天问三号全梳理：中国/人类首次火星采样返回

1. 探测器组成

图1：天问三号探测器系统组成｜第四届中国空间科学大会：天问三号任务总师刘继忠报告《天问三号科学目标与实现》

1.1 着上服组合体 (LAOC, Lander-Ascender-Orbiter-Combination)

 • 着陆器：

着上组合体（LAC）的主体部分，因肩负火星进入、下降和着陆飞行的重担，也可称为进入舱。采用与天问一号着陆器相似的设计，从上到下由背罩（带降落伞）、着陆平台、隔热大底三部分构成，其中着陆平台配置有贮箱与发动机、四支着陆腿、火星取样机构、样品封装与转移装置、上升器基座及发射装置，并搭载了一架采样无人机。主要负责携带上升器着陆火星，开展火面取样作业，将样品转移至上升器中，为上升器提供发射平台。其火面工作时长约3个月。

图2：着陆器基本结构｜参考资料[9][10]

 • 上升器：

一枚仅数百公斤重的微型两级串联火箭，采用一级固体+二级液体构型，无长期在轨飞行能力。主要负责从火星表面起飞，将携带的样品容器送入环火轨道并释放，供轨返组合体交会捕获。

 • 服务器 (MO, Mars Orbiter)：

本质上是一个火星环绕器，在轨寿命>4.5年，平台外形为圆台体，配置有推进剂贮箱、姿轨控发动机、高增益通信天线和一对横向的双板太阳翼。承担的任务与天问一号环绕器类似。主要负责LAC在地火转移、制动捕获、环火停泊、离轨分离阶段的飞行控制，在LAC分离着陆后，为其提供火星中继通信服务，同时开展环火科学探测。

1.2 轨返组合体 (ORC, Orbiter-Returner-Combination)

 • 轨道器 (ERO, Earth Return Orbiter)：

ORC飞控主体，在轨寿命>5年，平台外形为四棱柱体，配置有推进剂贮箱、姿轨控发动机、高增益通信天线和一对纵向的三板太阳翼，具备高精度自主交会能力。主要负责携带返回器飞往火星+飞回地球，为在火面采样作业的LAC提供中继通信，交会并捕获上升器样品容器，并在火星停泊期间开展环火科学探测。

 • 返回器：

造型与天问二号返回器相似。主要负责接收轨道器捕获的样品容器，并在任务最后阶段携带样品再入返回地球。其在轨飞行时长约2年8个月，也即天问三号的主任务时长。

图3：天问三号探测器组成｜国家航天局

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2. 有效载荷（已知7台）

2.1 着陆器（2台/工作寿命>3个月）

1️⃣拉曼-荧光光谱仪：≤5.5kg，≤60W，探测距离1.2~2m，具备拉曼+荧光光谱探测能力及显微成像功能，光谱范围从紫外覆盖至中红外波段，可获取采样区表面物质中的硅酸盐、氧化物、含水矿物和有机物等成分数据，为采样目标遴选和着陆区研究提供原位观测数据支撑。

2️⃣超宽带探测雷达：≤4kg，≤15W，频段0.8~2.8GHz，探测深度≥2m，深度分辨率≤5cm，具备单极化探测与三维成像功能，可获取着陆区浅表层分层地质结构数据，为火星的水-岩石-大气演化研究及钻取采样提供信息支撑。

图4：天问三号工程的6台科学载荷｜国家航天局

2.2 服务器（2台/工作寿命≥2火星年）

3️⃣沉降ENA极光探测仪：≤5.6kg，≤20W，探测火星大气沉降中性粒子、质子极光、拾起离子，为研究火星大气逃逸过程随太阳活动的变化规律提供支撑。

4️⃣高精度矢量磁强计：≤7.0kg，≤5W，测量范围0~10000nT，精确探测火星空间磁场环境，为研究太阳风与火星大气逃逸规律提供支撑。

图5：天问三号有效载荷详细介绍及性能参数｜国家航天局

3.3 轨道器（3台/工作寿命>5年）

5️⃣中红外超精细成像光谱仪：≤10.5kg，≤70W，光谱范围2.4~3.8μm，光谱分辨率≤0.2nm，具备中红外高光谱成像观测能力，可获取火星10-80km大气中水汽 (H2O+HDO) 和挥发分的剖面数据（同位素面测量精度约±1000‰）。

6️⃣火星全球多色相机：≤1.5kg，≤20W，波段数>7，空间分辨率优于2km，获取火星表面和大气宽视场多光谱成像数据，探测分析火星全球沙尘暴活动，从而实现至少提前1天的火星沙尘预报。

7️⃣激光外差光谱仪：合作搭载载荷，由中科院合肥物质院、澳科大、港中大联合研制，探测火星大气水汽及其同位素廓线分布（同位素线测量精度±100‰），获取火星全球大气风场分布数据（测风精度2.5m/s）。

图6：激光外差光谱仪载荷信息｜央视新闻

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3.科学目标与关键问题

3.1 科学目标

探寻火星潜在生命痕迹，刻画火星地质和内部结构特征（及其活动过程），厘清火星大气循环与逃逸过程（气候及环境演变），揭示类地行星宜居性演化历史。

3.2 九大关键科学问题

1️⃣样品中生命痕迹的特征、保存能力及其意义；

2️⃣火星地壳的物质组成，

3️⃣古老火星幔的物质组成与演化，

4️⃣火星撞击通量、地质构造活动时间分布，

5️⃣火星样品与核幔壳成因和早期深部演化；

6️⃣火星表面水环境演化，

7️⃣火星大气沙尘与水活动，

8️⃣太阳风与火星大气逃逸，

9️⃣火星水和挥发分的时空演化。

图7：天问三号科学探测主题｜天问三号第三次科学与应用会议报告

图8：天问三号任务工程总体架构｜2025年中国航天大会：天问三号任务总师刘继忠报告《火星取样返回的挑战与突破》

图9：天问三号任务基本飞行流程｜参考资料[2]

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4. 发射 (2028.11-12) 与地火转移

2028年底，使用两发长征五号运载火箭，先发射ORC，再发射LAOC，两次发射间隔24天。

两组合体均采用能量最优的0.5圈地火转移方案，深空飞行8个多月后，于2029年三季度抵达火星。二者在转移期间的中途修正或深空机动，分别由轨道器和服务器执行。

图10：天问三号发射方案｜2025年中国航天大会：天问三号任务总师刘继忠报告《火星取样返回的挑战与突破》

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5. ORC火星捕获+大气制动+环火飞行（2029.8-2030.10）

ORC全任务速度增量 (ΔV) 需求约5km/s，但其推进系统所能提供ΔV低于此值，故在完成火星捕获进入大椭圆环火轨道后，需借助火星大气辅助减速（采用大气制动方案：在大椭圆轨道近火点多次穿越火星90~120km高空稀薄大气，耗时至少3个月，累计可降低1km/s以上的速度），逐步降低远火点高度，使ORC进入用于环火交会的近圆工作轨道 (350km/30°)。随后，将在此轨道上飞行约11个月的时间，期间将开展环火科学探测，并按需提供中继通信服务。

图11：大气制动三阶段过程示意｜参考资料[3]

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6. LAOC火星捕获+火星停泊（2029.9-2030.7）

由于LAOC到达时，火星正处于北半球秋分，即将进入尘暴季节，因此需环火停泊飞行近一年，待到2030年7月（火星北半球春分）前后方可着陆。

服务器环火轨道为400×76000km/54°的大椭圆轨道，设计留轨探测时间约2个火星年（3.76个地球年，其中发射至火面起飞前>22个月为主任务，之后为拓展任务）。

图12：天问三号任务期间的火星尘暴季节及日凌时段：2029.9-2030.6｜天问三号早期PPT

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7. 火星进入/下降/着陆（2030.7）

天问三号LAC继承了天问一号的气动外形减速、伞系减速、动力下降和着陆缓冲四级减速EDL方案（具体过程参见下图），但由于初始进入质量和弹道系数增大，需进一步优化完善设计。

1️⃣气动减速：采用“弹道-升力式”进入方式，需采用耐高温大承载能力的轻质防热和承力结构，可能仍有配平翼（提高升阻比），也可能配备充气式或半刚性机械展开式减速系统（降低弹道系数），进入时可使用光学导航等手段以提高着陆精度；

2️⃣伞系减速：宜使用更大的单级“盘-缝-带”伞；

3️⃣动力下降：要求具备较大的水平机动能力，以消除开伞造成的着陆水平误差 (≤10km) 增大。

图13：2021年5月15日天问一号着陆器的EDL过程

着陆点约束条件：

1️⃣火星椭球高<-3km

2️⃣纬度17°N~30°N

3️⃣坡度平均≤8°

4️⃣岩石含量/陨石坑密度平均≤10%等

图14：天问三号候选着陆区｜参考资料[2]

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8. 火面工作-取样/封装/转移（2030.7-9）

火面工作时长约3个月，取样目标质量≮500克，采用表取+钻取+移动采样的复合采样方案。

图15：天问三号火面采样特点｜2025年中国航天大会：天问三号任务总师刘继忠报告《火星取样返回的挑战与突破》

1️⃣就位/器基表取（多点表面采样）：火表及浅表层采样，采集不同岩屑、沉积物及气体样品，由着陆器上的多自由度机械臂执行，该机械臂可在地表半径1.5m范围内铲挖多份样品，计划铲取400克以上的表土样品。

图16：天问三号采样返回任务要素｜参考资料[2]

图17：火星采样钻的组成｜参考资料[4]

图18：火星采样钻具工作过程｜参考资料[4]

2️⃣就位/器基钻取（深度取样）：次表层采样，获取可为研究火星演化过程提供完整时间序列的样品，宜采用PDC斧形刃钻头（下图所示之钻头C），目标钻深2m，预计用时100min，采样体积为φ19×36mm (10.2ml)。

图19：3种火星采样钻头试验后的损伤情况｜参考资料[4]

图20：3种火星采样钻头试验后的损伤情况｜参考资料[4]

3️⃣移动表取（无人机辅助采样）：岩石采样，收集不同类型的岩石、岩石碎片及松散火壤样品，完善样品多样性，利用一架四旋翼无人直升机（由哈工大研制）进行抓取，采样范围≮100m。

图21：火星采样无人机方案｜哈工大最新公开专利[11][12]

图22：天问三号采样返回任务要素｜深空探测实验室

图23：不同地外天体采样方式与样品密封封装方式对比｜参考资料[5]

样品封装系统继承自嫦娥五/六号（软金属挤压+弹性体压缩的复合式密封方案），由航天五院510所研制。其密封装置如下图所示，采用轻量化设计，体积小，整机重量<2.5kg，适用温度范围为±150℃，并具有抗力学、抗空间辐射、抗火表尘暴的性能。

样品转移则主要通过机械臂实施。

图24：天问三号采样封装分系统密封装置｜参考资料[13]

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​9.火星表面起飞上升（2030.9）

图25：火面起飞上升面临的挑战｜2025年中国航天大会：天问三号任务总师刘继忠报告《火星取样返回的挑战与突破》

上升器起飞质量≯360kg，ΔV需求达3.8~4.5km/s，宜选择“一级固体+二级液体”推进系统，采用“低冰点推进剂 (MON-25/MMH) +电加热”方案。火面发射方式尚不明确，已知五院501部和北理工在弹射冷发射与热发射两种方案上均开展了相关的论证和研制工作。

图26：4种火星上升器推进方案对比｜参考资料[1]

火面起飞上升主要流程：

1️⃣一级固发采用闭环制导，点火工作约1分钟，期间，俯仰+偏航姿控由一级TVC负责，滚动姿控由二级RCS负责；

2️⃣一级关机时速度达2.3km/s以上，随后进入约7分钟的滑行段，此时三轴姿控开始完全由二级RCS负责；

3️⃣滑行段临近结束时，一二级分离，二级点火，约3分钟后入轨。

图27：天问三号上升器研制情况｜2025年中国航天大会：天问三号任务总师刘继忠报告《火星取样返回的挑战与突破》

图28：火星上升器气动冷弹射发射方案 ｜参考资料[14]

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10. 环火轨道交会及样品交接（2030.9-10）

主要分为3个阶段：调相段→交会自主控制段→样品捕获及转移段。

图29：火星交会与月球交会对比｜参考资料[1]

由于上升器尺寸及质量过小，可配置资源受限，无法进行直接对地通信、定轨变轨、主动交会对接等操作，不具备在轨长期生存能力，因此二级入轨后不久便会抛出样品容器。此后，导航信标将伴随二级在轨工作26天，提供上升器初始入轨位置给ORC，二者初始相对距离约900km。

图30：天问三号环火交会捕获的难点｜2025年中国航天大会：天问三号任务总师刘继忠所作报告《火星取样返回的挑战与突破》

图31：火星采样样品容器｜参考资料[8]

分离后的样品容器无姿控能力，存在目标小（容器反射面小）、自旋不可控、姿态不确定性大、识别难等特点，基本相当于非合作目标，故而需要ORC具备较强的全自主快速交会能力（合理配置光学+雷达敏感器，建立火星自主导航+远距离大动态范围相对导航+近距离相对位姿测量的组合导航体系），配置小质量大容差的一体化被动捕获与转移机构（如下图所示由八院805所设计的一种≤12kg的捕获定向一体化机构），使之能尽快接近、抓捕样品容器并实现消速及正姿，最终转移至返回器内完成防热密封封装、固定和防护。

图32：样品容器捕获/正姿/转移一体化机构｜参考资料[1]

图33：样品捕获定向机构样机及容器正姿与转移试验｜参考资料[8]

图34：火星样品捕获回收系统概念 ｜参考资料[8]

火星样品交接完成后，ORC进入环火等待阶段，待火地转移窗口到来时实施火地入射，随后进入为期8~9个月的火地转移飞行阶段。

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11.地球再入返回（2031.7）

ORC飞回地球附近后，返回器与轨道器分离，执行地球再入实现样品回收。

轨道器在两器分离后升轨，随后将继续飞行，执行拓展任务。

图35：天问三号任务的13个飞行阶段｜2025年中国航天大会：天问三号任务总师刘继忠所作报告《火星取样返回的挑战与突破》

返回器宜采用弹道式再入方式（如采用弹道-升力式再入，将超重到300kg以上）。具体的再入返回方案有两种：一是配置降落伞的“起旋进入+气动外形减速+降落伞减速+结构缓冲”，其着陆速度相对较低 (~10m/s)，返回器质量可控制在50kg以下；二是在前者基础上去掉“降落伞减速”环节，则着陆速度和峰值过载较大 (~40m/s+3000g以上)，抗冲击要求高，质量规模相对较大。最终选择的方案大概率是带降落伞的前者。

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12. 行星保护

天问三号属V类限制性采样返回任务（行星保护最高等级），这要求采取严格措施以防止可能存在的生命体污染火星和地球。

前向保护（火星）：

重点是在地面产品研制和总装流程中，构建探测器及其关键组件（与火星样品接触部分）的微生物检测、消杀和污染防护等工程能力。在系统资源允许时，可对取样机构增加局部生物防护罩。

返向保护（地球）：

重点关注切断传播链和保持样品不受污染，需增加对样品容器的密封隔离环节，并在地面回收时开展相应的样品隔离、解封及贮存设计，全程防止样品容器直接与外界环境接触。

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*参考资料：

[1]孙泽洲,周佐新,董捷.火星取样返回任务综述[J].深空探测学报(中英文),2025,12(03):207-218+205-206.

[2]Hou, Z., Liu, J., Pang, F. et al. In search of signs of life on Mars with China’s sample return mission Tianwen-3. Nat Astron 9, 783–792 (2025). https://doi.org/10.1038/s41550-025-02572-0

[3]魏昊功,孙泽洲,李齐,等.火星采样返回气动辅助变轨研究进展[J].深空探测学报(中英文),2025,12(03):229-240.

[4]季节,高翔宇,刘雅芳,等.火星钻进与定点取芯方案设计及验证[J].深空探测学报(中英文),2025,12(03):271-283.

[5]金晟毅,郑燕红,邓湘金,等.我国深空探测器采样封装技术发展[J].航天器工程,2024,33(06):149-158.

[6]韩泉东,孙泽洲,曹伟,等.火星上升器液体推进系统关键技术与解决途径分析[J].深空探测学报(中英文),2025,12(03):219-228.

[7]郭春正,王鹏宇,郭敏文,等.基于序列凸优化的火星上升器机会约束轨迹优化[J/OL].深空探测学报(中英文),1-9[2026-03-14].https://link.cnki.net/urlid/10.1707.V.20260309.1128.001.

[8]刘志,高金忠,于茂华,等.火星样品返回任务中样品捕获定向概念与验证[J].中国空间科学技术(中英文),2024,44(05):107-114.DOI:10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0079.

[9]唐德威,吴奇,全齐全,等.一种倒立布置的火星直升机锁紧释放机构:CN116534311B[P].2025-09-16.

[10]全齐全,蔡皓,唐德威,等.一种共轴式火星直升机及锁紧释放装置:CN117022686A[P].2023-11-10.

[11]全齐全,唐博,唐德威,等.一种单电机欠驱动的火星飞行器采样装置:CN117990411A[P].2024-05-07.

[12]全齐全,唐博,潘东,等.一种可变桨距的四旋翼式火星飞行器:CN118514873A[P].2024-08-20.

[13]纪明,王春勇,李昊璘,等.一种用于密封火星样品的装置:CN121516409A[P].2026-02-13.

[14]荣吉利,董洋,祁玉峰,等.一种地外天体上升器气动冷弹射装置:CN119239987A[P].2025-09-26.

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作者：PhilLeafSpace

原文：https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309405279022740799868