早在天问一号火星探测器立项研制伊始我们就确立了“一步实现绕落巡，二步完成采样回”的火星探测工程目标。
天问一号探测器的火星“绕、落、巡”如今天问一号探测器已经如期实现既定的绕落巡火星目标，下一步就该轮到旨在实现火星采样返回目标的天问三号。
祝融号全景相机拍摄的火星地表火星采样返回任务有三大意义：
一、影响力巨大，此项任务被认为是可以与阿波罗载人登月比肩的复杂空间探测任务，天问三号任务一旦如期实现，我们将成为人类第一个完成此项任务的国家。而且也因美欧“火星样本回送计划”的加入，使得这个“世界第一”的含金量变得更大。
二、可以借由火星采样返回任务实现行星际探测核心技术的全面突破，这对于人类的未来至关重要。
巨大的影响力+核心技术全面突破，二者结合将增加全球科技力量向我国转移的向心力。用一句话来形容，就是“功在当代，利在千秋。”。
三、奠基载人火星探测。
阿波罗登月工程的战略影响至今仍未消退话说，美欧也有“火星样本回送计划”，为什么就可以断言，我国可以率先拿下火星采样返回任务的全球第一桂冠？
这是两种体系的战略竞争，一方是正向发展，另一方则是“尾大不掉”，后者指的是“美欧”。
NASA的火星样本回送计划始于十年前酝酿的毅力号火星车项目，该火星车被赋予了采集火星样本的任务，由此导致其火星采样返回任务产生了不必要的复杂度（毅力号采集的火星样本容器散落在行进路线上，需要额外部署一辆样本容器回收火星运输车），代价更为高昂。
毅力号在火星表面取样毅力号携带的火星样品存储管火星样本回送任务原计划3次发射完成，分别发射毅力号火星车、样本取回着陆器、地球返回轨道器。NASA主导的任务是毅力号火星车、样本取回着陆器，地球返回轨道器则由欧空局主导研制。
NASA原计划获得火星样本的时间是年，与我们获得火星样本的时间几乎一样，但是由于任务复杂度的提高，样本取回着陆器不得不拆分成两次发射（分别发射火星样本运输车与火星表面上升飞行器），这样一来，完成整个任务就需要4次发射，同时还面临合作方进度的拖延，以及资金短缺问题。
拆分成两次部署的上升器与样本运输车鉴于种种不利因素，NASA不得不宣布年火星样本回送时间节点的“失守”，该机构主导科学任务的负责人泽布琛确认，取得火星样本的时间将是年（比我们的火星采样返回任务晚了整整两年）。
NASA空间探测领域的尾大不掉主要体现在三个方面，分别是阻碍航天发展的体制瓶颈日益增多、创新成本高昂、寡头企业垄断。
以载人重返月球为例，早在21世纪初期，NASA就发起了“星座计划”，后来被奥巴马以超出预算、进度落后、缺乏创新为由取消，计划虽然取消，但是消耗的资金却已经有数十亿美元，同时还有时间成本。
NASA多年前夭折的星座登月计划近年来，载人重返月球计划又以“阿尔忒弥斯计划”为名再度重生，波音公司为该计划研制的SLS太空发射系统（重型火箭）更是驰名全球的“吞金巨兽”，这样一款依托成熟货架技术的整合火箭历经数次推迟之后，仅公开支出就消耗掉了亿美元。
执行阿尔忒弥斯一号任务的SLS重型火箭NASA商业载人航天计划看似引入了所谓的商业竞争，SpaceX公司的载人龙飞船也的确足够出色，但我们还要看到波音公司的星际线载人飞船在这项计划中还在消耗资金，还在扯后腿，两款飞船相加，最终成本消耗是便宜了，还是贵了？
载人龙飞船波音公司研制的CST-星际线飞船体制瓶颈的阻碍在SpaceX公司星舰重型火箭的研发项目中得到了淋漓尽致的体现，旷日持久的重重审查使得该型火箭迟迟无法进行首飞试验。
创新成本高昂的案例同样不胜枚举，比如前文所述的SLS重型火箭，以及火星样本回送计划更是如此。前文提到火星样本回送计划由3次发射方案变为4次发射方案，根本原因是其航天系统难以承受创新成本，样本取回着陆器之所以拆分成两次发射，是因为毅力号火星车所用的进入舱尺寸无法包裹样本取回着陆器。样本取回着陆器如果采用一次发射方案，就需要研制尺寸更大的进入舱，拆分成两次发射则不需要，最终NASA选择了后者。毅力号火星车的防热大底与背罩毅力号使用的火星进入舱是十多年前好奇号任务的产物，至火星样本回送计划实施，在这二十多年时间里，NASA都不愿意更新火星进入舱产品。
实际上，“尾大不掉”并不是NASA的专利，大洋彼岸在诸多领域都暴露出了这一积重难返的问题，比如DDG0朱姆沃尔特级驱逐舰、福特级电磁弹射航母等等，皆是如此。
反观太平洋西岸的我们则完全相反，海洋装备领域，辽宁舰、山东舰、福建舰、万吨大驱、型两栖攻击舰等等，我们用最小的时间成本实现了航空母舰、大型驱逐舰等主力装备的跨越式发展。
福建舰航天领域同样如此，嫦娥探月工程、行星探测工程，每次任务之间既有技术继承，更有持续不断地迭代创新，天问一号探测器一步实现火星绕落巡的技术跨度之大，放眼整个人类航天史也是极为罕见。
天问一号火星探测器整器合照接下来的天问三号火星采样返回任务我们将通过“两次地球起飞、一次火星起飞方案”再一次展示我们驾驭大系统工程的实力，也将深刻诠释究竟什么是高效、创新。
当前，天问三号火星采样返回任务已经进入关键技术攻关阶段，任务实施方案也已经愈发清晰。
基于两次发射的火星采样返回任务规划，参研团队根据探测器着陆火星时节的不同制定了两个不同的飞行方案：
（备注：天问三号火星采样返回探测器由“轨返组合体”+“着上组合体”组成，发射质量合计7吨左右。“轨返组合体”指的是“轨道器与返回器组合体”，主要负责将火星样本带回地球；“着上组合体”是指“着陆器与上升器组合体”，主要负责采集火星样本，并将样本容器发射至环火轨道与“轨返组合体”交接。）
天问三号“着上组合体”天问三号“轨返组合体”方案一：
年11月，长征五号火箭发射“轨返组合体”；年12月，长征三号乙火箭发射“着上组合体”。
“轨返组合体”经9个月地火转移飞行后，于年8月抵达火星，基于大气辅助变轨技术进行气动减速，6个月后，于年2月进入工作轨道。
“着上组合体”经9个月地火转移飞行后，于年9月抵达火星，在近火点50公里高度时实施一次火星大气制动减速直接登陆火星预选着陆区。
“着上组合体”登陆火星后随即开始火面采样工作，火面停留5个月后，年2月，上升器自火星表面点火起飞与“轨返组合体”近距离交会，完成火星样品转移后，“轨返组合体”在环火轨道等待7个月，于年10月点火变轨进入火地转移轨道，经9个月火地转移飞行后，返回器于年7月返回地球，着陆预定着陆场。
长征五号将用于发射“轨返组合体”方案二：
年5月，长征三号乙火箭发射“着上组合体”；年11月，长征五号火箭发射“轨返组合体”。
“轨返组合体”经10个月地火转移飞行后，于年9月抵达火星，基于大气辅助变轨技术进行气动减速，6个月后，于年3月进入环火工作轨道。
“着上组合体”经26个月地火转移飞行后，于年7月抵达火星，在近火点50公里高度实施一次火星大气制动减速直接登陆火星预选着陆区。
“着上组合体”登陆火面后开始采样作业，火面停留2个月后，于年9月，上升器自火星表面点火起飞与环火运行的“轨返组合体”近距离交会，完成火星样品转移后，“轨返组合体”在环火轨道等待1个月，于年10月点火变轨进入火地转移轨道，经9个月火地转移飞行后，返回器于年7月返回地球，着陆预定着陆场。
长征三号乙用于发射“着上组合体”两个飞行方案火地转移窗口一致，因此任务时序安排的不同之处主要体现在火地转移之前。那么，为什么要设计两个不同的飞行方案，用意何在？
两个飞行方案的最大不同点只有一个，那就是“着上组合体”登陆火星季节的不同，方案一登陆火星时正处于秋分时节，着陆区域气候环境恶劣，此时火星尘暴频繁，对“着上组合体”的供电影响很大。方案二登陆火星时正处于春分时节，着陆区域气候环境良好，有利于“着上组合体”的电能供应。
火星尘暴前后对比图登陆火星时间节点的选择直接影响探测器的能源供给，比如天问一号探测器进入火星环绕轨道后并没有急于登陆，这其中有遴选预选着陆区的需求，同时也是在等待火星着陆区夏季时节的到来，而且最终登陆时刻还选在了正午，此时太阳光照非常充分，进一步利好太阳翼的发供电。
据此判断，采用规避火星尘暴的第二个飞行方案的可能性更大，方案二对比方案一还有一个不同之处，那就是“着上组合体”为了能够晚点登陆火星，需要比“轨返组合体”提前半年从地球出发绕远路，整个地火转移飞行需要两年多时间，在轨飞行时间的延长对“着上组合体”的可靠性要求就要更高。
天问三号火星采样返回探测器对比美欧联合实施的火星样本回送计划，有哪些不同？
美欧“火星样本回送计划”获取火星样品的多样性优势看上去更突出，因为他们有毅力号火星车的移动采样优势，进而达成火星表面多点采样的工程目的。
毅力号火星车的采样装置那么，天问三号呢？起初人们以为我们应该是原位采样，毕竟我们是两次发射的方案，在“着上组合体”一个进入舱里面同时塞入着陆器、上升器、火星车的难度确实太大，类似难度也迫使NASA不得不将火星样品运输车单独发射。
但是呢，我们最好不要低估我国航天人的创造性思维。
果不其然，孙泽洲总师披露，“着上组合体”的采样方式有三种，分别是钻取采样、表取采样、移动采样。前两个采样方式大家都不陌生，显然这是继承了嫦娥五号的钻取与表取采样技术。
不过，也有不同之处，火星钻取采样装置受限于进入舱包络尺寸限制，需要应用钻杆拼接技术，“着上组合体”将在火星表面自动组装多根钻杆，将其拼接成长钻杆。表取采样装置与嫦娥五号表取采样器甲很相似，由铲取装置与挖取装置组合而成，具备铲取、挖取两种功能，两种功能配合还可以实现“拾取”。
天问三号将继承嫦娥五号的表取采样技术移动采样则是采样环节最出彩的，“着上组合体”将在火星表面部署一个四足机器人，与地球上的“机器狗”很相似，它相较于轮式火星车有着更强的障碍通过能力，可以具备障碍自动识别规避、自主采样、样品转移等智能功能，从而破解天问三号只能原位采样不能多点采样的难题。
火星表面智能采样机器人同类设备在地球早已被我们“白菜化”当天问三号探测器出发之际，天问一号环绕器早已超出设计寿命多年，因此届时地火中继通信任务并不能寄希望于天问一号环绕器。
这就要求“轨返组合体”充当“中继星”为“着上组合体”提供地火中继通信服务。根据两个飞行方案可知，“轨返组合体”将先于“着上组合体”抵达火星，为建立中继通信链路创造了条件。
天问三号“轨返组合体”中的轨道器预计将延续天问一号环绕器的多边体构型设计，这样一来就便于布置对地通信大口径天线，以及其他遥感探测载荷。同时天问一号环绕器与进入舱之间的支撑结构设计也可以在天问三号轨道器上继承，用于轨道器与返回器之间的刚性连接。
天问三号轨道器将继承天问一号环绕器构型天问一号的锯齿形盘缝带减速伞、变推力发动机等货架技术预计也将在天问三号任务中得到应用。
天问三号有技术继承的一面，也有大胆创新的一面。比如前文所述的“火星机器狗采样”，除此之外，“着上组合体”的火星进入技术创新力度同样不容小觑。
“着上组合体”按照计划将由长征三号乙火箭发射，该型火箭地火转移运力预计2吨左右，除去巡航级重量，天问三号“着上组合体”的整体重量与天问一号着陆巡视器的重量大致一样。
天问一号着陆巡视器但是还要考虑到“着上组合体”中的“上升器”需要执行火星表面发射任务，这将是一款完整构型的自火星表面起飞的运载火箭，其轴向尺寸会比收拢状态的祝融号火星车更大，这就意味着也许不能沿用天问一号着陆巡视器的进入舱设计。
为此参研人员正在研发一种“超轻高可靠防热结构”，它可以通过机械结构方案展开，也可以通过充气方案展开，展开后形成防热大底，用于“着上组合体”的火星大气进入任务，具备高效的隔热与气动控制性能。此种结构可不受刚性进入舱大底尺寸限制，适用于构型复杂的火星登陆探测器。
超轻高可靠防热结构此项技术一旦突破，不仅可以满足天问三号“着上组合体”的火星登陆任务需求，也可用于未来大规模探测火星的各项任务，是着眼长远的技术布局。
每一次空间探测的拓荒任务都会出现若干个重大技术创新，比如嫦娥五号的月面起飞、无人自动环月对接，天问一号的火星捕获、火星大气进入等等。
天问三号面临的诸多瓶颈挑战也将是“世界级难题”，具体而言有，火星表面智能取样封装技术、火星表面起飞上升技术、环火轨道样品容器捕获和转移技术、火星大气辅助变轨技术，四大项。
火星大气辅助变轨技术
天问一号在进行近火制动捕获时轨控发动机持续点火15分钟消耗了将近1吨燃料，而天问三号轨道器除了要承担地火转移、火星制动捕获、环火交会等任务之外，还要进行火地转移变轨，此项任务的燃料消耗量同样很大，所以必须想方设法节省燃料，这就是“火星大气辅助变轨技术”的应用需求所在。
探测器近火制动燃料消耗大火星大气辅助制动变轨应用火星大气辅助变轨技术，探测器进入火星大气利用空气阻力实现减速，降低远火点，进而进入设定的环火工作轨道，从而为火地转移任务节省燃料。今年晚些时候，天问一号环绕器就将进行火星大气辅助变轨技术试验，为天问三号任务打基础。
天问一号环绕器将择机开展火星大气制动试验火星表面智能取样封装技术
嫦娥五号月球采样是人为干预的月面采样作业，火星不同于月球，通信时延数十分钟，靠人工干预，不仅效率低，而且对采样作业实施的安全性也是很大的挑战，只有通过智能技术的应用，让天问三号“着上组合体”自主采样封装才是解决之道。
火星表面起飞上升技术
火星表面起飞上升技术与嫦娥五号的月球表面起飞上升技术有着一定的技术关联，但前者的任务实施条件限制更多，复杂度难度更大。首先是火面起飞的速度增量大，航天器自火星起飞的第一宇宙速度约为3.6公里/秒，月球则是1.68公里/秒，天问三号上升器基于任务设计，需要4.5公里/秒的速度增量。同时月球无大气环境干扰，火星则有大气环境干扰，需要上升器符合空气动力学外形设计，火星表面起飞定位基准数据获取难度更大，而上升器入轨精度要求又很高。
上升器自火星表面点火起飞已知火星表面上升器将是一款两级火箭，意味着在飞行过程中还需要进行级间分离，目前正在从两级固体火箭与两级液体火箭两类产品中择优选择，这款火箭还需要经历长时间的在轨空间环境储存与火星表面环境储存的考验。
嫦娥五号上升器起飞时月面是高温环境，火星就不同了，那里即便是白天，相较于月球的环境温度也要低得多，这就又要求上升器具备火面低温环境启动能力。
环火轨道样品容器捕获和转移技术
在嫦娥五号环月轨道交会对接任务中，携带月壤样品的上升器与“轨返组合体”之间是合作目标，两器配置有完善的交会对接装置，在天问三号这里就不一样了，受限于上升器的运力，它也许不能配置对接机构。
这就意味着天问三号“上升器”之于“轨返组合体”并非是完全的“合作目标”，而是“有限合作目标”，要求“轨返组合体”具备“主动捕获能力”。
上升器释放样品容器虽然火星轨道无人交会对接有其特殊性，但交会对接任务也是万变不离其宗，两器经“捕获与轨道确定段”之后也将通过“远距离导引段”与“近距离导引段”实现交会。
远距离导引段，“轨返组合体”会在地面导引下进行4至6次变轨，进而接近上升器，此阶段结束时两器距离约为60公里。
尔后进入“近距离导引段”，此阶段两器将利用微波雷达、激光跟瞄雷达、近距离位姿敏感器逐步接近，此阶段又可细分为“寻的段、接近段、平移靠拢段”，直至相对距离趋近于零。
“轨返组合体”捕获样品容器示意图两器实现交会后并不能建立刚性连接，此时需要上升器释放火星样品容器，并由“轨返组合体”直接捕获样品转移至返回器内，等于是跳过了对接段工作。
综上所述，天问三号任务完成之时，将是我国航天空间探测技术的一次巨大飞跃，届时我们将掌握人类进行太阳系行星际探测的全套关键技术，从而成为引领人类航天发展的关键力量。
火星科研站不谋全局者不足以谋一域，不谋万世者不足以谋一时。探索浩瀚宇宙永无止境，对于胸怀星辰大海的我们而言，这将是新的起点。“一步实现绕落巡，二步完成采样回”是我国火星探测的第一阶段目标，接下来，对于地球的近邻“火星”，我们还将有更大的动作，那就是类似国际月球科研站的火星版“火星科研站”，后者也将可以是从大规模无人探测基地起步，尔后拓展人机协同探测，这将是一个更为远大的目标：载人火星探测。