我国计划于2028年前后发射天问三号探测器，开展火星采样返回任务，力争在2031年前后将火星样品带回地球。这将推动我国深空探测从火星环绕与巡视进一步迈向行星际往返，为研究火星地质环境、探索其演化历史提供重要条件。

实现火星往返探测仍面临多项技术挑战。首先，地球与火星距离遥远，需要精确测定航天器轨道。上海天文台牵头开展的甚长基线干涉测量（VLBI）测定轨技术已在天问一号任务中得到初步验证。其次，火星采样返回涉及着陆、采样、起飞、轨道交会和地球返回等复杂环节，对航天器系统能力提出更高要求。

此外，火星表面存在低温、高辐射、低重力、低气压以及水和氧气供应不足等问题。未来若要实现载人探测乃至长期驻留，还需要突破生命保障和原位资源利用等关键技术。