十年内，一辆小型火星车将在火星上拾取先前任务留下的岩石样本。然后，它将把这些样本装载到固定在行星表面一块平坦区域上的小型平台内的火箭中。一旦火箭舱门关闭，平台会将火箭侧向向上抛掷，有点像投掷的橄榄球。火箭发动机将点火，推动其进入火星轨道——在那里，一艘等待的航天器将抓住其宝贵的样本，以便将其运回地球，交给渴望研究它们以寻找红色星球上过去生命迹象的研究人员。人们可能会将这场疯狂的行星际洗牌称为有史以来构思的最史诗般的抓球游戏，但科学家们只是将其称为火星样本返回。
NASA喷气推进实验室（JPL）的克里斯·查特利尔说：“这以前从未做过。”他是将样本带回家的发射系统的一部分的首席工程师。但这在几十年里一直被梦想和计划着。
第一步发生在NASA的“毅力号”火星车在火星耶泽罗陨石坑着陆时，一年前，目的是探索该地点的远古河流三角洲，该三角洲被认为是行星曾经是一个更温暖、更潮湿的世界时，最有可能藏有任何生命遗迹的地点之一。利用陨石坑内的可伸展手臂和钻头，“毅力号”已经开始收集可能可以追溯到数十亿年前的样本。“我们相信这些样本将告诉我们火星表面是否曾经存在生命，”NASA负责监督该机构科学任务的托马斯·祖布钦说。“毅力号”最终将把数十个样本放入雪茄状的小管中，并将它们储存在地表，等待未来的收集。
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关于如何进行这项收集工作的一般轮廓已经很清楚，但关键细节仍未确定。例如，样本将缓存在哪里——以及在多少个地点？将收集样本的“获取漫游车”（将由欧洲航天局（ESA）建造）会是什么样子？也许最关键的是，样本将如何成功地从火星表面发射升空并返回地球？祖布钦说：“这次从另一个星球发射升空将具有历史意义。”“随之而来的是我们邻近星球的答案，否则这些答案将无法解决。”
关于最后一个关键问题的细节现在已经向前迈进了一大步。上个月，NASA 选择了美国航空航天公司洛克希德·马丁公司，签订了一份潜在的价值1.94亿美元的合同，以建造三米长的火星上升飞行器（MAV），这是一种相对较小的火箭，旨在将“毅力号”的样本推进轨道。工程师们已经在努力设计MAV的组件，这些组件必须克服首次同类任务特有的多重挑战。火星的重力虽然只有地球的三分之一，但也必须克服。火星稀薄的大气层，只有地球的百分之一，将使发射与我们星球上的任何发射都不同——也不同于无空气的月球或小行星，之前的成功样本返回任务在那里进行。MAV的孤注一掷的发射，距离地球数百万公里，必须是自主且完美无瑕的。
视频展示了NASA火星上升飞行器发射系统和其他几个关键组件的原型测试，这些组件用于从火星表面返回样本。
NASA表示，MAV将在2026年或之后发射到火星，一些人预测最有可能的日期是2028年。它将存储在一个着陆平台内，类似于NASA的“洞察号”着陆器等前辈。“洞察号”于2018年在火星上着陆，采用了推进着陆，而不是依靠更复杂的天空起重机系统，后者是较重的“毅力号”火星车及其同类“好奇号”所需要的。前往火星的旅程将是缓慢的，总共28个月，以确保MAV在耶泽罗陨石坑或附近的当地夏季着陆。洛克希德·马丁公司深空探索业务发展主管戴夫·穆罗说：“航天器需要在适当的季节到达火星，这样它就不会遇到沙尘暴。”
在安全穿过大气层后，着陆器将瞄准陨石坑内尽可能温和的区域着陆，以便于后续的升空。“我们正在寻找一个平坦、没有太多岩石的着陆点，”穆罗说。实际地点将在未来几年内选定。着陆器没有科学仪器，其设计目的是在表面保护MAV，部署ESA的获取漫游车，并最终将装满样本的MAV发射回轨道。
一个主要的挑战将是确保MAV推进系统使用的铝基燃料（由美国航空航天公司诺斯罗普·格鲁曼公司提供）不会冻结。火星表面平均温度约为零下60摄氏度，因此着陆器需要加热MAV，很可能是通过在名为“冰屋”的绝缘罐内使用太阳能电加热器。工程师们认为，这种方法应该允许MAV在地表停留长达一年地球年，希望有足够的时间让获取漫游车从一个或多个地表缓存中检索“毅力号”的样本。
然后真正的乐趣开始了。在过去的几年里，查特利尔和他在JPL的团队一直在努力解决一个出乎意料的难题，即如何准确地从火星发射一枚小型火箭。“我们最初的想法是将[MAV]指向轨道并从平台上发射，”查特利尔说。但是轨道需要很重，几乎和着陆器本身一样长。“担心的是没有太多东西可以固定住着陆器，”NASA马歇尔太空飞行中心MAV项目经理安吉拉·杰克曼说。如果没有重轨的平衡力，发射MAV的尾焰可能会将整个平台踢到空中，撞击火箭。在模拟火星重力和大气条件下的地球测试这种系统也将非常具有挑战性。
因此，团队转而选择了另一个想法：如果火箭可以被抛到地表上方几米处，为发射腾出更多空间呢？查特利尔说：“尽管抛射一枚未点火的火箭似乎有悖常理，但实际上它确实大大简化了设计和测试过程。”这种“冷发射”系统并非史无前例：美国空军的“和平卫士”导弹（从1987年到2005年服役）在发动机点火之前，使用蒸汽压力从发射井中升空。MAV的方法也类似于战斗机发射标准导弹，只是“我们只是把它从地面上抛起来，”查特利尔说。
最终的发射系统被称为VECTOR，即垂直喷射控制倾斜释放系统。在过去的两年里，JPL团队一直在测试带有VECTOR的MAV模型，到目前为止总共完成了23次“抛掷”，用缆绳在半空中接住火箭。（整个系统，包括火箭的点火，将仅在火星上首次完全使用。）VECTOR的设计目的是以大约每秒五米的速度将MAV从火星上抛向天空，使用的力相当于人类的重拳一击。当MAV在抛掷后一秒钟点燃其发动机时，VECTOR还将帮助瞄准飞行器，使其旋转，从而将其从半空中的水平方向倾斜45度，以使MAV的两级火箭能够将篮球大小的样本舱推进到行星上方400公里高的轨道。如果一切顺利，“毅力号”仍将运行，并在远处安全地观看，为地球上的每个人提供首次火星发射的虚拟前排座位。
如果一切顺利，此后不久，一艘欧洲制造的航天器将俯冲进入火星轨道，捞起样本舱，并将其存放起来以进行返程。在离开火星后，样本舱将在2030年代初有意坠毁在犹他州沙漠中，其耐用的样本完好无损。
VECTOR可能听起来很冒险，但它似乎是将“毅力号”将收集的半公斤重的样本带回地球的最佳方式。查特利尔说：“每个人都认为天空起重机很疯狂。”“VECTOR也引起了类似的看法。”在未来几年，他和他的团队希望完成大约50次系统测试，以便为2028年发射到火星做好准备。仍有其他细节需要解决，包括火箭如何被抛向空中的更精细的力学原理，但目标是拥有一个能够应对火星可能抛出的任何条件的系统。不会有第二次机会。“我们想确保我们有一个强大的设计，这样即使在火星上最糟糕的一天，我们也知道系统仍然会工作，”查特利尔说。
火星样本返回的梦想现在正处于成为现实的边缘，也许仅仅十年之遥，这得益于一个看似简单的想法：在火星上降落一枚小型火箭，将其抛向稀薄寒冷的空气中，然后将其发射回太空。即使它最终帮助返回的材料没有显示出生命迹象，其结果也将同样具有历史意义。杰克曼说：“我们一直对这件事感到兴奋不已。”“我们要做的事情太令人惊叹了。”