ExoMars火星車(chē)設(shè)計(jì)存在缺陷 2022年或是最后發(fā)射機(jī)會(huì)

歐盟的火星探索

火星上是否存在生命是當(dāng)前重大科學(xué)問(wèn)題之一。為了實(shí)現(xiàn)這一重要目標(biāo)，歐洲航天局 (ESA)建立了 ExoMars 計(jì)劃，計(jì)劃調(diào)查火星環(huán)境，應(yīng)用最新科學(xué)技術(shù)，為人類(lèi)在火星表面采樣并順利返回奠定基礎(chǔ)。目前歐洲航天局有 22 個(gè)成員國(guó)家，其中包括法國(guó)、德國(guó)、意大利、西班牙、英國(guó)、比利時(shí)、丹麥、荷蘭、瑞典、瑞士、愛(ài)爾蘭、挪威、奧地利、芬蘭、葡萄牙、希臘、匈牙利、波蘭、羅馬尼亞、愛(ài)沙尼亞、盧森堡和捷克。

ExoMars 源自歐洲航天局 “曙光女神計(jì)劃”的一部分，最初設(shè)計(jì)是采用一臺(tái)大型機(jī)械探測(cè)車(chē)，于 2011 年由火箭攜載升空，但是重要成員國(guó)意大利由于財(cái)政問(wèn)題，導(dǎo)致該計(jì)劃第一次推遲。2009 年 7 月，歐洲航天局與美國(guó)宇航局建立合作關(guān)系，同意開(kāi)展新的火星探測(cè)聯(lián)合任務(wù)，希望解決 ExoMars 任務(wù)曾出現(xiàn)的財(cái)政和技術(shù)問(wèn)題，計(jì)劃聯(lián)合發(fā)射一個(gè)環(huán)火星軌道運(yùn)行的探測(cè)器和一輛火星車(chē)，前者是火星微量氣體探測(cè)任務(wù)，但最終美國(guó)宇航局由于預(yù)算受限等問(wèn)題，最終 “被迫”退出了聯(lián)合探測(cè)任務(wù)。

隨后，歐洲航天局繼續(xù)尋找其他航天機(jī)構(gòu)的合作，2013 年 3 月 14 日，歐洲航天局局長(zhǎng)多爾丹和俄羅斯聯(lián)邦航天局局長(zhǎng)波波夫金在歐洲航天局總部簽署了期待已久的 "外空火星" 探測(cè)項(xiàng)目合作協(xié)議。這一太空項(xiàng)目涉及兩次發(fā)射 , 2016 年將發(fā)射歐洲的一個(gè)通信與微量氣體軌道器 , 而 2018 年將發(fā)射歐洲的一輛漫游車(chē)。兩次發(fā)射都將使用俄方提供的質(zhì)子號(hào)火箭。

第一階段 : ExoMars 2016 任務(wù)

ExoMars 計(jì)劃的第一個(gè)任務(wù)包括微量氣體軌道器和進(jìn)入、下降和著陸演示模塊，即 “夏帕雷利 (Schiaparelli)”著陸器。該任務(wù)主要目標(biāo)是尋找甲烷和其他可能是活躍生物或地質(zhì)過(guò)程特征的大氣微量氣體證據(jù)，同時(shí)測(cè)試一些關(guān)鍵技術(shù)，為隨后的火星任務(wù)做準(zhǔn)備。

2016 年 3 月 14 日，微量氣體軌道器和 “夏帕雷利”著陸器一起由質(zhì)子火箭攜載升空飛向火星。利用地球和火星的定位優(yōu)勢(shì)，巡航階段被限定在 7 個(gè)月左右，計(jì)劃于 2016 年 10 月抵達(dá)火星。10 月 16 日，在到達(dá)火星大氣層的前三天，“夏帕雷利模塊”由人造衛(wèi)星發(fā)射到火星表面。“夏帕雷利模塊”向目的地滑行，以每小時(shí) 21000 公里的速度進(jìn)入火星大氣層，并使用空氣制動(dòng)和降落傘進(jìn)行減速。“夏帕雷利”著陸器滑行接近火星表面時(shí)，一直與微量氣體軌道器、火星快車(chē)探測(cè)器保持通訊。10 月 19 日，微量氣體軌道器進(jìn)入火星橢圓形軌道，之后 2017 年 1 月，該軌道器進(jìn)行多次角度調(diào)整，將相對(duì)赤道的飛行角度從 2016 年 10 月到達(dá)時(shí)的 7 度調(diào)整至 74 度，這將提供最佳表面覆蓋勘測(cè)。

在火星大氣中搜尋生命標(biāo)志性氣體

微量氣體軌道器是歐洲航天局和俄羅斯宇航局聯(lián)合執(zhí)行的第一次火星任務(wù)，該任務(wù)的關(guān)鍵目標(biāo)是更好地了解甲烷和其他大氣氣體，盡管這些氣體濃度很低 (不足大氣的 1%)，但可能是生命存在或者地質(zhì)活動(dòng)的證據(jù)。

空基和陸基觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，火星大氣中存在少量甲烷氣體，并且甲烷氣體濃度隨地點(diǎn)和時(shí)間的不同而變化。由于甲烷在地質(zhì)時(shí)間范圍內(nèi)非常短暫，它的存在意味著存在一種當(dāng)前活躍的甲烷源。雖然當(dāng)前并不清楚甲烷源是生物基礎(chǔ)還是化學(xué)基礎(chǔ)，通常情況下，地球生物在消化養(yǎng)分時(shí)會(huì)釋放甲烷氣體，但同時(shí)一些地質(zhì)活動(dòng)也會(huì)釋放甲烷氣體，例如某些礦物質(zhì)的氧化作用。

微量氣體軌道器攜帶的科學(xué)載荷可以解決氣體探測(cè)問(wèn)題，即探測(cè)和描述火星大氣層中的氣體，在位于 400 千米的高空中，微量氣體軌道器儀器設(shè)備可探測(cè)到甲烷、水蒸汽、氮氧化物、乙炔等，比之前測(cè)量精確度提高了 3 個(gè)數(shù)量級(jí)。

氣體軌道器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)火星大氣成分和溫度季節(jié)變化，從而便于創(chuàng)建和完善大氣模型。此外，相關(guān)儀器還能探測(cè)到火星表面 1 米以下的氫氣，與之前的測(cè)量相比，該軌道器的空間分辨率也有所提高。這可能揭曉隱藏在地表之下的水冰沉積物，并能確定微量氣體源，未來(lái)對(duì)載人著陸地點(diǎn)選擇具有重要意義。

火星通信

微量氣體軌道器和 “夏帕雷利”著陸器一起抵達(dá)火星，當(dāng)它們接近火星時(shí)，進(jìn)入火星大氣層，然后著陸在火星表面。當(dāng)部署完成之后，微量氣體軌道器在火星滑行過(guò)程中監(jiān)測(cè)到 “夏帕雷利”著陸器釋放的超高頻傳輸信號(hào)，同時(shí)，它還幫助 “夏帕雷利”著陸器測(cè)量的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。

無(wú)法逃避的恐怖 7 分鐘!

微量氣體軌道器順利進(jìn)入火星軌道，但是原計(jì)劃于 2016 年 10 月 19 日軟著陸在火星表面的 “夏帕雷利”著陸器就沒(méi)有那么幸運(yùn)，所有著陸火星表面的探測(cè)器，均要經(jīng)歷 “恐怖 7 分鐘”的考驗(yàn)，它們必須穿過(guò)熾熱的火星大氣層，然后順利地打開(kāi)降落傘，按照預(yù)定方式將速度從 6 公里 / 秒逐步降至零速度，最終才能平穩(wěn)落地，即不被燒毀，也不會(huì)粉身碎骨。在這短短 7 分鐘里，著陸器必須完成數(shù)千個(gè)程序步驟，一旦出錯(cuò)就徹底失敗。

但是 “夏帕雷利”著陸器未能順利闖關(guān)，在最艱險(xiǎn)的 “恐怖七分鐘”最后階段失聯(lián)。幾天之后，美國(guó)宇航局 “火星勘測(cè)軌道飛行器 (MRO)”找到了該著陸器的墜落地點(diǎn)，以及隔熱罩、降落傘等殘骸，最終確認(rèn)著陸失敗。

第二階段：ExoMars 2018 任務(wù)

ExoMars 太空計(jì)劃由兩階段構(gòu)成，第一階段是探測(cè)器結(jié)合地面著陸器，2016 年，微量氣體軌道器和 “夏帕雷利”著陸器一起由質(zhì)子火箭攜載升空，但 “夏帕雷利”著陸器最終未逃離恐怖 7 分鐘的命運(yùn);第二階段則是以一臺(tái)小型探測(cè)車(chē)為主，由俄羅斯設(shè)計(jì)著陸硬件設(shè)備，由歐盟提供導(dǎo)航系統(tǒng)和電子儀器，著陸之后探測(cè)車(chē)搭載的科學(xué)儀器主要進(jìn)行生物化學(xué)分析和土壤采集。然而，近年來(lái)俄羅斯工程師在設(shè)計(jì)著陸架構(gòu)方面遇到了技術(shù)瓶頸，歐盟研制科學(xué)儀器方面也出現(xiàn)了問(wèn)題，因此原定 2018 年發(fā)射推遲至 2020 年。

ExoMars 退出 2020“火星賽季”

事實(shí)上，這是 ExoMars 任務(wù)第六次延期，大約每隔 26 個(gè)月，會(huì)有一段很短暫的時(shí)期 (大概十幾天)適合從地球發(fā)射探測(cè)器抵達(dá)火星，科學(xué)家將這段時(shí)期稱(chēng)為 “火星發(fā)射窗口”。最近的 “火星發(fā)射窗口”在去年，也就是 2020 年 7 月中旬，如果推遲則必須等待兩年多。

ExoMars 2020 又被迫再次延期至 2022 年發(fā)射，歐洲航天局具體理由是：一是還需要更多時(shí)間進(jìn)行測(cè)試;二是 2020 年新冠疫情在歐洲大爆發(fā)嚴(yán)重影響了設(shè)計(jì)進(jìn)度;三是降落傘問(wèn)題未解決，據(jù)悉，由于著陸器和火星車(chē)的質(zhì)量不斷增加，最終歐洲航天局采取一種非常復(fù)雜的降落傘設(shè)計(jì)。

ExoMars 火星車(chē)設(shè)計(jì)存在缺陷，2022 年或是最后發(fā)射機(jī)會(huì)。

依據(jù)該降落傘方案，探測(cè)器進(jìn)入火星大氣層之后先打開(kāi)第一套副傘，下降一段距離就丟棄，然后再打開(kāi)第一套主傘，下降一段丟棄;再打開(kāi)第二套副傘，不丟棄，再打開(kāi)第二套主傘。其中最大的主傘直徑為 35 米，是迄今最大的火星降落傘。

專(zhuān)家指出，無(wú)論是降落傘的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，還是存在巨大部署難度，此項(xiàng)任務(wù)存在一定的困難和不確定性。如果著陸器反沖發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力充足，或許僅需要一個(gè)主降落傘即可。2018 年 3 月，該降落傘 1.2 公里低空測(cè)試時(shí)非常成功，但是 2019 年 5 月，研究人員進(jìn)行 29 公里的高空測(cè)試時(shí)完全失敗，這與降落傘的設(shè)計(jì)有直接關(guān)系。

對(duì)此，歐洲航天局前往完成 8 次火星著陸任務(wù)的美國(guó)宇航局噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)分析記錄數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)降落傘袋存在設(shè)計(jì)缺陷，降落傘自身沒(méi)有任何問(wèn)題，也就是說(shuō)讓降落傘能順利從傘袋中釋放，而不會(huì)出現(xiàn)摩擦撕裂的現(xiàn)象。目前，歐洲航天局順利完成了兩個(gè)主傘低速釋放試驗(yàn) (每小時(shí) 120 公里)，以及第一個(gè)主傘的首次高速釋放試驗(yàn)(每小時(shí) 200 公里)。

除了降落傘設(shè)計(jì)存在缺陷之外，推遲 ExoMars 2020 任務(wù)的主要原因還包括硬件和軟件方面的問(wèn)題。目前，ExoMars 2022 任務(wù)將攜帶火星車(chē)于 2022 年 8-10 月發(fā)射，2023 年 4-7 月抵達(dá)火星。

目前微量氣體軌道器已進(jìn)入火星軌道 3 年半，保守估計(jì)該軌道器的設(shè)計(jì)壽命只有 7 年，這意味著該軌道器在 2022 年火星發(fā)射窗口是最后一次作為通訊中繼端，ExoMars 2022 任務(wù)或許再?zèng)]有機(jī)會(huì)延期了。

ExoMars 2022 任務(wù)負(fù)責(zé)尋找生命跡象

ExoMars 2022 任務(wù)將歐洲航天局 “羅莎琳德 • 富蘭克林”著陸器和俄羅斯 “哈薩恰克”著陸平臺(tái)發(fā)射至火星表面，發(fā)射任務(wù)將使用質(zhì)子火箭，經(jīng)過(guò) 9 個(gè)月的飛行將抵達(dá)火星表面。著陸器將穿越火星表面尋找潛在的生命跡象，用鉆頭采集樣本，并用新一代儀器設(shè)備進(jìn)行研究分析。這是第一個(gè)兼具穿越火星表面、研究一定地下深度的研究任務(wù)。

一旦順利著陸后，探測(cè)車(chē)將離開(kāi) “哈薩恰克”著陸平臺(tái)，展開(kāi)科學(xué)任務(wù)。主要目標(biāo)是讓探測(cè)車(chē)在一處極可能找到保存完好有機(jī)物質(zhì)的地點(diǎn)著陸，能夠研究分析火星早期歷史。探測(cè)車(chē)可以確定火星地下樣本的物理和化學(xué)屬性，這些樣本更有可能包含著生物標(biāo)記，因?yàn)橄”〉幕鹦谴髿鈱訉?duì)地表輻射和光化學(xué)作用的保護(hù)微乎甚微。

鉆頭可從不同深度提取樣本，最深處可達(dá)到兩米，它包括一個(gè)紅外光譜儀來(lái)勘測(cè)鉆孔中的礦物特征，一旦收集到樣本，就會(huì)送到月球車(chē)的分析實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定礦物的化學(xué)性質(zhì)，尤其是探索相應(yīng)的有機(jī)物質(zhì)，預(yù)計(jì)該探測(cè)車(chē)在火星表面可以行駛數(shù)公里。

印度的火星探索

印度是亞洲第一個(gè)擁有火星探測(cè)器的國(guó)家，當(dāng)前火星軌道有 7 個(gè)空基探測(cè)器正在運(yùn)行，5 個(gè)屬于美國(guó)，1 個(gè)屬于歐洲，1 個(gè)屬于印度。印度空間研究組織 (ISRO)是迄今世界上第 4 個(gè)抵達(dá)火星的航天機(jī)構(gòu)，其他 3 個(gè)分別是：美國(guó)宇航局、歐洲航天局和俄羅斯航天局。

亞洲第一：印度首顆火星探測(cè)器 MOM 成功入軌

2014 年 9 月 24 日 10 點(diǎn) 30 分，依據(jù)傳回的無(wú)線信號(hào)，印度第一顆火星探測(cè)器 “MOM”已順利進(jìn)入火星軌道，同天，美國(guó)宇航局局長(zhǎng)查爾斯 • 博爾登祝賀印度火星探測(cè)器順利升空，他說(shuō)：“這是一項(xiàng)令人震驚的太空任務(wù)，我們非常歡迎印度加入研究火星的國(guó)際大家庭，我們期待 MOM 探測(cè)器進(jìn)一步拓寬人們對(duì)火星的認(rèn)知。”

據(jù)悉，該探測(cè)器于 2013 年 11 月 5 日從印度薩迪什達(dá)萬(wàn)航天中心發(fā)射，由印度國(guó)產(chǎn)極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭 (PSLV)攜載升空。發(fā)射升空之后，火箭大約在 1 個(gè)月的時(shí)間里先后 6 次進(jìn)行軌道提升機(jī)動(dòng)，最終于 2013 年 11 月 11 月 30 日進(jìn)入火星轉(zhuǎn)移軌道。

依據(jù)印度空間研究組織官方報(bào)道，MOM 探測(cè)器的主要任務(wù)是：驗(yàn)證印度設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)行星際探測(cè)任務(wù)的能力，研究人員從地面進(jìn)行遙控勘測(cè)，在太空安全飛行 300 多天，最終進(jìn)入火星軌道并執(zhí)行后續(xù)科學(xué)觀測(cè)，在此期間檢驗(yàn)印度探測(cè)器的深空通信、測(cè)控導(dǎo)航系統(tǒng)、任務(wù)規(guī)劃和管理方面的多項(xiàng)能力。

MOM 探測(cè)器的成功部署證實(shí)了印度掌握強(qiáng)大的深空觀測(cè)能力，據(jù)悉，在 MOM 任務(wù)中技術(shù)驗(yàn)證和工程設(shè)計(jì)可行性是第一位的，太空觀測(cè)能力是次要的。但專(zhuān)家指出，如果該探測(cè)器一切順利運(yùn)行，將觀測(cè)到火星表面地貌、勘測(cè)表面礦物結(jié)構(gòu)以及大氣屬性。

MOM 探測(cè)器面臨的重大考驗(yàn)

在進(jìn)入火星軌道之前，印度 MOM 探測(cè)器在太空中飛行了 10 個(gè)月，如果它成功進(jìn)入火星軌道，必須猛踩剎車(chē)。因此 MOM 探測(cè)器在進(jìn)入火星軌道前點(diǎn)燃了反向火箭，否則就會(huì)直接進(jìn)入火星大氣層，或者迷失在太空深處。

美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室任務(wù)設(shè)計(jì)師喬 · 吉恩 (Joe Guinn)稱(chēng)，這是 “一次性”事件，必須一次成功完成，這是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)!點(diǎn)燃反向火箭存在一定誤差，軌道燃燒并不是完美有效的，通常這樣的發(fā)射要持續(xù) 30 分鐘左右，并且執(zhí)行大約 95% 的燃燒就能成功進(jìn)入軌道。其他火星探測(cè)器在進(jìn)入火星軌道時(shí)并非每次都成功，1993 年 8 月，美國(guó)宇航局 “火星觀測(cè)者號(hào)”探測(cè)器即將抵達(dá)火星時(shí)失聯(lián)。吉恩表示，在對(duì)飛船制動(dòng)引擎增壓測(cè)試時(shí)發(fā)生泄漏也可能導(dǎo)致爆炸，使任務(wù)擱淺。

當(dāng)然，正確啟動(dòng)制動(dòng)引擎并非航天器進(jìn)入火星軌道所面臨的唯一挑戰(zhàn)。吉恩表示，地球和火星之間的巨大距離導(dǎo)致火星探測(cè)器與地面控制中心存在嚴(yán)重的通信延遲，依據(jù)行星軌道排列的差異，單程延遲可達(dá)到 24 分鐘。這意味著火星探測(cè)器潛在的問(wèn)題無(wú)法立即確定，雙程延遲至少是 48 分鐘，更不必說(shuō)立即解決了。

火星任務(wù)發(fā)射機(jī)會(huì)相對(duì)較少也帶來(lái)另一個(gè)困難，火星和地球的距離必須足夠近，每隔 26 個(gè)月進(jìn)行一次相對(duì)快速高效的太空飛行，這是難得的火星發(fā)射窗口。因此，將航天器送入火星軌道并非完全是例行公事，將著陸器降落在火星表面則更加困難。吉恩稱(chēng)，著陸任務(wù)必須在前往火星的最后階段實(shí)現(xiàn)精確飛行，在火星軌道部署探測(cè)器，需要將探測(cè)器發(fā)射至距離火星表面 50 公里之內(nèi)區(qū)域，目標(biāo)鎖定在火星上空某個(gè)高度，如果實(shí)現(xiàn)探測(cè)器著陸火星表面，探測(cè)器距離火星表面 10 公里之內(nèi)進(jìn)行精確評(píng)估計(jì)算。

成功拍攝火星和火衛(wèi)一彩照

2015 年 7 月，印度 MOM 探測(cè)器拍攝到火星一處巨大峽谷的 3D 圖像，揭示火星表面侵蝕力形成的溝壑。MOM 探測(cè)器拍攝的圖像是奧斐峽谷 (Ophir Chasma), 位于火星赤道部分，照片拍攝于 7 月 19 日，分辨率達(dá)到 96 米。該圖像呈現(xiàn)山丘、小碰撞坑和山體滑坡形成的溝壑，印度空間研究組織在聲明中稱(chēng)，峽谷壁有許多層，谷底有大量層狀物質(zhì)。該峽谷是連接水手峽谷最北端的山谷，大約有 4000 公里長(zhǎng)，圖中可見(jiàn)的懸崖很可能是由于山體滑坡造成，斷層隨著時(shí)間的推移而不斷地崩塌。除此之外，MOM 探測(cè)器的火星彩色相機(jī)還拍攝了火星一些區(qū)域，例如：蓋勒隕坑、以及火星最大火山蒂勒赫納斯蒙斯火山。此外，MOM 探測(cè)器還成功拍攝到火衛(wèi)一彩色照片。

自 2014 年 MOM 探測(cè)器成功進(jìn)入火星軌道之后，一直環(huán)繞火星大橢圓軌道運(yùn)行。由于印度政府僅是通過(guò) MOM 探測(cè)器驗(yàn)證太空飛行可行性方案，因此僅制定了為期 6 個(gè)月的探測(cè)計(jì)劃。5 年過(guò)去了，該探測(cè)器仍不斷地向地球傳回勘測(cè)數(shù)據(jù)，期間探測(cè)器的科學(xué)儀器和通信天線未出現(xiàn)任何故障。目前，印度空間研究組織工程師綜合評(píng)估稱(chēng)，過(guò)去 5 年的軌道飛行相對(duì)穩(wěn)定，探測(cè)器節(jié)省了大量燃料，截至 2019 年 10 月，該探測(cè)器還剩余幾公斤燃料，至少還能維持一年。

關(guān)鍵詞： ExoMars 火星車(chē) 2022年