天问一号还在火星出差，天问二号飞向了小行星，那么天问三号会干什么？

答案是：火星采样返回。

日前，《自然-天文学》发表的一篇“展望”文章介绍了天问三号的任务详情：它计划于2028年发射，2031年前后返回地球，从火星采集至少500g样本，或许将给我们提供有关地外生命的信息。

火星，人类寻找地外生命的第一站

火星长期被视为地球之外最具生命潜力的行星，不仅是因为距离近，还因为它在很多方面都很像地球，例如相似的公转和自转周期、相似的自转轴倾角和季节变化、相似的固态岩石表面等。远古时代的火星具备和地球相似的地貌地形，多项科学证据也显示，早期火星曾存在稠密大气、地表液态水和活跃的地质过程，具备适宜生命形成的条件。

但后来火星走上了与地球不同的发展轨道——大约36亿年前，火星进入地质“冻结期”，火山活动减弱、全球磁场消失，逐渐转变为现今寒冷干燥、大气稀薄的环境。同时，相比于地球，火星没有经历过全球性的板块构造运动，也没有拥有过全球性的海洋，无论是板块运动还是全球性海洋带来的侵蚀和沉积过程，都会让老地层消失、新地层出现，火星上这两种过程的缺失，让火星上保存了大量极为古老的地层。很多甚至可以追溯到太阳系形成早期，这都为科学家寻找宇宙演化和生命起源提供了便利的条件。

过去60多年来，全球共进行了40余次火星探测任务，绘制了全球尺度含水矿物分布、着陆点区域的甲烷和有机物等特征，这些发现不断在增加火星早期宜居性的可能性。但截至目前，火星是否曾存在生命仍然没有确凿的答案。要破解这一谜团，带回采样样品并开展高精度分析十分必要。

火星与火卫一 图片来源：NASA官网

许多国际航天机构已将火星采样返回任务列为优先事项。例如由美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）联合开展的相关火星探索计划，目标是最早于2031年返回约600g火星样本。日本的火卫一探测任务（Martian Moons eXploration mission），目前计划于2026年发射，将在火卫一（Phobos）着陆以研究其成分和起源，从而间接了解火星。

天问一号成功实现中国首次火星登陆之后，中国也开始了“火星采样返回”的探索。

去火星，再回来，天问三号的旅行计划

根据计划，天问三号任务将于2028年前后通过两次发射完成火星着陆与样品返回，预计通过地表铲取和深度钻探（钻深2米）收集不少于500g火星样品，然后在2031年前后将它们带回地球。

为了实现“从火星带回样本”的目标，任务被分成了多个环环相扣的阶段。接下来我们一起看看，它到底是怎么完成这场地球与火星之间的“往返之旅”的。

天问三号任务流程示意图（图片来源：航天局官网）

从具体流程来说，将会包括组合体发射、地火转移、火星捕获、火星着陆、火面采样封装、火面起飞、交会捕捉、火地返程、返回地球等多个步骤。大致分为以下几个阶段：

发射与入轨阶段，天问三号探测器将由着上服组合体（着陆器、上升器、服务器）和轨返组合体（轨道器、返回器）组成，计划分别用两次长征五号（CZ-5）运载火箭发射，在2028年的发射窗口期间将它们送至火星轨道。其中，轨返组合体将在高度约350公里、倾角约30°的近圆形火星轨道上停留约11个月。而着上服组合体将在火星降落，并在火星地面运行约两个月。

天问三号返回器示意图

下降与着陆阶段，天问三号将遵循与祝融号在火星成功着陆相同的程序。也就是说，着陆器就位后将保持静止，而在着陆点附近采集的目标样本将被封装并装入上升飞行器，上升飞行器将升空并在火星轨道上与返回舱交会对接。

火面采样封装阶段，任务目标是采集至少500g火星样本，包括地表物质、来自2米深钻孔的深层样本以及使用小型飞行器进行的移动采样。

地表采样将由着陆器上的机械臂进行，可在表面1.5米半径范围内采集多个样本。深层样本将使用安装在着陆器上的钻机，在地下2米深度提取样本。小型飞行器将进行移动采样，收集岩石样本。所以最终的理想样本中将包括不同类型的岩石、岩石碎屑和松散土壤。

地表和深层采样系统的设计借鉴了嫦娥五号和嫦娥六号任务积累的无人地外自动采样返回的成功经验，例如采用了嫦娥五号任务的采样封装系统。

返回地球阶段，在火星轨道交接完样本之后，“天问三号”的轨返组合体将启程返回地球，这段路程也将持续几个月。在再入地球大气层的过程中，也将借鉴嫦娥五号和嫦娥六号任务积累的返回经验，期待它们可以安全返回。

天问三号任务示意图 图片左侧显示了配备用于生物特征分析的钻探和铲挖有效载荷的着陆器构型。图片右侧显示了部署在远处（操作范围：>100米）用于岩石采样的无人飞行器。所有样本将上升至轨道器。右下角的层状结构为火星风化层内潜在的成分分层示意。

在火星挖土，是个技术活

天问三号设计了覆盖任务全过程的“全链条探测策略”，包括“采哪里”“选哪些”“怎么采”“如何用”四大关键研究模块。具体来说就是，为了找到最有可能留下生命线索的地点，科学家要先选好“在哪采”。然后，要保证样本不被污染，从火星一路封存带回地球。

首先是着陆点的选取。着陆点必须符合两个条件：一是科学价值高（所选地点应有利于生命痕迹证据的出现和保存），二是技术上安全可降落。因此，科学们总结的着陆点必须满足以下标准：相对于椭球体（国际天文学联合会参数）高度为3公里，纬度在17°N至30°N之间，坡度不超过8°，岩石丰度<10%。

科学家们从最初的86个初步着陆点开始筛选，排名靠前的候选区域主要位于卡塞峡谷群 (Kasei Valles)、麦克劳林陨石坑 (McLaughlin Crater)、小山陨石坑 (Oyama Crater) 和乌托邦平原 (Utopia Plantia) 附近。这些古老的地质构造包括各种环境类型，如地表和次表层热液环境、沉积环境以及成岩蚀变区域。在这些区域发现了大量具有代表性的火星矿物，超过一半的潜在着陆点有裸露的粘土矿物。这为研究当地水循环历史并获得可能的生物特征提供了有利环境。

天问三号潜在着陆点的大型区域列表

随后，科学家们将详细检查临时着陆区的宜居性。该分析将侧重于液态水存在的持续时间和范围、含水矿物的分布、沉积环境、地层学、区域古气候以及水-岩相互作用。评估将识别可能有利于生命存在和发展的特定条件。然后将选择关键的子区域作为潜在着陆点，并在这些区域内确定适合环境采样的位置。目前，任务团队正基于火星轨道数据与地质模型，开展着陆区选址论证。

为保证从火星带回来的样品“原汁原味”，特别要保证里面可能存在的任何生命痕迹与化学特征信号不被破坏，天问三号构建了一条全流程样品原始性保真链条。整个任务将严格遵守空间研究委员会（COSPAR）行星保护政策，这是太空版的“防疫规定”，主要做到三点：保护火星（确保我们从地球带去的物质不会污染火星环境）；保护样本（确保火星样本不被地球物质污染，保证研究结果真实可靠）；保护地球（小心谨慎，防止可能存在的未知火星物质对地球造成任何风险）。

地球上的火星样品实验室效果图

要想挖到火星土，天问三号要过哪些关？

天问三号的目标包括科学、技术、工程三方面。

在科学上，要探寻火星潜在的生命痕迹，探研地质和内部结构特征，探查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。

在技术上，要突破火星起飞上升、环火交会、行星保护等关键技术，形成火星取样返回能力。

在工程上，要在2031年前后实现火星样品返回地球。

在这些目标的具体实施上，面临着多项挑战。

在科学上，最大的问题就是我们还不知道生命会留下什么痕迹，如何识别这些痕迹，以及如何选择可能富集生命痕迹的降落地点等等。

技术难点更多，要在火星表面完成不同形式的采样（地表、地下、远处），需要复杂的设备；把采集好的样本从火星地面发射升空，也需要一枚能可靠飞行的小型火箭；而更难的是，这个火箭还要在火星轨道中精准对接到等候的返回舱上。

面临的工程挑战是：由于任务复杂，设备多，但运载火箭的能力有限，要如何选择设备、精简设备会是一个大问题。此外，我们还必须保证火星样本不被地球污染，也不能污染地球，这就需要建立严格的“行星保护系统”，这也是严峻的考验。

而具体到火面采样、火面起飞上升、环火交会捕捉的三个核心关键环节中，也都有各自的挑战：

火面采样时，会遇到很多问题，比如样品特性未知（土壤是松软还是坚硬不确定）；风沙环境复杂（火星经常刮起沙尘暴，而且刮多大，什么时候刮都难以预测，这会影响太阳能供电系统和采样机械的准确度，甚至会让任务中断）；对设备的自主性要求高（因为火星和地球距离远，信号来回就要半小时左右，机器人不能总是依靠远程遥控，因而对设备的智能要求比较高）；样品原始性保证难（采集样本时，火箭起飞时喷出的气体会把尘土带起来，这些尘土可能会落在样品上，造成污染）等。

从火星地面起飞，把样本送上火星轨道，也是一件极具挑战的事。首先是火星的引力比月球大一倍多，意味小型火箭必须提供比月球上的返回式火箭更大的推力。其次，火星的大气非常稀薄，只有地球的百分之一，这让飞行过程中几乎没有空气可以用来帮助稳定方向和提供升力，上升器会非常难控制。此外，火星表面的温度变化剧烈，白天和夜晚可能相差上百摄氏度。要而保证发动机在低温下也能正常工作，对发动机保温和材料稳定性的要求都很高。最后，上升器的空间和重量非常有限，既要装样品、装燃料、还要能自动对接返回器，因此必须做到轻便但推力大。

把火星样本送上火星轨道之后，依然会面临一个巨大挑战：返回器必须发现并准确与样本容器成功对接。

与地球上的太空对接不同，火星过于遥远，对接过程中无法远程完成，必须依靠设备自己完成；另外，由于样本容器很小，在太空中反光弱、方向还可能乱转，要精准锁定它的位置和姿态非常困难；而返回器还需要一边飞一边找目标，识别难度更高。最后，由于空间和重量限制，这次任务不能使用太复杂的对接设备，只能靠轻量化、自动化的方案来完成这场太空接力。每一步都要极其精准，否则就可能错过唯一的对接机会。

要完成这些目标，我们需要的不仅是样本本身，还需要一整套高精度的分析仪器。接下来我们将聊聊天问三号上要搭载的各种先进仪器。

除了采样仪器，还有哪些仪器也要去火星？

目前，天问三号规划配置6台科学载荷，分布在着陆器、服务器和轨道器上。它们都服务于原位探测和深层及表层样本的采集，能够通过多层次、多中心的方法对火星表面、大气和空间环境进行全面探测。

1. 着陆器上的“侦察兵”

初步选定的着陆器科学载荷包括火星次表层穿透雷达和火星拉曼与荧光分析仪。

次表层穿透雷达相当于火星地下扫描仪，就像给火星做B超，它能看透地表下几米深的结构，帮助科学家选择最理想的钻探地点，并在钻探时实时监控钻头位置，确保操作安全有效。

拉曼与荧光分析仪可以用激光照射火星岩石和土壤，通过分析反射的光就能快速检查出里面含有什么矿物（比如硅酸盐、氧化物）甚至有机物和水合矿物。这能直接帮助科学家在现场判断哪些样本最有研究价值（比如可能蕴含生命线索或水的痕迹），指导采样目标的选择。

2. 服务器上的“太空环境监测员”

初步选定的服务器科学载荷选项包括沉降高能中性原子与极光分析仪和火星轨道器矢量磁力计。

沉降高能中性原子与极光分析仪用于监测火星大气流失状况。火星不像地球有强磁场盾牌，高层大气很容易被太阳风吹走。这台设备专门监测这些来自太阳的高能粒子流，研究它们如何冲击火星大气层、产生极光，并导致火星逐渐失去大气和水。这对理解火星如何从一个可能宜居的星球变成今天这样至关重要。

轨道器矢量磁力计的设计继承自天问一号，可以精细测量火星周围微弱的磁场变化，绘制火星磁场地图。这有助于研究火星内部结构、残留磁场如何与太阳风相互作用，以及火星电离层的情况，为理解火星空间环境提供基础数据。

3. 轨道器上的“气象与测绘员”

初步选定的轨道器科学载荷则包括中红外高光谱成像仪和火星多光谱相机。

中红外高光谱成像仪专门探测火星大气中的水（H2O）及其“重水”形态（HDO）的含量和分布。通过测量两者的比例（D/H比值），它能追踪火星水的循环历史（比如水是如何逃逸到太空的），是理解火星气候变化的关键。

多光谱相机的主要任务是充当“天气预报员”，持续监测火星全球的沙尘活动、云层和地表状况。这些信息对于预测沙尘暴、确保后续着陆器安全降落和上升器从火星表面顺利起飞至关重要。同时，它也能提供有用的火星表面图像数据。

2025年4月24日，在第十个“中国航天日”启动仪式上，我国国家航天局面向国际社会发布了《天问三号火星取样返回任务国际合作机遇公告》，共开放天问三号探测器20kg质量资源，与国际同行共同开展火星探测与研究。此次开放的天问三号国际合作载荷资源包括不超过15kg的轨道器资源和不超过5kg的服务器资源，我国将展开怀抱，欢迎国际伙伴参与天问三号任务，共同探索火星奥秘，拓展人类认知。

结语

现在你该知道，天问三号将完成前无古人的火星采样任务，具有极强的复杂程度和极高的技术要求。但正因为其难，所以更值得我们去挑战困难，去克服问题，去引领全人类更好地认识我们身处的宇宙。

论文链接：

Zengqian Hou*, Jizhong Liu*, Fuchuan Pang*, Yuming Wang*, Yiliang Li, Mengjiao Xu, Jianya Gong, Kun Jiang, Zhizhong Kang, Yangting Lin, Jia Liu, Yang Liu, Yang Li, Liping Qin, Zhenfeng Sheng, Chi Wang, Juntao Wang, Guangfei Wei, Long Xiao, Yigang Xu, Bingkun Yu, Renhao Ruan, Chaolin Zhang, Yu-Yan Sara Zhao, Xin Zou, In search of the signs of life on Mars with China’s Mars sample return mission Tianwen-3, Nature Astronomy 9, 783–792 (2025). https://doi.org/10.1038/s41550-025-02572-0

作者简介

苏子安，北京航空航天大学。