“火星生物學(xué)-2016”奔向火星

王帥 張揚(yáng)眉 （北京空間科技信息研究所）

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“火星生物學(xué)-2016”奔向火星

王帥 張揚(yáng)眉 （北京空間科技信息研究所）

北京時(shí)間2016年3月14日17：31，歐洲和俄羅斯聯(lián)合開(kāi)展的“火星生物學(xué)-2016”（ExoMars 2016）從拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)由質(zhì)子-M/微風(fēng)-M（Proton-M/Briz-M）運(yùn)載火箭發(fā)射升空，并成功進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道。該任務(wù)將對(duì)火星大氣中的稀有氣體進(jìn)行詳盡的探測(cè)，并驗(yàn)證歐洲航天局（ESA）的火星軟著陸技術(shù)，為未來(lái)火星探測(cè)任務(wù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1　項(xiàng)目背景

“火星生物學(xué)”是ESA尋找現(xiàn)在或過(guò)去生命痕跡的火星探測(cè)項(xiàng)目，也是“曙光”（Aurora）計(jì)劃的旗艦級(jí)項(xiàng)目。它不僅將探測(cè)火星環(huán)境，還將驗(yàn)證ESA未來(lái)火星采樣返回任務(wù)所需的新型技術(shù)。該項(xiàng)目共包括兩次火星探測(cè)任務(wù)，都將通過(guò)與俄羅斯的合作實(shí)施，其中“火星生物學(xué)-2016”包括1個(gè)軌道器和1個(gè)“進(jìn)入、下降和著陸演示模塊”（EDM）；2018年發(fā)射的任務(wù)簡(jiǎn)稱為“火星生物學(xué)-2018”，包括1輛火星車和1個(gè)火星表面平臺(tái)。

早在1999年的一份報(bào)告中就建議ESA利用火星車進(jìn)行一項(xiàng)地外生物學(xué)任務(wù)。2001年，ESA啟動(dòng)了“曙光”計(jì)劃，并將研究“火星生物學(xué)”的任務(wù)作為高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。2002年，ESA開(kāi)始了“火星生物學(xué)”項(xiàng)目的研究。2005年，ESA決定正式開(kāi)展“火星生物學(xué)”項(xiàng)目。最初的構(gòu)想包括1輛火星車和1個(gè)靜態(tài)著陸器，并計(jì)劃于2011年搭乘俄羅斯“聯(lián)盟”（Soyuz）運(yùn)載火箭發(fā)射。

2008年10月，ESA將“火星生物學(xué)”的發(fā)射時(shí)間推遲至2016年。同年11月，鑒于ESA理事會(huì)分配的資金不足以支撐“火星生物學(xué)”項(xiàng)目的發(fā)展，項(xiàng)目進(jìn)入改革階段，包括有效載荷的更換以及國(guó)際合作計(jì)劃的制定。2009年7月，理事會(huì)決定與美國(guó)航空航天局（NASA）合作進(jìn)行“火星生物學(xué)”項(xiàng)目，并簽署了“火星聯(lián)合探測(cè)倡議”（MEJI），將采用美國(guó)“宇宙神”（Atlas）運(yùn)載火箭代替俄羅斯“聯(lián)盟”運(yùn)載火箭。運(yùn)載能力的下降導(dǎo)致ESA必須更改“火星生物學(xué)”項(xiàng)目的任務(wù)搭載質(zhì)量和技術(shù)設(shè)置。最終，ESA決定將“火星生物學(xué)”項(xiàng)目分為2次發(fā)射（2016年和2018年），并且將“微量氣體軌道器”（TGO）并入2016年發(fā)射的靜態(tài)著陸器任務(wù)。

“火星生物學(xué)”項(xiàng)目包含的任務(wù)要素

2011年7月，“火星生物學(xué)-2016”進(jìn)入實(shí)施階段。同年10月，ESA與原俄羅斯聯(lián)邦航天局（Roscosmos，現(xiàn)并入俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)）討論未來(lái)可能的合作。2012年1月，ESA完成了與Roscosmos合作的研究。2012年2月，NASA由于預(yù)算縮減退出了與ESA的“火星生物學(xué)”合作項(xiàng)目。隨后，ESA與Roscosmos確定合作進(jìn)行“火星生物學(xué)”項(xiàng)目，并于2012年4月簽署了合作意向書(shū)。

2013年3月，ESA與Roscosmos簽訂了“火星生物學(xué)”項(xiàng)目的合作協(xié)議，由俄羅斯為2次“火星生物學(xué)”任務(wù)提供質(zhì)子-M/微風(fēng)-M運(yùn)載火箭和發(fā)射服務(wù)，并為2018年的任務(wù)提供火星表面平臺(tái)。同時(shí)，“微量氣體軌道器”將搭載當(dāng)時(shí)為“火衛(wèi)一-土壤”（Phobos-Grunt）研制的2個(gè)俄羅斯儀器，同時(shí)所有的科學(xué)成果由ESA和Roscosmos共同所有。

“火星生物學(xué)”項(xiàng)目參與情況

2　工程目標(biāo)和科學(xué)目標(biāo)

“火星生物學(xué)”項(xiàng)目將驗(yàn)證未來(lái)的探測(cè)任務(wù)，特別是火星采樣返回任務(wù)所需的大量基本飛行和原位利用技術(shù)，具體工程目標(biāo)如下：

1）有效載荷到達(dá)火星表面的進(jìn)入、下降和著陸技術(shù)；

2）火星車表面移動(dòng)技術(shù)；

3）通過(guò)鉆孔收集地表以下樣本的技術(shù)；

4）樣本獲取和分析技術(shù)。

“火星生物學(xué)”項(xiàng)目的科學(xué)目標(biāo)如下：

1）尋找火星過(guò)去或現(xiàn)在的生命痕跡；

2）探測(cè)火星地下淺層水和物質(zhì)的分布；

3）研究火星大氣中的微量氣體，以及這些微量氣體的來(lái)源。

3　“火星生物學(xué)-2016”

“火星生物學(xué)-2016”包括“微量氣體軌道器”和“進(jìn)入、下降和著陸演示模塊”。“微量氣體軌道器”上攜帶的科學(xué)儀器將對(duì)大氣中的甲烷等微量氣體進(jìn)行探測(cè)。“進(jìn)入、下降和著陸演示模塊”也被稱為“斯基亞帕雷利”（Schiaparelli，意大利天文學(xué)家，曾繪制火星表面部分地圖）著陸器，包含用于評(píng)估著陸器在下降過(guò)程中性能的傳感器，以及在著陸點(diǎn)研究火星環(huán)境的傳感器。

“微量氣體軌道器”

“微量氣體軌道器”由ESA設(shè)計(jì)，將對(duì)火星大氣進(jìn)行詳盡的遙感觀測(cè)，搜尋甲烷及其降解產(chǎn)物等具有潛在生物學(xué)意義的氣體。其上的星載儀器將分析產(chǎn)生這些氣體的位置以及來(lái)源。其科學(xué)任務(wù)預(yù)計(jì)從2017 年12月開(kāi)始，并持續(xù)5年的時(shí)間。同時(shí)，其還將作為“火星生物學(xué)-2018”任務(wù)的數(shù)據(jù)中繼設(shè)施，一直工作到2022年底。

它將利用一系列科學(xué)儀器探測(cè)火星大氣中的稀有氣體，精度將比以往的地面和在軌測(cè)量高3個(gè)數(shù)量級(jí)。它共包括4個(gè)科學(xué)有效載荷。

“微量氣體軌道器”的主要技術(shù)參數(shù)

“微量氣體軌道器”的科學(xué)有效載荷

“進(jìn)入、下降和著陸演示模塊”

“進(jìn)入、下降和著陸演示模塊”由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）牽頭的歐洲工業(yè)界設(shè)計(jì)，將驗(yàn)證火星進(jìn)入、下降和著陸技術(shù)。它使用了大量“火星生物學(xué)”項(xiàng)目發(fā)展的技術(shù)，包括特殊熱防護(hù)材料、降落傘系統(tǒng)、雷達(dá)多普勒測(cè)高儀，以及液體推進(jìn)的末端制動(dòng)系統(tǒng)。在完成著陸后，它將利用剩余的電量在火星表面運(yùn)行很短的一段時(shí)間，攜帶的一套科學(xué)傳感器將實(shí)施有限但有效的科學(xué)探測(cè)。

其科學(xué)有效載荷主要包括“火星表面塵埃描述、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和環(huán)境分析儀”（DREAMS）、“火星大氣進(jìn)入和著陸研究與分析儀”（AMELIA）、“下降相機(jī)”（DECA）和“高分辨率超熱中子探測(cè)器”（FREND）。

“進(jìn)入、下降和著陸演示模塊”的主要技術(shù)參數(shù)

“進(jìn)入、下降和著陸演示模塊”的科學(xué)有效載荷

它將在120km高度進(jìn)入火星大氣，速度為21000km/h。在進(jìn)入階段，熱防護(hù)罩將保護(hù)著陸器并實(shí)現(xiàn)減速。當(dāng)?shù)竭_(dá)11km左右時(shí)，著陸器將打開(kāi)降落傘進(jìn)一步減速。之后，它將先后拋棄前、后防熱罩，并打開(kāi)多普勒雷達(dá)測(cè)高儀和速度計(jì)進(jìn)行著陸點(diǎn)的定位。在著陸階段，液體推進(jìn)系統(tǒng)將開(kāi)始制動(dòng)，最終使“進(jìn)入、下降和著陸演示模塊”在2m高處達(dá)到4km/h的速度。之后，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，該火星著陸器落向火星表面，著陸的沖擊將通過(guò)模塊上的可壓扁結(jié)構(gòu)進(jìn)行緩沖。著陸地點(diǎn)為子午線平原，選擇該地點(diǎn)的原因?yàn)樽游缇€平原地勢(shì)平坦，包含一個(gè)古老的赤鐵礦和氧化鐵層。在地球上，氧化鐵一般在含液態(tài)水的環(huán)境下形成。

“進(jìn)入、下降和著陸演示模塊”的進(jìn)入、下降和著陸過(guò)程

任務(wù)歷程

北京時(shí)間2016年3月14日17：31，“火星生物學(xué)-2016”搭載質(zhì)子-M/微風(fēng)-M火箭成功發(fā)射。北京時(shí)間3月15日05：29，位于德國(guó)達(dá)姆施塔特的ESA航天控制中心首次接收到探測(cè)器信號(hào)，確認(rèn)探測(cè)器成功進(jìn)入火星轉(zhuǎn)移軌道。“火星生物學(xué)-2016”預(yù)計(jì)于2016年10月到達(dá)火星，在到達(dá)火星大氣前3天，“進(jìn)入、下降和著陸演示模塊”將與“微量氣體軌道器”分離。之后，它將到達(dá)火星并開(kāi)始進(jìn)入、下降和著陸過(guò)程。從分離到著陸這段時(shí)間，“進(jìn)入、下降和著陸演示模塊”將通過(guò)“微量氣體軌道器”進(jìn)行通信。一旦著陸火星表面，它將通過(guò)NASA的火星軌道器進(jìn)行通信。另一方面，“微量氣體軌道器”將進(jìn)入環(huán)繞火星的橢圓軌道，并通過(guò)氣動(dòng)減速最終進(jìn)入約400km高的圓軌道，準(zhǔn)備開(kāi)始進(jìn)行科學(xué)任務(wù)。

4 “火星生物學(xué)-2018”

計(jì)劃于2018年發(fā)射的“火星生物學(xué)-2018”包括1輛由歐洲研制的火星車和1個(gè)由俄羅斯研制的火星表面平臺(tái)。火星車將在火星表面進(jìn)行巡視探測(cè)以尋找生命痕跡，利用鉆孔機(jī)和科學(xué)儀器進(jìn)行取樣和分析，這將是首個(gè)結(jié)合巡視能力和鉆孔分析能力的任務(wù)。火星表面平臺(tái)則將在著落點(diǎn)研究火星的環(huán)境。

“火星生物學(xué)-2016”各個(gè)任務(wù)階段

歐洲火星車

歐洲火星車具有以下關(guān)鍵能力：表面巡視，地下鉆孔，自動(dòng)進(jìn)行樣本的收集、處理和分配，以及利用一系列分析儀器對(duì)地下樣本的理化性質(zhì)進(jìn)行研究。選擇研究地下樣本是因?yàn)橄”〉幕鹦谴髿鉄o(wú)法在火星表面提供足夠的保護(hù)以抵擋輻射和光化學(xué)，地下樣本將更有可能包含生命痕跡。

該火星車采用太陽(yáng)電池板進(jìn)行供電，并利用新型電池和加熱器元件度過(guò)寒冷的火星夜晚。由于每個(gè)火星日僅進(jìn)行1～2次短暫通信，火星車將是高度自主的。科學(xué)家將基于火星車相機(jī)獲得的立體圖像選定目的地，而后火星車計(jì)算導(dǎo)航方案，并以每火星日大約100m的速度移動(dòng)。為此，火星車將通過(guò)導(dǎo)航立體相機(jī)生成數(shù)字地圖，進(jìn)而計(jì)算合適的路徑，并利用特寫(xiě)避障相機(jī)保證安全。

此火星車將通過(guò)6個(gè)車輪進(jìn)行移動(dòng)。每個(gè)車輪安裝在獨(dú)立的支樞裝置上，可以獨(dú)立引導(dǎo)和驅(qū)動(dòng)，從而形成強(qiáng)大的行走能力以應(yīng)對(duì)火星表面復(fù)雜的地形。另外，傾斜計(jì)和陀螺儀將促進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制的魯棒性，太陽(yáng)敏感器將用于確定火星車在火星表面的絕對(duì)姿態(tài)以及相對(duì)于地球的方向。

結(jié)合相機(jī)系統(tǒng)的圖像和探底雷達(dá)的數(shù)據(jù)，科學(xué)家將確定合適的鉆孔位置。之后，火星車地下采樣裝置將自主鉆孔至需要的深度（最多2m），分析孔壁礦物學(xué)并收集樣本。樣本將轉(zhuǎn)移至火星車核心部位的分析實(shí)驗(yàn)室，并被磨成粉末。樣本粉末將通過(guò)配量站分配給分析實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)儀器進(jìn)行化學(xué)、物理和光譜分析。

歐洲火星車

鉆孔機(jī)用于獲得各類型的土壤樣本，最大鉆孔深度可達(dá)2m。任務(wù)過(guò)程中，鉆孔機(jī)將完成7個(gè)實(shí)驗(yàn)周期，至少進(jìn)行兩次深達(dá)2m的垂直探測(cè)，將獲得至少17份樣本。提取的樣本將被交付至火星車有效載荷模塊的進(jìn)氣口，并由分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分配、處理和分析。鉆孔機(jī)內(nèi)部裝有火星光譜成像儀，用于進(jìn)行地下探測(cè)。鉆孔機(jī)主要包括以下5個(gè)組成部分：

歐洲火星車的科學(xué)有效載荷

1）1個(gè)鉆具：大約700mm長(zhǎng)，裝配有樣本獲取裝置，包括遮板、可移動(dòng)活塞、位置和溫度傳感器、以及“火星亞表面研究多光譜成像儀”的末端組件。

2）1組（3個(gè)）擰接鉆桿：每個(gè)大約500mm長(zhǎng)，用于將鉆孔深度擴(kuò)展至2m。

3）1個(gè)旋轉(zhuǎn)平動(dòng)組：包括滑動(dòng)運(yùn)輸發(fā)動(dòng)機(jī)、傳感器、齒輪機(jī)構(gòu)和“火星亞表面研究多光譜成像儀”光旋轉(zhuǎn)連接器。

4）1個(gè)鉆箱結(jié)構(gòu)：包括測(cè)竿的夾緊裝置和自動(dòng)伸縮裝置。“火星亞表面研究多光譜成像儀”分光儀和鉆孔機(jī)電子設(shè)備也安裝在鉆箱結(jié)構(gòu)內(nèi)。

5）1個(gè)備份鉆具：用于異常情況的備份。

鉆孔機(jī)由專用的定位系統(tǒng)支持，負(fù)責(zé)將鉆孔機(jī)從火星車底盤前部的存儲(chǔ)位置部署至操作位置。鉆孔機(jī)定位系統(tǒng)還裝備了應(yīng)急拋棄裝置。

俄羅斯火星表面平臺(tái)

火星表面平臺(tái)由Roscosmos和俄羅斯科學(xué)院空間研究所（IKI）負(fù)責(zé)，設(shè)計(jì)壽命為1年。在著陸后，該平臺(tái)將在著陸地點(diǎn)對(duì)火星表面環(huán)境進(jìn)行分析，主要科學(xué)目標(biāo)為著陸點(diǎn)的成像、氣候的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)以及大氣的調(diào)查研究。其上的儀器還將用于進(jìn)行以下研究：著陸點(diǎn)的地下水分布情況，大氣和地表之間揮發(fā)物的交換，監(jiān)測(cè)輻射環(huán)境，并與“微量氣體軌道器”的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測(cè)。

該平臺(tái)質(zhì)量為827.9kg，其中，有效載荷質(zhì)量45kg。其包含的主要儀器如下：

1）“著陸器無(wú)線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)”（LaRa）裝置：主要用于揭示火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并精確測(cè)量火星的自轉(zhuǎn)和方向。

2）“可居住性、鹽水輻照和溫度模塊”（HABIT）：主要用于研究火星大氣中的水蒸氣含量，地面和空氣溫度隨晝夜和季節(jié)的變化，以及紫外線輻射環(huán)境。

3）氣象模塊（METEO）：包括壓力傳感器、濕度傳感器、輻射和塵埃傳感器，以及各向異性磁阻傳感器。

4）磁強(qiáng)計(jì)（MAIGRET）。

5）無(wú)線溫度計(jì)（PAT-M）：用于測(cè)量土壤溫度。

6）一組相機(jī)（TSPP）：用于對(duì)著陸點(diǎn)環(huán)境進(jìn)行成像。

7）紅外光譜儀（FAST）：用于大氣研究。

8）中子光譜儀和劑量計(jì)（ADRON-EM）。

9）儀器接口和內(nèi)存單元（BIP）。

1 0）“多通道二極管激光光譜儀”（M-DLS）：用于分析火星大氣。

11）“火星氣體分析模塊”（MGAP）：氣相色譜-質(zhì)譜法，用于分析火星大氣。

12）“塵埃套件”：用于測(cè)量火星塵埃。

13）地震儀（SEM）。

其中，“著陸器無(wú)線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)”裝置、“可居住性、鹽水輻照和溫度模塊”，以及氣象模塊和磁強(qiáng)計(jì)中的4個(gè)傳感器由ESA提供，其余皆由俄羅斯提供。

任務(wù)歷程

“火星生物學(xué)-2018”計(jì)劃于2018年5月發(fā)射，飛行時(shí)間為9個(gè)月。在發(fā)射和飛向火星的過(guò)程中，由ESA提供的載體模塊將負(fù)責(zé)運(yùn)輸火星表面平臺(tái)和火星車。在到達(dá)火星大氣前，由Roscosmos提供的下降模塊將從載體模塊中分離出來(lái)。在下降、著陸過(guò)程中，降落傘、推進(jìn)器和緩沖裝置將用于降低速度，從而保證火星表面平臺(tái)和火星車在火星表面受控著陸。

著陸后，火星車將從火星表面平臺(tái)出發(fā)，開(kāi)始進(jìn)行科學(xué)任務(wù)。在巡視過(guò)程中，火星車將利用鉆孔機(jī)進(jìn)行采樣。收集的樣本將被轉(zhuǎn)移至火星車的分析實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行礦物學(xué)和化學(xué)研究，以及最重要的有機(jī)物質(zhì)識(shí)別。火星車預(yù)計(jì)將在任務(wù)期間行駛數(shù)千米。

“火星生物學(xué)-2016”的“微量氣體軌道器”將支持任務(wù)的通信。火星車運(yùn)行控制中心（ROCC）將在意大利都靈建造，進(jìn)行火星車運(yùn)行的監(jiān)測(cè)和控制。火星車將通過(guò)“微量氣體軌道器”和ESA的空間通信網(wǎng)接收指令。

祁首冰/本文編輯

ExoMars 2016 Launched