競逐解答人類最古老的問題
中國正積極布局，力求達成前所未有的目標：將火星實體樣本帶回地球。預定於2028年分兩次發射的天問三號任務，目標是在2031年前帶回至少500公克火星物質，有望在深空探測史上締造首例，同時解答科學界最根本的問題之一。任務總設計師劉繼忠在3月中國年度政治會議期間宣布，計畫已在關鍵技術上取得突破，今年將進入飛行器型號研製階段。這項時程讓中國有望搶在其他國際競爭計畫之前往返火星，其影響遠超國家聲望。
這項任務是多年規劃的成果，也建立在中國先前的火星探測成就之上。2021年，祝融號火星車隨天問一號任務登陸火星，使中國成為第二個在火星表面操作火星車的國家。該任務發現地表下方土壤與礫石中混有水冰，這項發現提高了科學界對帶回實體樣本進行詳細實驗室分析的興趣。相較於必須將微型儀器運送數百萬公里至火星的機器探測器，樣本一旦帶回地球，科學家便能運用地面實驗室的完整設備，尋找微型化石、有機化合物，以及可能顯示鄰近行星上是否曾有生命的化學特徵。
這項任務的意義不只在於滿足科學好奇心。若成功，天問三號將首度讓人類取回來自另一顆可能孕育生命的行星的物質，確立中國在行星探測領域的領導地位，並為國際科學合作創造新機會。劉繼忠在向媒體宣布計畫時，形容這項任務是極具挑戰性、開創性且領先的重大航太工程。
天問三號任務是一項極具挑戰性、創新性和引領性的重大航太工程，預計將實現人類首次火星採樣返回，大幅推動空間科學、空間技術與空間應用的高品質一體化發展。
打造前所未有的任務
過去的火星任務多仰賴單次發射，天問三號則採用複雜的雙發射架構，需要多艘太空船精準協調。兩枚長征五號運載火箭將在2028年末的最佳火星發射窗口升空，分別搭載任務的不同組件。一枚火箭將運送軌道器及地球返回器，另一枚則搭載配備上升器與服務艙的著陸器。這種雙發射方式可因應同時將著陸與返回系統送往火星的巨大能量需求，並確保各組件攜帶足以執行特定任務的燃料。
任務流程將歷時三年以上，分為13個不同階段。經過七至八個月的星際航行後，著陸器將在北緯17至30度之間一處經審慎挑選的地點著陸，在工程限制與科學潛力之間取得平衡。為確保進入火星大氣層時有足夠的大氣密度減速，太空船必須降落在低於火星全球平均高度至少3公里處。著陸後，著陸器將運作約一年，透過多種方式採集樣本，包括地表採樣、深層鑽探，以及使用無人機採集數百公尺外地點的樣本。
上升階段是太空飛行史上最艱鉅的技術挑戰之一。採集並封存樣本後，上升器必須以著陸器為發射平台，從火星表面升空，首度由火星地表進入火星軌道。在軌道上，上升器必須與等待中的軌道器會合並對接，轉移珍貴載荷後，返回器才會啟程返地。人類從未嘗試過在火星周圍進行軌道會合；由於通訊延遲最長可達20分鐘，地面控制中心無法提供即時指引，因此這項任務需要精準導航。
鑽探古代生命的證據
推動天問三號的主要科學目標，是尋找生物特徵，也就是生命曾在火星存在過的物理或化學指標。過去的任務雖已偵測到有機分子與古代湖床，但若能在地球先進實驗室分析樣本，將是找到過去微生物生命確鑿證據的最佳機會。為提高發現機率，任務規劃人員制定了積極的採樣策略，包括向火星地表下鑽探兩公尺。這是火星任務從未嘗試過的深度，也遠深於其他計畫預定採集的淺層地表樣本。
這個深度對天體生物學研究能否成功至關重要。火星沒有全球磁場，大氣層也很稀薄，地表因此持續遭受宇宙輻射轟擊，並暴露在會隨時間破壞有機物質的強氧化性化學物質中。任務希望鑽穿這層惡劣的地表環境，取得數十億年來免受輻射影響的沉積物，當中可能保存有機化合物，甚至微型化石，來自火星曾有液態水與較稠密大氣的時期。鑽探系統必須在嚴峻的火星環境中偵測並避開基岩等障礙，同時維持樣本完整性。
著陸地點的篩選過程反映了任務對生命研究的重視。科學家從最初超過80個候選地點中找出86個可能地點，再縮小至19個主要地點，集中在亞馬遜平原、烏托邦平原與克律塞平原。這些地區有古代海岸線、三角洲沉積物、黏土礦物與峽谷系統，都是富含水的環境中形成的地貌，可能曾孕育並保存生命。團隊將在2026年底前選出三個最終候選地點，在科學價值與工程安全之間取得最佳平衡。篩選標準優先考量具有水合礦物、顯示過去曾有水活動的地點，同時要求坡度低於8度、岩石覆蓋率低於10%，以確保安全著陸。
北京向全球夥伴敞開大門
中國國家航天局於2025年3月11日宣布天問三號開放國際合作，展現中國對任務技術成熟度的信心。徵案提供地球返回軌道器15公斤載荷空間，以及火星軌道器額外5公斤載荷空間，供國際夥伴研製的科學儀器使用。這項邀請顯示，中國朝著共同分享一項可能成為史上最重要太空任務之一的科學成果邁出重要一步。提案截止日期為2025年6月30日，並預定於同年10月公布最終入選名單。
有興趣的國際團隊可提議搭載需要天問三號太空船支援的附加載荷，或提出符合任務整體科學目標的獨立科學儀器。入選夥伴必須在2027年前交付飛行硬體，以便在2028年發射窗口前與太空船整合。研究提案必須配合生命搜尋、火星地質研究或大氣過程探查；能拓展任務價值的創新提案也受歡迎。這種合作架構讓天問三號成為推動人類共同科學利益的全球平台，而非單一國家的計畫。
任務首席科學家、中國科學院院士侯增謙近期在《自然天文學》發表文章，強調這項合作方式。他指出，中國在訂定任務目標階段曾舉辦國際會議，並計畫在符合行星保護規範後，開放全球研究人員使用返回樣本。侯增謙希望這項任務能為國際社會帶來前所未有的機會，深入了解火星，並吸引歐洲、亞洲及其他太空國家合作，參與火星物質首次返回地球的歷史性任務。
行星保護與技術防護
從另一顆行星帶回物質，衍生出重大的安全問題，任務規劃人員必須極為審慎地處理。由太空研究委員會制定的行星保護規範，要求採取嚴格措施，防止地球生物污染火星，也防止可能存在的火星生命污染地球。中國承諾遵循這些國際標準，並認知到任務的科學可信度有賴於確保任何生物學發現確實來自火星，而非地球帶去的污染物。嚴格控管污染是關鍵挑戰，必須貫徹任務的每個階段。
為管控這些風險，中國正在合肥郊區、中國科學院合肥物質科學研究院附近興建專門的火星樣本實驗室。該設施將設有超潔淨室與生物安全防護區，在樣本開放給更廣泛的科學界前，進行全面檢測、滅菌與生物風險評估。樣本將與地球環境隔離，直到嚴謹分析確認其中不含可能危害地球生態系的活性生物因子。確認安全後，樣本才會分送至全球指定實驗室進行詳細分析。
工程團隊已在任務所需的關鍵技術上取得突破，包括火星表面採樣與封存、火星表面起飛、軌道會合及樣本轉移機制。任務需要研發特殊土壤採樣系統，採集樣本並妥善封存，確保物質完好無損地抵達地球。劉繼忠指出，從火星取回樣本是自阿波羅計畫以來技術難度最高的太空探測任務，至今尚無成功先例。這項任務的複雜性不只涉及機械系統，也包括生物防護及保管鏈程序；從火星表面、大氣層再入，到實驗室分析的整個過程，都必須維持樣本完整性。
太空探索全球格局轉變
中國朝2028年發射目標邁進之際，美國國家航空暨太空總署（NASA）的火星取樣返回計畫則面臨重大不確定性。2025年初生效的一項眾議院撥款法案，實際上取消了目前的火星取樣返回計畫架構，將1.1億美元轉用於未來火星技術研究，而非樣本返回任務。儘管參議院曾審議要求提出新火星取樣返回計畫的授權法案，美國目前仍無明確途徑能在2030年代前帶回火星樣本，使中國有機會率先達成這項里程碑，並可能取得隨之而來的科學與外交優勢。
時程轉變帶來的戰略影響超越科學聲望。率先帶回火星樣本的國家，將掌握向全球研究社群分配這些珍貴物質的主導權，可能在數十年間影響天體生物學研究方向。火星樣本可能揭示生命是否曾在太陽系中的兩顆行星上各自獨立起源；這項發現將從根本上改變我們對生物學的理解，並暗示生命可能遍布宇宙。若中國成功，而其他計畫持續延宕，國際合作與載荷機會可能將愈來愈多地轉向北京的太空計畫。
中國的進展也發生在深空探測能力持續擴大的大環境中。2025年發射的天問二號目前正前往近地小行星卡莫奧阿萊瓦，已飛行約7億公里，預計今年抵達目標並執行採樣作業，之後於2027年底前返回地球。展望未來，天問四號預定於2030年前後發射，探測木星系統，並最終進入木衛四軌道。從月球、火星到外太陽系的穩步推進，展現中國有系統地發展深空科學，並致力於長期參與太空探索。
從原型邁向紅色星球
飛行器型號研製已經展開，原型也將於2026年轉入正式硬體建造，天問三號團隊正從設計研究邁向實體組裝。任務13個階段包括地球發射、火星轉移、進入火星大氣層、下降與著陸、地表採樣、上升、火星軌道會合、返回地球及大氣層再入，每個階段都必須在數億公里的距離上精準執行。從發射到2031年樣本返回，整個流程將歷時三年以上；太空船也將搭載先進科學載荷，支援天體生物學研究重點。
任務選用的儀器反映了其生命搜尋目標。著陸器將搭載火星地下穿透雷達，探測地下層，以及拉曼與螢光分析儀，偵測有機物質與礦物；後者與NASA毅力號火星車搭載的儀器類似。軌道器將使用專用磁力計與高能粒子探測器研究大氣逃逸過程與磁場，成像系統則會以中紅外線與多光譜波段繪製地表成分圖。這些工具將支援任務科學團隊訂定的九大研究主題，涵蓋與生命相關的元素、環境條件及地質歷史，從地表特徵到內部動態皆在研究範圍內。
隨著研發持續推進，任務仍邀請中國國內外科學家參與，任務領導層形容這將展現中國的創造力與國際影響力。無論天問三號是否找到古代火星生命的確鑿證據，或是帶回顯示火星沒有生命、但地質環境引人入勝的樣本，這項任務都將為困擾科學家數代的問題帶來答案。這項努力代表人類邁出地球之外的下一步，延續這樣的理念：地球雖是人類的搖籃，但人類不能永遠待在搖籃裡。
重點整理
- 天問三號預定於2028年以長征五號火箭分兩次發射，計畫於2031年將樣本帶回地球
- 任務目標是透過地表採樣與深入地表2公尺的鑽探，採集至少500公克火星土壤與岩石
- 主要科學目標是尋找生物特徵，以及火星過去或現在存在生命的證據
- 任務採用兩艘分離太空船的架構，將在火星軌道會合，這是前所未有的壯舉
- 中國於2025年3月開放國際夥伴參與任務，提供總計20公斤載荷空間，供外國科學儀器使用
- 工程限制使著陸地點必須位於北緯17至30度之間，且低於火星平均高度至少3公里
- 合肥的專門防護設施將依循嚴格行星保護規範處理返回樣本，避免污染地球
- 在火星上升與軌道會合等關鍵技術研發成功後，任務將於2026年進入飛行硬體建造階段
