，直到有另一艘航天器被送往火星去带它回来。
穆尔黑德说：“作为这个宏伟计划的缔造者，我会从运营的概念出发去思考整个过程，发展出能实现不同阶段目标的概念，并确保每个环节都留出一些能供商量协调的空间。这样的设计才相对比较牢靠。”
译者：Hailey
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