“火星生物學-2016”奔向火星

王帥 張揚眉 （北京空間科技信息研究所）

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“火星生物學-2016”奔向火星

王帥 張揚眉 （北京空間科技信息研究所）

北京時間2016年3月14日17：31，歐洲和俄羅斯聯合開展的“火星生物學-2016”（ExoMars 2016）從拜科努爾航天發射場由質子-M/微風-M（Proton-M/Briz-M）運載火箭發射升空，并成功進入地火轉移軌道。該任務將對火星大氣中的稀有氣體進行詳盡的探測，并驗證歐洲航天局（ESA）的火星軟著陸技術，為未來火星探測任務奠定技術基礎。

1　項目背景

“火星生物學”是ESA尋找現在或過去生命痕跡的火星探測項目，也是“曙光”（Aurora）計劃的旗艦級項目。它不僅將探測火星環境，還將驗證ESA未來火星采樣返回任務所需的新型技術。該項目共包括兩次火星探測任務，都將通過與俄羅斯的合作實施，其中“火星生物學-2016”包括1個軌道器和1個“進入、下降和著陸演示模塊”（EDM）；2018年發射的任務簡稱為“火星生物學-2018”，包括1輛火星車和1個火星表面平臺。

早在1999年的一份報告中就建議ESA利用火星車進行一項地外生物學任務。2001年，ESA啟動了“曙光”計劃，并將研究“火星生物學”的任務作為高優先級任務。2002年，ESA開始了“火星生物學”項目的研究。2005年，ESA決定正式開展“火星生物學”項目。最初的構想包括1輛火星車和1個靜態著陸器，并計劃于2011年搭乘俄羅斯“聯盟”（Soyuz）運載火箭發射。

2008年10月，ESA將“火星生物學”的發射時間推遲至2016年。同年11月，鑒于ESA理事會分配的資金不足以支撐“火星生物學”項目的發展，項目進入改革階段，包括有效載荷的更換以及國際合作計劃的制定。2009年7月，理事會決定與美國航空航天局（NASA）合作進行“火星生物學”項目，并簽署了“火星聯合探測倡議”（MEJI），將采用美國“宇宙神”（Atlas）運載火箭代替俄羅斯“聯盟”運載火箭。運載能力的下降導致ESA必須更改“火星生物學”項目的任務搭載質量和技術設置。最終，ESA決定將“火星生物學”項目分為2次發射（2016年和2018年），并且將“微量氣體軌道器”（TGO）并入2016年發射的靜態著陸器任務。

“火星生物學”項目包含的任務要素

2011年7月，“火星生物學-2016”進入實施階段。同年10月，ESA與原俄羅斯聯邦航天局（Roscosmos，現并入俄羅斯航天國家集團）討論未來可能的合作。2012年1月，ESA完成了與Roscosmos合作的研究。2012年2月，NASA由于預算縮減退出了與ESA的“火星生物學”合作項目。隨后，ESA與Roscosmos確定合作進行“火星生物學”項目，并于2012年4月簽署了合作意向書。

2013年3月，ESA與Roscosmos簽訂了“火星生物學”項目的合作協議，由俄羅斯為2次“火星生物學”任務提供質子-M/微風-M運載火箭和發射服務，并為2018年的任務提供火星表面平臺。同時，“微量氣體軌道器”將搭載當時為“火衛一-土壤”（Phobos-Grunt）研制的2個俄羅斯儀器，同時所有的科學成果由ESA和Roscosmos共同所有。

“火星生物學”項目參與情況

2　工程目標和科學目標

“火星生物學”項目將驗證未來的探測任務，特別是火星采樣返回任務所需的大量基本飛行和原位利用技術，具體工程目標如下：

1）有效載荷到達火星表面的進入、下降和著陸技術；

2）火星車表面移動技術；

3）通過鉆孔收集地表以下樣本的技術；

4）樣本獲取和分析技術。

“火星生物學”項目的科學目標如下：

1）尋找火星過去或現在的生命痕跡；

2）探測火星地下淺層水和物質的分布；

3）研究火星大氣中的微量氣體，以及這些微量氣體的來源。

3　“火星生物學-2016”

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

“微量氣體軌道器”

“微量氣體軌道器”由ESA設計，將對火星大氣進行詳盡的遙感觀測，搜尋甲烷及其降解產物等具有潛在生物學意義的氣體。其上的星載儀器將分析產生這些氣體的位置以及來源。其科學任務預計從2017 年12月開始，并持續5年的時間。同時，其還將作為“火星生物學-2018”任務的數據中繼設施，一直工作到2022年底。

它將利用一系列科學儀器探測火星大氣中的稀有氣體，精度將比以往的地面和在軌測量高3個數量級。它共包括4個科學有效載荷。

“微量氣體軌道器”的主要技術參數

“微量氣體軌道器”的科學有效載荷

“進入、下降和著陸演示模塊”

“進入、下降和著陸演示模塊”由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）牽頭的歐洲工業界設計，將驗證火星進入、下降和著陸技術。它使用了大量“火星生物學”項目發展的技術，包括特殊熱防護材料、降落傘系統、雷達多普勒測高儀，以及液體推進的末端制動系統。在完成著陸后，它將利用剩余的電量在火星表面運行很短的一段時間，攜帶的一套科學傳感器將實施有限但有效的科學探測。

其科學有效載荷主要包括“火星表面塵埃描述、風險評估和環境分析儀”（DREAMS）、“火星大氣進入和著陸研究與分析儀”（AMELIA）、“下降相機”（DECA）和“高分辨率超熱中子探測器”（FREND）。

“進入、下降和著陸演示模塊”的主要技術參數

“進入、下降和著陸演示模塊”的科學有效載荷

它將在120km高度進入火星大氣，速度為21000km/h。在進入階段，熱防護罩將保護著陸器并實現減速。當到達11km左右時，著陸器將打開降落傘進一步減速。之后，它將先后拋棄前、后防熱罩，并打開多普勒雷達測高儀和速度計進行著陸點的定位。在著陸階段，液體推進系統將開始制動，最終使“進入、下降和著陸演示模塊”在2m高處達到4km/h的速度。之后，發動機關閉，該火星著陸器落向火星表面，著陸的沖擊將通過模塊上的可壓扁結構進行緩沖。著陸地點為子午線平原，選擇該地點的原因為子午線平原地勢平坦，包含一個古老的赤鐵礦和氧化鐵層。在地球上，氧化鐵一般在含液態水的環境下形成。

“進入、下降和著陸演示模塊”的進入、下降和著陸過程

任務歷程

北京時間2016年3月14日17：31，“火星生物學-2016”搭載質子-M/微風-M火箭成功發射。北京時間3月15日05：29，位于德國達姆施塔特的ESA航天控制中心首次接收到探測器信號，確認探測器成功進入火星轉移軌道。“火星生物學-2016”預計于2016年10月到達火星，在到達火星大氣前3天，“進入、下降和著陸演示模塊”將與“微量氣體軌道器”分離。之后，它將到達火星并開始進入、下降和著陸過程。從分離到著陸這段時間，“進入、下降和著陸演示模塊”將通過“微量氣體軌道器”進行通信。一旦著陸火星表面，它將通過NASA的火星軌道器進行通信。另一方面，“微量氣體軌道器”將進入環繞火星的橢圓軌道，并通過氣動減速最終進入約400km高的圓軌道，準備開始進行科學任務。

4 “火星生物學-2018”

計劃于2018年發射的“火星生物學-2018”包括1輛由歐洲研制的火星車和1個由俄羅斯研制的火星表面平臺。火星車將在火星表面進行巡視探測以尋找生命痕跡，利用鉆孔機和科學儀器進行取樣和分析，這將是首個結合巡視能力和鉆孔分析能力的任務。火星表面平臺則將在著落點研究火星的環境。

“火星生物學-2016”各個任務階段

歐洲火星車

歐洲火星車具有以下關鍵能力：表面巡視，地下鉆孔，自動進行樣本的收集、處理和分配，以及利用一系列分析儀器對地下樣本的理化性質進行研究。選擇研究地下樣本是因為稀薄的火星大氣無法在火星表面提供足夠的保護以抵擋輻射和光化學，地下樣本將更有可能包含生命痕跡。

該火星車采用太陽電池板進行供電，并利用新型電池和加熱器元件度過寒冷的火星夜晚。由于每個火星日僅進行1～2次短暫通信，火星車將是高度自主的。科學家將基于火星車相機獲得的立體圖像選定目的地，而后火星車計算導航方案，并以每火星日大約100m的速度移動。為此，火星車將通過導航立體相機生成數字地圖，進而計算合適的路徑，并利用特寫避障相機保證安全。

此火星車將通過6個車輪進行移動。每個車輪安裝在獨立的支樞裝置上，可以獨立引導和驅動，從而形成強大的行走能力以應對火星表面復雜的地形。另外，傾斜計和陀螺儀將促進運動控制的魯棒性，太陽敏感器將用于確定火星車在火星表面的絕對姿態以及相對于地球的方向。

結合相機系統的圖像和探底雷達的數據，科學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），分析孔壁礦物學并收集樣本。樣本將轉移至火星車核心部位的分析實驗室，并被磨成粉末。樣本粉末將通過配量站分配給分析實驗室的各個儀器進行化學、物理和光譜分析。

歐洲火星車

鉆孔機用于獲得各類型的土壤樣本，最大鉆孔深度可達2m。任務過程中，鉆孔機將完成7個實驗周期，至少進行兩次深達2m的垂直探測，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氣口，并由分析實驗室進行分配、處理和分析。鉆孔機內部裝有火星光譜成像儀，用于進行地下探測。鉆孔機主要包括以下5個組成部分：

歐洲火星車的科學有效載荷

1）1個鉆具：大約700mm長，裝配有樣本獲取裝置，包括遮板、可移動活塞、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）擰接鉆桿：每個大約500mm長，用于將鉆孔深度擴展至2m。

3）1個旋轉平動組：包括滑動運輸發動機、傳感器、齒輪機構和“火星亞表面研究多光譜成像儀”光旋轉連接器。

4）1個鉆箱結構：包括測竿的夾緊裝置和自動伸縮裝置。“火星亞表面研究多光譜成像儀”分光儀和鉆孔機電子設備也安裝在鉆箱結構內。

5）1個備份鉆具：用于異常情況的備份。

鉆孔機由專用的定位系統支持，負責將鉆孔機從火星車底盤前部的存儲位置部署至操作位置。鉆孔機定位系統還裝備了應急拋棄裝置。

俄羅斯火星表面平臺

火星表面平臺由Roscosmos和俄羅斯科學院空間研究所（IKI）負責，設計壽命為1年。在著陸后，該平臺將在著陸地點對火星表面環境進行分析，主要科學目標為著陸點的成像、氣候的長期監測以及大氣的調查研究。其上的儀器還將用于進行以下研究：著陸點的地下水分布情況，大氣和地表之間揮發物的交換，監測輻射環境，并與“微量氣體軌道器”的檢測結果進行比較，行星內部結構的探測。

該平臺質量為827.9kg，其中，有效載荷質量45kg。其包含的主要儀器如下：

1）“著陸器無線電科學實驗”（LaRa）裝置：主要用于揭示火星的內部結構，并精確測量火星的自轉和方向。

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的變化，以及紫外線輻射環境。

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）磁強計（MAIGRET）。

5）無線溫度計（PAT-M）：用于測量土壤溫度。

6）一組相機（TSPP）：用于對著陸點環境進行成像。

7）紅外光譜儀（FAST）：用于大氣研究。

8）中子光譜儀和劑量計（ADRON-EM）。

9）儀器接口和內存單元（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-質譜法，用于分析火星大氣。

12）“塵埃套件”：用于測量火星塵埃。

13）地震儀（SEM）。

其中，“著陸器無線電科學實驗”裝置、“可居住性、鹽水輻照和溫度模塊”，以及氣象模塊和磁強計中的4個傳感器由ESA提供，其余皆由俄羅斯提供。

任務歷程

“火星生物學-2018”計劃于2018年5月發射，飛行時間為9個月。在發射和飛向火星的過程中，由ESA提供的載體模塊將負責運輸火星表面平臺和火星車。在到達火星大氣前，由Roscosmos提供的下降模塊將從載體模塊中分離出來。在下降、著陸過程中，降落傘、推進器和緩沖裝置將用于降低速度，從而保證火星表面平臺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出發，開始進行科學任務。在巡視過程中，火星車將利用鉆孔機進行采樣。收集的樣本將被轉移至火星車的分析實驗室中進行礦物學和化學研究，以及最重要的有機物質識別。火星車預計將在任務期間行駛數千米。

“火星生物學-2016”的“微量氣體軌道器”將支持任務的通信。火星車運行控制中心（ROCC）將在意大利都靈建造，進行火星車運行的監測和控制。火星車將通過“微量氣體軌道器”和ESA的空間通信網接收指令。

祁首冰/本文編輯

ExoMars 2016 Launched