十年內，一輛小型火星車將在火星上拾取先前任務留下的岩石樣本。然後，它將把這些樣本裝載到固定在行星表面一塊平坦區域上的小型平臺內的火箭中。一旦火箭艙門關閉，平臺會將火箭側向向上拋擲，有點像投擲的橄欖球。火箭發動機將點火，推動其進入火星軌道——在那裡，一艘等待的航天器將抓住其寶貴的樣本，以便將其運回地球，交給渴望研究它們以尋找紅色星球上過去生命跡象的研究人員。人們可能會將這場瘋狂的行星際洗牌稱為有史以來構思的最史詩般的抓球遊戲，但科學家們只是將其稱為火星樣本返回。
NASA噴氣推進實驗室（JPL）的克里斯·查特利爾說：“這以前從未做過。”他是將樣本帶回家的發射系統的一部分的首席工程師。但這在幾十年裡一直被夢想和計劃著。
第一步發生在NASA的“毅力號”火星車在火星耶澤羅隕石坑著陸時，一年前，目的是探索該地點的遠古河流三角洲，該三角洲被認為是行星曾經是一個更溫暖、更潮溼的世界時，最有可能藏有任何生命遺蹟的地點之一。利用隕石坑內的可伸展手臂和鑽頭，“毅力號”已經開始收集可能可以追溯到數十億年前的樣本。“我們相信這些樣本將告訴我們火星表面是否曾經存在生命，”NASA負責監督該機構科學任務的托馬斯·祖布欽說。“毅力號”最終將把數十個樣本放入雪茄狀的小管中，並將它們儲存在地表，等待未來的收集。
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關於如何進行這項收集工作的一般輪廓已經很清楚，但關鍵細節仍未確定。例如，樣本將快取在哪裡——以及在多少個地點？將收集樣本的“獲取漫遊車”（將由歐洲航天局（ESA）建造）會是什麼樣子？也許最關鍵的是，樣本將如何成功地從火星表面發射升空並返回地球？祖布欽說：“這次從另一個星球發射升空將具有歷史意義。”“隨之而來的是我們鄰近星球的答案，否則這些答案將無法解決。”
關於最後一個關鍵問題的細節現在已經向前邁進了一大步。上個月，NASA 選擇了美國航空航天公司洛克希德·馬丁公司，簽訂了一份潛在的價值1.94億美元的合同，以建造三米長的火星上升飛行器（MAV），這是一種相對較小的火箭，旨在將“毅力號”的樣本推進軌道。工程師們已經在努力設計MAV的元件，這些元件必須克服首次同類任務特有的多重挑戰。火星的重力雖然只有地球的三分之一，但也必須克服。火星稀薄的大氣層，只有地球的百分之一，將使發射與我們星球上的任何發射都不同——也不同於無空氣的月球或小行星，之前的成功樣本返回任務在那裡進行。MAV的孤注一擲的發射，距離地球數百萬公里，必須是自主且完美無瑕的。
影片展示了NASA火星上升飛行器發射系統和其他幾個關鍵元件的原型測試，這些元件用於從火星表面返回樣本。
NASA表示，MAV將在2026年或之後發射到火星，一些人預測最有可能的日期是2028年。它將儲存在一個著陸平臺內，類似於NASA的“洞察號”著陸器等前輩。“洞察號”於2018年在火星上著陸，採用了推進著陸，而不是依靠更復雜的天空起重機系統，後者是較重的“毅力號”火星車及其同類“好奇號”所需要的。前往火星的旅程將是緩慢的，總共28個月，以確保MAV在耶澤羅隕石坑或附近的當地夏季著陸。洛克希德·馬丁公司深空探索業務發展主管戴夫·穆羅說：“航天器需要在適當的季節到達火星，這樣它就不會遇到沙塵暴。”
在安全穿過大氣層後，著陸器將瞄準隕石坑內儘可能溫和的區域著陸，以便於後續的升空。“我們正在尋找一個平坦、沒有太多岩石的著陸點，”穆羅說。實際地點將在未來幾年內選定。著陸器沒有科學儀器，其設計目的是在表面保護MAV，部署ESA的獲取漫遊車，並最終將裝滿樣本的MAV發射回軌道。
一個主要的挑戰將是確保MAV推進系統使用的鋁基燃料（由美國航空航天公司諾斯羅普·格魯曼公司提供）不會凍結。火星表面平均溫度約為零下60攝氏度，因此著陸器需要加熱MAV，很可能是透過在名為“冰屋”的絕緣罐內使用太陽能電加熱器。工程師們認為，這種方法應該允許MAV在地表停留長達一年地球年，希望有足夠的時間讓獲取漫遊車從一個或多個地表快取中檢索“毅力號”的樣本。
然後真正的樂趣開始了。在過去的幾年裡，查特利爾和他在JPL的團隊一直在努力解決一個出乎意料的難題，即如何準確地從火星發射一枚小型火箭。“我們最初的想法是將[MAV]指向軌道並從平臺上發射，”查特利爾說。但是軌道需要很重，幾乎和著陸器本身一樣長。“擔心的是沒有太多東西可以固定住著陸器，”NASA馬歇爾太空飛行中心MAV專案經理安吉拉·傑克曼說。如果沒有重軌的平衡力，發射MAV的尾焰可能會將整個平臺踢到空中，撞擊火箭。在模擬火星重力和大氣條件下的地球測試這種系統也將非常具有挑戰性。
因此，團隊轉而選擇了另一個想法：如果火箭可以被拋到地表上方几米處，為發射騰出更多空間呢？查特利爾說：“儘管拋射一枚未點火的火箭似乎有悖常理，但實際上它確實大大簡化了設計和測試過程。”這種“冷發射”系統並非史無前例：美國空軍的“和平衛士”導彈（從1987年到2005年服役）在發動機點火之前，使用蒸汽壓力從發射井中升空。MAV的方法也類似於戰鬥機發射標準導彈，只是“我們只是把它從地面上拋起來，”查特利爾說。
最終的發射系統被稱為VECTOR，即垂直噴射控制傾斜釋放系統。在過去的兩年裡，JPL團隊一直在測試帶有VECTOR的MAV模型，到目前為止總共完成了23次“拋擲”，用纜繩在半空中接住火箭。（整個系統，包括火箭的點火，將僅在火星上首次完全使用。）VECTOR的設計目的是以大約每秒五米的速度將MAV從火星上拋向天空，使用的力相當於人類的重拳一擊。當MAV在拋擲後一秒鐘點燃其發動機時，VECTOR還將幫助瞄準飛行器，使其旋轉，從而將其從半空中的水平方向傾斜45度，以使MAV的兩級火箭能夠將籃球大小的樣本艙推進到行星上方400公里高的軌道。如果一切順利，“毅力號”仍將執行，並在遠處安全地觀看，為地球上的每個人提供首次火星發射的虛擬前排座位。
如果一切順利，此後不久，一艘歐洲製造的航天器將俯衝進入火星軌道，撈起樣本艙，並將其存放起來以進行返程。在離開火星後，樣本艙將在2030年代初有意墜毀在猶他州沙漠中，其耐用的樣本完好無損。
VECTOR可能聽起來很冒險，但它似乎是將“毅力號”將收集的半公斤重的樣本帶回地球的最佳方式。查特利爾說：“每個人都認為天空起重機很瘋狂。”“VECTOR也引起了類似的看法。”在未來幾年，他和他的團隊希望完成大約50次系統測試，以便為2028年發射到火星做好準備。仍有其他細節需要解決，包括火箭如何被拋向空中的更精細的力學原理，但目標是擁有一個能夠應對火星可能丟擲的任何條件的系統。不會有第二次機會。“我們想確保我們有一個強大的設計，這樣即使在火星上最糟糕的一天，我們也知道系統仍然會工作，”查特利爾說。
火星樣本返回的夢想現在正處於成為現實的邊緣，也許僅僅十年之遙，這得益於一個看似簡單的想法：在火星上降落一枚小型火箭，將其拋向稀薄寒冷的空氣中，然後將其發射回太空。即使它最終幫助返回的材料沒有顯示出生命跡象，其結果也將同樣具有歷史意義。傑克曼說：“我們一直對這件事感到興奮不已。”“我們要做的事情太令人驚歎了。”