歐俄ExoMars火星探測器發射成功：尋找火星生命

　　出品：科普中國

　　製作：中國科學院國家天文台 鄭永春

　　監製：中國科學院計算機網絡信息中心

　　1. 發射成功只是任務的開始

　　2016年3月14日下午17:31，歐空局和俄羅斯航天局聯合研製的“ExoMars 2016”火星探測器，搭乘俄羅斯研製的“質子”號火箭，從位於哈薩克斯坦的從拜科努爾航天發射場升空，預計今年年底抵達火星。“ExoMars”是“Exobiology on Mars”的英文縮寫，即火星太空生物學計劃。

　　發射升空后，軌道器和陸器還將進行一系列的分離和軌道調整，其中軌道器將持續工作至2022年：

　　2016年3月14日，任務發射(發射窗口為14日-25日)；

　　2016年10月16日，陸器與軌道器分離；

　　2016年10月19日，軌道器進入火星環繞軌道；

　　2016年10月19日，陸器被火星捕獲，隨后陸在火星表面；

　　2016年10月19～23日，陸器將在火星表面開展短期科學考察；

　　2016年10月25日，軌道器進入軌道傾角為74°的火星科學實驗軌道；

　　2016年10月27日，軌道器進行遠火點制動，繞火星一圈的周期由4個火星日變為1個火星日；

　　2016年11月4日～2017年6月，軌道器進行火星大氣制動，降低軌道高度；

　　2017年6月，軌道器進行相關的科學實驗操作工作；

　　2019年1月17日～2022年12月，軌道器結束火星考察，轉而為后續火星表面探測任務提供中繼通信服務；

　　2022年12月，任務結束。

　　2. 火星從來就不是一場走就能走的旅行

　　由於地球和火星都是運動的天體，所以從地球出發的火星探測器並非任何時候都可以發射，而是每隔2年零2個月(780天)才有一次發射機會，這樣的發射機會稱為發射窗口。也就是，火星探測器的發射窗口每隔26個月才會打開一次。這是因為每隔780天，太陽、地球、火星就會排列成一條直線，稱為火星沖，此時是發射火星探測器的好機會。

　　2003年8月23日的火星沖，火星正好處於離太陽最近的位置(近日點)，這時火星與地球的距離最近，僅為5575萬公里，即火星大沖。這一年的6月2日，歐空局發射其歷史上第一個火星探測器“火星快車”號，同樣由羅斯“聯盟-FG”號運載火箭在哈薩克斯坦拜克努爾衛星發射場發射升空，“火星快車”號攜帶一個軌道器和一輛“獵兔犬2號”火星車。火星快車軌道器取得了成功，但遺憾的是，獵兔犬2號陸后就不知所終，再也聯繫不上。

　　火星是太陽系中與地球最為相似的行星，也是唯一有可能實現大規模移民的星球。因此，火星一直是太陽系探測的熱點和重點。火星探測的方式主要包括遙感探測和陸探測兩種。遙感探測主要通過軌道器實現，目的是對火星表面開展全球性遙感；陸和巡視探測主要通過陸器和火星車來實現，目的是對火星表面重點地區開展定點精細探測，並尋找火星曾經或現在存在生命的證據。

　　軌道器飛行在火星大氣層之外，技術相對容易一些。而如果是火星車或陸器，則需要穿過火星大氣層才能“踏”上火星表面，是火星探測中最關鍵的技術瓶頸。當前，美、俄、日、印、歐等國家和組織都已經或正在積極開展火星探測。1975年以來，美國已成功實施七次火星表面陸探測，分別是海盜1號和海盜2號(軌道器/陸器)、“火星探路者”號陸器和火星車、“勇氣號”與“機遇號”火星車、“鳳凰號”陸器、“好奇號”火星車。這些表面陸任務充分驗證了火星探測的技術和能力，實現了火星表面安全陸與移動探測。

　　安全陸在火星表面主要通過3種方式來實現，分別是：氣囊緩衝、陸支架緩衝、空中吊車陸。20世紀90年代以來，“火星探路者”號通過氣囊緩衝方式成功陸至火星表面，初步驗證了火星大氣層進入、減速、陸的全過程(英文縮寫為EDL)；21世紀初，“勇氣號”與“機遇號”火星車成功實現大範圍表面巡視，並使氣囊緩衝陸技術逐漸成熟；此后，“鳳凰號”陸器使用陸支架緩衝方式，實現了火星北極地區的安全陸；2012年，“好奇號”火星車實現了質量更重的探測器登陸火星表面，採用了創新性的空中吊車陸方式。

　　火星探測器從130 多公里的高空進入火星大氣，時速高達21000公里(每秒5.9公里)，要在短短七分鐘的時間內，讓探測器的速度降至零，從而實現安全陸。這也是所有火星探測任務中技術難度最大、失敗概率最高的關鍵時刻，被稱為“黑色七分鐘”。

　　蘇聯曾經對火星探測抱有很大熱情，上世紀六七十年代發射了世界上第一個火星探測器，並在每個發射窗口几乎都會發射3～4顆火星探測器，雄心勃勃地希望在火星探測上佔據領先地位，卻接二連三遭遇失敗，嚴重打擊了自信心。在前蘇聯(含俄羅斯)已經發射的17顆火星探測器中，只有3顆算得上基本成功，其中有1顆還只能算部分成功(實現成功陸，卻沒有取得有意義的成果)，整體成功率不足18%。2011年中俄聯合實施火星-火衛一探測任務，同樣遭遇失敗，這明俄羅斯在火星探測的關鍵技術方面還存在瓶頸，也是俄羅斯願意與歐洲聯合實施ExoMars火星任務的緣由，希望通過國際合作提升自身航天能力。

　　相比而言，美國迄今為止共發射17顆火星探測器，其中成功13顆，成功率高達76%。所以航天界有人評價，火星是蘇聯人的墳墓、美國人的天堂。

　　近年來，歐洲、印度、日本等國家和組織在火星探測方面也多有動作，其中印度於2013年11月5日發射亞洲首顆火星探測器。中國的自主火星探測已經論證了十年有余，最近剛剛批准將於2021年實施我國首次火星任務。面對世界航天發展的新形勢，我國相關主管部門和科技界必須有戰略眼光，適度前瞻，早日開展火星探測，在人類探索太陽系的征程中做出與大國地位相適應的貢獻。

　　3. “ExoMars”分兩次發射：今年發“星”、后年發“車”

　　ExoMars計劃最早始於歐空局1999年紅皮書中提出的火星生物學設想。經過十幾年的演化，ExoMars計劃的主要目的是尋找火星上現在和過去曾經存在生命的痕跡，分為ExoMars 2016和ExoMars 2018兩次任務，分別於2016年和2018年發射，整個ExoMars任務的預算為約16億美元。

　　這次發射的ExoMars 2016任務主要目的是分析火星大氣層中的甲烷氣體，驗證火星表面安全軟陸的主要關鍵技術，實現陸器在火星表面陸。

　　ExoMars 2016火星任務主要包括三大科學目標：

　　(1)尋找火星過去存在或現在存有生命的痕跡；

　　(2)分析火星次表層土壤中的水和化學環境；

　　(3)研究火星大氣中的痕量氣體成分及其來源。

　　通過ExoMars 2016火星任務的實施，將實現四大技術目標：

　　(1)驗證將科學儀器安全陸在火星表面的大氣進入、減速和陸(EDL)技術；

　　(2)實現火星車對火星表面的巡視探測；

　　(3)實現火星次表層樣品採集；

　　(4)實現火星樣品採集、封裝、轉移和分析。

　　在ExoMars 2016任務之后，歐洲還將實施ExoMars 2018任務。2018年正值火星大沖，屆時火星距離地球5759萬公里，歐空局將於當年7月發射，釋放一輛火星車在火星表面陸，火星車將攜帶一套鑽探工具和多套科學儀器，鑽探至兩米深的土壤層，以研究火星土壤的化學成分和可能的生命信號。由於該深度能屏蔽火星上的嚴寒、乾燥環境和很強的太空輻射，有利於火星生命的保存。因此，2016年發射的軌道器將與2018年的火星車協同探測，開創搜尋火星生命的新篇章。

　　4. 軌道器和陸器如何分工

　　ExoMars 2016任務由兩部分組成，一個為痕量氣體軌道器(TGO，簡稱軌道器)，另一個為減速陸器(EDM，簡稱陸器)。其中，軌道器主要用於探測火星大氣中的微量氣體；陸器用於火星表面陸試驗，為2018年更先進的火星陸做試驗，同時為將來其它火星任務積累經驗。

　　2015年9月，由於ExoMars任務採購的壓力表存在缺陷，導致火星探測器的研製計劃被延遲。壓力表缺陷直接導致發射時間從2016年1月7日推遲至3月14日。目的是修復現有感測器或新購一批新的感測器，預防火星探測器升空后在軌出現問題。

　　軌道器由歐空局負責研發，目的是搜尋火星大氣層中的甲烷和其他痕量氣體(體積濃度