欧俄联合探火,寻找火星生命

来源:NASA中文 | 发布: | 发布时间:2016-03-16,星期三 | 阅读:1,114

郑永春

2016年3月14日下午17:31,欧空局和俄罗斯航天局联合研制的“ExoMars 2016”火星探测器,搭乘俄罗斯研制的“质子”号火箭,从位于哈萨克斯坦的从拜科努尔航天发射场升空,预计今年10月16日抵达火星。“ExoMars”是“Exobiology on Mars”的英文缩写,即火星太空生物学计划。

1. 发射成功只是任务的开始

发射升空后,轨道器和着陆器还将进行一系列的分离和轨道调整,其中轨道器将持续工作至2022年:

2016年3月14日,任务发射(发射窗口为14日-25日);

2016年10月16日,着陆器与轨道器分离;

2016年10月19日,轨道器进入火星环绕轨道;

2016年10月19日,着陆器被火星捕获,随后着陆在火星表面;

2016年10月19~23日,着陆器将在火星表面开展短期科学考察;

2016年10月25日,轨道器进入轨道倾角为74°的火星科学实验轨道;

2016年10月27日,轨道器进行远火点制动,绕火星一圈的周期由4个火星日变为1个火星日;

2016年11月4日~2017年6月,轨道器进行火星大气制动,降低轨道高度;

2017年6月,轨道器进行相关的科学实验操作工作;

2019年1月17日~2022年12月,轨道器结束火星考察,转而为后续火星表面探测任务提供中继通信服务;

2022年12月,任务结束。

发射升空后,整流罩抛离,“ExoMars”探测器开始脱离火箭独立工作

地面控制中心正在紧张跟踪“ExoMars”探测器

“ExoMars”在环绕地球进行多次加速后飞向火星

2. 火星从来就不是一场说走就能走的旅行


由于地球和火星都是运动的天体,所以从地球出发的火星探测器并非任何时候都可以发射,而是每隔2年零2个月(780天)才有一次发射机会,这样的发射机会称为发射窗口。也就是说,火星探测器的发射窗口每隔26个月才会打开一次。这是因为每隔780天,太阳、地球、火星就会排列成一条直线,称为火星冲,此时是发射火星探测器的好机会。

2003年8月23日的火星冲,火星正好处于离太阳最近的位置(近日点),这时火星与地球的距离最近,仅为5575万公里,即火星大冲。这一年的6月2日,欧空局发射其历史上第一个火星探测器“火星快车”号,同样由罗斯“联盟-FG”号运载火箭在哈萨克斯坦拜克努尔卫星发射场发射升空,“火星快车”号携带一个轨道器和一辆“猎兔犬2号”火星车。火星快车轨道器取得了成功,但遗憾的是,猎兔犬2号着陆后就不知所终,再也联系不上。

火星是太阳系中与地球最为相似的行星,也是唯一有可能实现大规模移民的星球。因此,火星一直是太阳系探测的热点和重点。火星探测的方式主要包括遥感探测和着陆探测两种。遥感探测主要通过轨道器实现,目的是对火星表面开展全球性遥感;着陆和巡视探测主要通过着陆器和火星车来实现,目的是对火星表面重点地区开展定点精细探测,并寻找火星曾经或现在存在生命的证据。

轨道器飞行在火星大气层之外,技术相对容易一些。而如果是火星车或着陆器,则需要穿过火星大气层才能“踏”上火星表面,是火星探测中最关键的技术瓶颈。当前,美、俄、日、印、欧等国家和组织都已经或正在积极开展火星探测。1975年以来,美国已成功实施七次火星表面着陆探测,分别是海盗1号和海盗2号(轨道器/着陆器)、“火星探路者”号着陆器和火星车、“勇气号”与“机遇号”火星车、“凤凰号”着陆器、“好奇号”火星车。这些表面着陆任务充分验证了火星探测的技术和能力,实现了火星表面安全着陆与移动探测。

安全着陆在火星表面主要通过3种方式来实现,分别是:气囊缓冲、着陆支架缓冲、空中吊车着陆。20世纪90年代以来,“火星探路者”号通过气囊缓冲方式成功着陆至火星表面,初步验证了火星大气层进入、减速、着陆的全过程(英文缩写为EDL);21世纪初,“勇气号”与“机遇号”火星车成功实现大范围表面巡视,并使气囊缓冲着陆技术逐渐成熟;此后,“凤凰号”着陆器使用着陆支架缓冲方式,实现了火星北极地区的安全着陆;2012年,“好奇号”火星车实现了质量更重的探测器登陆火星表面,采用了创新性的空中吊车着陆方式。

火星探测器从130 多公里的高空进入火星大气,时速高达21000公里(每秒5.9公里),要在短短七分钟的时间内,让探测器的速度降至零,从而实现安全着陆。这也是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻,被称为“黑色七分钟”。

苏联曾经对火星探测抱有很大热情,上世纪六七十年代发射了世界上第一个火星探测器,并在每个发射窗口几乎都会发射3~4颗火星探测器,雄心勃勃地希望在火星探测上占据领先地位,却接二连三遭遇失败,严重打击了自信心。在前苏联(含俄罗斯)已经发射的17颗火星探测器中,只有3颗算得上基本成功,其中有1颗还只能算部分成功(实现成功着陆,却没有取得有意义的成果),整体成功率不足18%。2011年中俄联合实施火星-火卫一探测任务,同样遭遇失败,这说明俄罗斯在火星探测的关键技术方面还存在瓶颈,也是俄罗斯愿意与欧洲联合实施ExoMars火星任务的缘由,希望通过国际合作提升自身航天能力。

相比而言,美国迄今为止共发射17颗火星探测器,其中成功13颗,成功率高达76%。所以航天界有人评价,火星是苏联人的坟墓、美国人的天堂。

近年来,欧洲、印度、日本等国家和组织在火星探测方面也多有动作,其中印度于2013年11月5日发射亚洲首颗火星探测器。中国的自主火星探测已经论证了十年有余,最近刚刚批准将于2021年实施我国首次火星任务。面对世界航天发展的新形势,我国相关主管部门和科技界必须有战略眼光,适度前瞻,早日开展火星探测,在人类探索太阳系的征程中做出与大国地位相适应的贡献。

3.“ExoMars”分两次发射:今年发“星”、后年发“车”

ExoMars计划最早始于欧空局1999年红皮书中提出的火星生物学设想。经过十几年的演化,ExoMars计划的主要目的是寻找火星上现在和过去曾经存在生命的痕迹,分为ExoMars 2016和ExoMars 2018两次任务,分别于2016年和2018年发射,整个ExoMars任务的预算为约16亿美元。

这次发射的ExoMars2016任务主要目的是分析火星大气层中的甲烷气体,验证火星表面安全软着陆的主要关键技术,实现着陆器在火星表面着陆。

ExoMars2016火星任务主要包括三大科学目标:

1)寻找火星过去存在或现在存有生命的痕迹;

2)分析火星次表层土壤中的水和化学环境;

3)研究火星大气中的痕量气体成分及其来源。

通过ExoMars2016火星任务的实施,将实现四大技术目标:

1)验证将科学仪器安全着陆在火星表面的大气进入、减速和着陆(EDL)技术;

2)实现火星车对火星表面的巡视探测;

3)实现火星次表层样品采集;

4)实现火星样品采集、封装、转移和分析。

在ExoMars2016任务之后,欧洲还将实施ExoMars2018任务。2018年正值火星大冲,届时火星距离地球5759万公里,欧空局将于当年7月发射,释放一辆火星车在火星表面着陆,火星车将携带一套钻探工具和多套科学仪器,钻探至两米深的土壤层,以研究火星土壤的化学成分和可能的生命信号。由于该深度能屏蔽火星上的严寒、干燥环境和很强的太空辐射,有利于火星生命的保存。因此,2016年发射的轨道器将与2018年的火星车协同探测,开创搜寻火星生命的新篇章。

 

ExoMars任务2016发射的轨道器和2018年发射的火星车协同工作,搜寻火星生命

4. 轨道器和着陆器如何分工

ExoMars 2016任务由两部分组成,一个为痕量气体轨道器(TGO,简称轨道器),另一个为减速着陆器(EDM,简称着陆器)。其中,轨道器主要用于探测火星大气中的微量气体;着陆器用于火星表面着陆试验,为2018年更先进的火星着陆做试验,同时为将来其它火星任务积累经验。

“ExoMars 2016”火星任务中的轨道器(图片来源:欧空局, D. Ducros)

2015年9月,由于ExoMars任务采购的压力表存在缺陷,导致火星探测器的研制计划被延迟。压力表缺陷直接导致发射时间从2016年1月7日推迟至3月14日。目的是修复现有传感器或新购一批新的传感器,预防火星探测器升空后在轨出现问题。

装配中的“ExoMars 2016”探测器

轨道器由欧空局负责研发,目的是搜寻火星大气层中的甲烷和其他痕量气体(体积浓度<1%),这些气体是证明火星现在存在生物或曾经存在生物的标志物。

轨道器的轨道高度约在400千米,搭载的科学仪器主要对火星大气中的多种气体进行探测,如甲烷、水蒸气、二氧化氮和乙炔等,进而确定这些气体的分布区域及其来源。这些区域,也将是未来火星计划的最佳着陆点之一。

已有探测结果表明,火星大气含有微量的甲烷,且不同地区和不同时间的甲烷含量不同。由于甲烷在地质历史中难以长期存在,所以探测到甲烷预示着火星可能至今仍在产生甲烷。不过,尽管生物消化过程中会产生甲烷,但其他的物理化学过程也会释放甲烷气体,比如铁的氧化。因此,我们至今仍不清楚火星大气中的甲烷究竟是来自与生命有关的生物过程,还是与生命无关的无机化学反应。

为支持未来的火星探测任务,2016火星任务特别搭载了一个着陆器。目的是验证火星表面安全着陆的技术平台,进行火星表面登陆试验,验证火星大气进入、减速下降和着陆过程中的关键技术,并计划将一个重3千克的科学仪器包,着陆在火星表面。

由于着陆器上既没有放射性同位素电池(核电源),也没有太阳能电池板,因此着陆器在火星表面着陆后的能源供给,只能依靠携带的主电池供电,但其电力非常有限,所以着陆器在火星表面的工作寿命只有4个火星日(火星上的一天比地球上长39分35秒)。

着陆器主要是为了测量从火星高空至火星表面的大气参数,包括大气密度、温度、压力、风场等;测量火星强尘暴条件下的大气特征;扩展有效工程数据量,分析遥感测量数据与理论模型的差异。当然,由于受到科学仪器质量、能源供应和下传数据量的限制,这些科学目标不一定能够完全实现。

着陆器最主要的技术目标是,试验和验证欧洲后续火星探测任务必需的关键技术环节,如:气动热力学分析、火星大气进入与减速系统设计、制导—导航和控制系统设计与着陆系统设计。

着陆器是一个盾型航天器,由一个半锥角70度的盾头前体结构和一个半锥角为47度的圆锥形后体结构组成。着陆器外直径为2.4米,表面平台直径为1.7米。

在着陆器和轨道器组合体飞往火星的巡航过程中,为减少主电池的能量消耗,着陆器处于休眠模式。由轨道器为组合体提供必需的操作以及与地球间的通信,并为着陆器提供所需能源。

组合体到达火星3天前,着陆器通过三点旋转分离机构与轨道器分离,并为着陆器提供大于0.3米/秒的相对速度和2.5转/秒的自旋角速度,使着陆器与火星大气进入边界点成0度攻角。

着陆器在火星大气层停靠阶段将持续3天,停靠时间长短取决于轨道器与着陆器分离后的轨道修正,为进入火星大气提供必须的轨道机动。这一阶段对着陆器而言非常关键,导航和分离机构的散布将会叠加,进入火星大气边界点的轨道散布也将进一步增加。本阶段最关键的动作,是利用着陆器后体上的太阳敏感器测量惯性姿态,在抵达进入火星大气边界点前,激活探测器系统,为启动火星着陆程序做准备。

由于2016火星任务抵达火星时恰逢全球性沙尘暴季节,因此在进行着陆器设计时,必须考虑沙尘暴的影响。

5. “黑色七分钟”考验火星着陆

火星着陆过程中,着陆器高速进入火星大气,在通过大气阻力实现减速并安全着陆的过程中,需要经历技术难度最大、失败概率最高的“黑色七分钟”。

ExoMars着陆器的着陆系统包括一个被动着陆装置(可压缩缓冲结构)和一个主动着陆装置(液体肼单组元推进系统)。主动着陆装置保证着陆器在高度约1.5米时实现悬停(减速至0)。

被动着陆装置由一种层压的可压缩缓冲材料构成,这种材料在冲击过程中以变形方式吸收冲击能量,以达到缓冲目的。在反推发动机作用完成后,着陆器表面平台将以4米/秒的速度着陆,可压缩缓冲材料使该速度带来的冲击降至最低,最大冲击过载为40g。

当着陆器与轨道器分离后,将以双曲线轨道进入火星大气层。着陆器可能的目标着陆点是火星子午线平原,这一区域的地形和大气特性目前已经全面掌握,在该区域着陆可将着陆风险降至最低。

目前,目标着陆区的散布椭圆半长轴小于50千米。科学家正通过NASA提供的着陆区高分辨率图像对周围环境特征进行深入分析,随着对着陆区特征的认识更加明确,危险识别能力将进一步增强。

当着陆器抵达火星大气层边界(高120千米处)时,最大相对速度为5.827千米/秒,确定是否进入大气层走廊还须考虑热流密度、热流载荷、载荷因子、降落伞充气载荷和着陆点精度等5个因素和火星大气条件的变化以及气动特性。

当着陆器沿双曲线轨道进入火星大气后,飞行速度减至612~714米/秒(1.8~2.1倍音速)范围内时,直径12米的降落伞打开。当降落伞达到稳定减速后,前体弹射分离,安装在着陆器表面平台上的多普勒雷达高度计开始测量,估算点火反推的高度。着陆器到达该高度时,降落伞携带后体与着陆器表面平台分离。

着陆器距离火星表面约1400米高度,下降速度约80米/秒时,着陆器开始点火反推。着陆器在9台400牛顿单组元反推发动机的作用下逐渐减速,最终在距离火星表面1.5米高处,着陆器的垂直速度和水平速度减至0,反推发动机关机,着陆器自由落体,着陆到火星表面。着陆时,着陆器表面平台下的缓冲蜂窝夹层结构将起到减小着陆冲击荷载的作用,这种压缩吸能结构具有质量轻、体积小、简单可靠、成本低的优点,并使得着陆后的着陆器表面平台离火星表面的距离很小。

着陆器表面平台上安装了总质量为6千克的多套传感器,主要目的是测量火星大气进入、减速、着陆过程中的工程参数,着陆器成功着陆火星表面后,这些测量数据将传回地球,重建着陆器的飞行轨道。

6. 欧洲探火为什么用俄罗斯的火箭

欧空局组织架构松散,推动一项太空任务需要很长的协调周期。欧空局目前有20个成员国,爱沙尼亚和匈牙利也即将加入。加拿大是该局的准成员国,双方签订了合作协议,加拿大可以参与欧空局的一些太空项目。因此,欧空局每项太空任务都需要在各成员国议会之间进行漫长的审批程序,在经费分担、任务组织上进行磋商和协调。但从另一方面来说,正是欧空局成员的多样性,欧空局与俄罗斯、美国、日本、中国都维持了良好的合作关系,是太空探索领域的国际合作典范。

自2003年起担任欧空局局长的法国人让雅•克•多尔丹,开创了欧空局历史上最为成功的时期,开展了“罗塞塔”彗星探测器,“菲莱”实现了人类历史上首次登陆慧核;成功实施了“赫歇尔”和“普朗克”太空望远镜任务;实施了火星和金星探测;此外,还发射了一系列对地观测卫星,并为国际空间站运送补给物资。2015年7月1日,德国宇航中心(DLR)前主任约翰•迪特里希•沃纳接替多尔丹成为欧空局局长,任期4 年。沃纳明确表示欧空局将致力于建设月球基地,这个宏大设想同样需要多国合作才能实施。

ExoMars任务最初是欧洲空间局和美国宇航局之间的一个合作项目。但由于美国宇航局预算受限,美国被迫于2012年退出了合作,并不再提供“宇宙神”火箭进行发射。此后,欧空局请求俄罗斯提供运载火箭,但俄罗斯却提出望完全参与实施该项目。

2012年4月6日,俄罗斯航天局局长波波夫金和欧空局局长多丹在莫斯科举行会晤,双方就ExoMars合作计划达成合作意向协议,并于2013年3月签署最终协议,确定双方资金分配和拨付、相关企业间责任分配,俄罗斯航天局代替美国宇航局成为该项目的合作伙伴。俄罗斯航天局的副局长谢尔盖萨韦列夫表示,ExoMars火星探测器是俄罗斯和欧洲在深空探测领域开展合作的独特案例。未来,俄罗斯航天局和欧空局还将推进多项合作。

根据欧空局和俄罗斯航天署关于ExoMars任务的合作协议,此次发射由俄罗斯的“质子”号火箭实施,发射场是位于哈萨克斯坦,但属于俄罗斯航天局管理的拜科努尔发射场。

发射ExoMars的质子火箭已经竖起

7. 火星期待中国人久矣

中国古代将火星称为“荧惑”,对中国人而言,金木水火土这五颗肉眼可见的行星曾经深刻影响着古人的宇宙观。火星是全人类的火星,火星探测既可以牵引航天技术的进步,有可能获得新的科学发现,还可以极大地提升全民对太空和科学的热情,并转化为科技创新的热情。但作为航天大国,中国的火星探测却迟至今年才刚刚宣布启动,看着欧洲、印度纷纷发射火星探测器,我们应该有所思考。

首先,根据国际深空探测的发展历程,各国一般在开展首次月球探测后的2~3年内即开展首次火星探测。我国火星探测任务的研究和论证大致与探月工程同时开展,但目前距离我国首次探月任务嫦娥一号的发射已经过去9年,我国火星探测才刚刚宣布启动实施。到2021年首次火星探测任务发射,距离我国首次探月已经过去14年,这说明我们深空探测的决策效率有待提高。

我国火星探测任务必须坚持在较高的起点开展,才能尽量缩小与国外先进水平的差距。早期的火星探测大多从环绕探测起步,逐渐发展到环绕和着陆探测相结合,近年来已经发展到以巡视探测为主的阶段。随着我国航天技术的进步和对火星表面了解程度的加深,直接跳过单纯环绕探测阶段,将环绕探测与巡视探测相结合,是我国高起点开展火星探测的理性选择。可喜的是,根据目前公布的方案,我国首次火星任务将一次性实现“绕”、“落”、“巡”三步并作一步走,为我国火星探测后发追赶提供契机。

其次,在火星上寻找生命存在证据最直接、最好的探测方式就是对火星表面的探测。因此通过火星大气进入、下降和着陆等一系列操作,进而接触火星表面成为实施火星探测计划最关键的挑战之一。我国嫦娥三号虽然已经成功着陆在月球表面,并实现玉兔号月球车在月表巡视,但月球没有大气,火星有大气,两者的着陆方式存在非常大的区别,着陆难度也不同。

自19世纪60年代末期以来,人类已进行过40多次火星探测任务,虽然其中一些探测器获得了成功,但也有很多任务却没有成功,问题大多出探测任务的着陆阶段。着陆方式的选择不仅与航天技术的能力有关,也与着陆器或巡视器的质量和工作方式有关。一般而言,质量较轻的巡视器大多采用气囊缓冲方式着陆,有利于火星车顺利驶出气囊开展科学探测;质量较重的巡视器则不宜采用气囊缓冲,避免减速不足导致巡视器及其载荷受损,对这类巡视器目前最先进的方式是空中吊车着陆方式,可以最大程度减少着陆冲击,但该技术对测控、数据传输和自动控制等技术要求较高,技术难度较大。

再次,工作在火星表面的巡视器、科学观测站都需要轨道器与地球通信,以在任何时候都与地球保持通信联系。因此,对火星表面着陆探测或巡视探测而言,利用轨道器进行通信中继是必不可少的。

NASA和ESA一直致力于建设火星探测中继通信网,用以对各项火星探测任务提供通信服务和支持。从2004年的勇气号、机遇号开始,到2007年发射的凤凰号,再到2012年发射的好奇号,都采用了中继通信。十几年来,美国和欧洲先后成功发射了一系列火星中继轨道器,包括美国的火星全球勘探者号(Mars Global Surveyor,MGS)、火星奥德赛号(Mars Odyssey,ODY)、火星侦察轨道器(Mars Reconnaissance Orbiter,MRO)、以及欧空局的火星快车(Mars Express,MEX)。由于MGS在2006年报废,因而现存在火星中继通信网由ODY、MRO、MEX三个轨道器组成。2013年发射的马文号在完成科学探测任务后,也将提供火星中继通信服务。欧空局的ExoMars 2016任务中的TGO不仅能进行火星大气监测、成分分析等科学目标,还能提供火星中继中继通信服务、计时服务。

火星探测已经成为我国深空探测的重点,可以预期我国未来的火星探测任务将逐步增多,探测方式将更加复杂,地面和探测器间的通信面临着巨大的挑战,需要功能强大的通信服务支持。美国和欧洲相继发射的中继通信轨道器已经组成了一个国际性的火星中继通信网,用以解决火星探测器通信问题。由于每隔26个月有一个发射窗口,我国首次火星探测任务中的轨道器在完成科学目标的同时,特别应前瞻考虑未来火星探测的中继通信功能。火星中继通信最好能有长达10年左右的寿命周期,使之能提供5个发射窗口内的火星探测中继通信服务。因此,我国未来的火星探测轨道器应追求尽可能长的设计寿命,以服务后续火星探测的中继通信需求。

最后,应加强火星科学研究和着陆关键技术预研。火星探测毫无疑问是一项科学探测工程,科学目标是火星探测最重要的牵引力。我国在火星科学基础研究方面的积累较少,火星科学的研究队伍尚未形成规模,迫切需要重点加强人才队伍建设特别是青年科学家的培养和支持。在科学上,早期火星探测大多以火星全球成像为主要目标,以雷达、高度计、相机为主要载荷,主要目的是积累基础数据,开展火星地质研究,并为后续火星表面探测提供支持。21世纪以来的火星探测主要以火星表面着陆探测和巡视探测为主,火星上的水和生命信号的探测和搜寻成为重点。重点关注的科学主题包括:火星大气中的微量气体(甲烷等)、火星土壤中的有机物、火星次表层的水(霜、露)、火星岩石中的流水作用痕迹等。天体生物学是行星科学的重要组成部分。火星上的有机物和生命信号的搜寻日益成为科学界关注的热点,需重点关注太空生物学探测的有效载荷预先研究和技术储备,吸引生命科学界关注并参与到火星探测中来。

鉴于火星着陆的高难度,建议前瞻性开展关键技术的预先研究,包括:探测器在进入火星大气过程的气动热和热防护研究;火星大气降落伞研制和超音速风洞试验;火星表面精确着陆技术等。


出品:科普中国

制作:中国科学院国家天文台 郑永春

监制:中国科学院计算机网络信息中心



 

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