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探索火星:欧盟的ExoMars和印度的MOM

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作者 | 卡麦拉

出品 | 网易科技《知否》栏目组(公众号:tech_163) 

欧盟的火星探索

火星上是否存在生命是当前重大科学问题之一。为了实现这一重要目标,欧洲航天局(ESA)建立了ExoMars计划,计划调查火星环境,应用最新科学技术,为人类在火星表面采样并顺利返回奠定基础。目前欧洲航天局有22个成员国家,其中包括法国、德国、意大利、西班牙、英国、比利时、丹麦、荷兰、瑞典、瑞士、爱尔兰、挪威、奥地利、芬兰、葡萄牙、希腊、匈牙利、波兰、罗马尼亚、爱沙尼亚、卢森堡和捷克。

ExoMars源自欧洲航天局“曙光女神计划”的一部分,最初设计是采用一台大型机械探测车,于2011年由火箭携载升空,但是重要成员国意大利由于财政问题,导致该计划第一次推迟。2009年7月,欧洲航天局与美国宇航局建立合作关系,同意开展新的火星探测联合任务,希望解决ExoMars任务曾出现的财政和技术问题,计划联合发射一个环火星轨道运行的探测器和一辆火星车,前者是火星微量气体探测任务,但最终美国宇航局由于预算受限等问题,最终“被迫”退出了联合探测任务。

随后,欧洲航天局继续寻找其他航天机构的合作,2013年3月14日,欧洲航天局局长多尔丹和俄罗斯联邦航天局局长波波夫金在欧洲航天局总部签署了期待已久的"外空火星"探测项目合作协议。这一太空项目涉及两次发射,2016年将发射欧洲的一个通信与微量气体轨道器,而2018年将发射欧洲的一辆漫游车。两次发射都将使用俄方提供的质子号火箭。


图:屡次延期的ExoMars任务。

第一阶段: ExoMars 2016任务

ExoMars计划的第一个任务包括微量气体轨道器和进入、下降和着陆演示模块,即“夏帕雷利 (Schiaparelli)”着陆器。该任务主要目标是寻找甲烷和其他可能是活跃生物或地质过程特征的大气微量气体证据,同时测试一些关键技术,为随后的火星任务做准备。

2016年3月14日,微量气体轨道器和“夏帕雷利”着陆器一起由质子火箭携载升空飞向火星。利用地球和火星的定位优势,巡航阶段被限定在7个月左右,计划于2016年10月抵达火星。10月16日,在到达火星大气层的前三天,“夏帕雷利模块”由人造卫星发射到火星表面。“夏帕雷利模块”向目的地滑行,以每小时21000公里的速度进入火星大气层,并使用空气制动和降落伞进行减速。“夏帕雷利”着陆器滑行接近火星表面时,一直与微量气体轨道器、火星快车探测器保持通讯。10月19日,微量气体轨道器进入火星椭圆形轨道,之后2017年1月,该轨道器进行多次角度调整,将相对赤道的飞行角度从2016年10月到达时的7度调整至74度,这将提供最佳表面覆盖勘测。

在火星大气中搜寻生命标志性气体

微量气体轨道器是欧洲航天局和俄罗斯宇航局联合执行的第一次火星任务,该任务的关键目标是更好地了解甲烷和其他大气气体,尽管这些气体浓度很低(不足大气的1%),但可能是生命存在或者地质活动的证据。

空基和陆基观测数据表明,火星大气中存在少量甲烷气体,并且甲烷气体浓度随地点和时间的不同而变化。由于甲烷在地质时间范围内非常短暂,它的存在意味着存在一种当前活跃的甲烷源。虽然当前并不清楚甲烷源是生物基础还是化学基础,通常情况下,地球生物在消化养分时会释放甲烷气体,但同时一些地质活动也会释放甲烷气体,例如某些矿物质的氧化作用。

微量气体轨道器携带的科学载荷可以解决气体探测问题,即探测和描述火星大气层中的气体,在位于400千米的高空中,微量气体轨道器仪器设备可探测到甲烷、水蒸汽、氮氧化物、乙炔等,比之前测量精确度提高了3个数量级。

气体轨道器负责监测火星大气成分和温度季节变化,从而便于创建和完善大气模型。此外,相关仪器还能探测到火星表面1米以下的氢气,与之前的测量相比,该轨道器的空间分辨率也有所提高。这可能揭晓隐藏在地表之下的水冰沉积物,并能确定微量气体源,未来对载人着陆地点选择具有重要意义。

火星通信

微量气体轨道器和“夏帕雷利”着陆器一起抵达火星,当它们接近火星时,进入火星大气层,然后着陆在火星表面。当部署完成之后,微量气体轨道器在火星滑行过程中监测到“夏帕雷利”着陆器释放的超高频传输信号,同时,它还帮助“夏帕雷利”着陆器测量的重要数据进行实时传输。

无法逃避的恐怖7分钟!

微量气体轨道器顺利进入火星轨道,但是原计划于2016年10月19日软着陆在火星表面的“夏帕雷利”着陆器就没有那么幸运,所有着陆火星表面的探测器,均要经历“恐怖7分钟”的考验,它们必须穿过炽热的火星大气层,然后顺利地打开降落伞,按照预定方式将速度从6公里/秒逐步降至零速度,最终才能平稳落地,即不被烧毁,也不会粉身碎骨。在这短短7分钟里,着陆器必须完成数千个程序步骤,一旦出错就彻底失败。

但是“夏帕雷利”着陆器未能顺利闯关,在最艰险的“恐怖七分钟”最后阶段失联。几天之后,美国宇航局“火星勘测轨道飞行器(MRO)”找到了该着陆器的坠落地点,以及隔热罩、降落伞等残骸,最终确认着陆失败。


图:无法跨越的恐怖7分钟。

第二阶段:ExoMars 2018任务

ExoMars太空计划由两阶段构成,第一阶段是探测器结合地面着陆器,2016年,微量气体轨道器和“夏帕雷利”着陆器一起由质子火箭携载升空,但“夏帕雷利”着陆器最终未逃离恐怖7分钟的命运;第二阶段则是以一台小型探测车为主,由俄罗斯设计着陆硬件设备,由欧盟提供导航系统和电子仪器,着陆之后探测车搭载的科学仪器主要进行生物化学分析和土壤采集。然而,近年来俄罗斯工程师在设计着陆架构方面遇到了技术瓶颈,欧盟研制科学仪器方面也出现了问题,因此原定2018年发射推迟至2020年。

ExoMars退出2020“火星赛季”

事实上,这是ExoMars任务第六次延期,大约每隔26个月,会有一段很短暂的时期(大概十几天)适合从地球发射探测器抵达火星,科学家将这段时期称为“火星发射窗口”。最近的“火星发射窗口”在去年,也就是2020年7月中旬,如果推迟则必须等待两年多。

ExoMars 2020又被迫再次延期至2022年发射,欧洲航天局具体理由是:一是还需要更多时间进行测试;二是2020年新冠疫情在欧洲大爆发严重影响了设计进度;三是降落伞问题未解决,据悉,由于着陆器和火星车的质量不断增加,最终欧洲航天局采取一种非常复杂的降落伞设计。


图:ExoMars火星车设计存在缺陷,或许2022年是最后发射机会。

ExoMars火星车设计存在缺陷, 2022年或是最后发射机会。

依据该降落伞方案,探测器进入火星大气层之后先打开第一套副伞,下降一段距离就丢弃,然后再打开第一套主伞,下降一段丢弃;再打开第二套副伞,不丢弃,再打开第二套主伞。其中最大的主伞直径为35米,是迄今最大的火星降落伞。

专家指出,无论是降落伞的设计复杂度,还是存在巨大部署难度,此项任务存在一定的困难和不确定性。如果着陆器反冲发动机动力充足,或许仅需要一个主降落伞即可。2018年3月,该降落伞1.2公里低空测试时非常成功,但是2019年5月,研究人员进行29公里的高空测试时完全失败,这与降落伞的设计有直接关系。

对此,欧洲航天局前往完成8次火星着陆任务的美国宇航局喷气动力实验室学习经验,通过分析记录数据,研究人员发现降落伞袋存在设计缺陷,降落伞自身没有任何问题,也就是说让降落伞能顺利从伞袋中释放,而不会出现摩擦撕裂的现象。目前,欧洲航天局顺利完成了两个主伞低速释放试验(每小时120公里),以及第一个主伞的首次高速释放试验(每小时200公里)。

除了降落伞设计存在缺陷之外,推迟ExoMars 2020任务的主要原因还包括硬件和软件方面的问题。目前, ExoMars 2022任务将携带火星车于2022年8-10月发射,2023年4-7月抵达火星。

目前微量气体轨道器已进入火星轨道3年半,保守估计该轨道器的设计寿命只有7年,这意味着该轨道器在2022年火星发射窗口是最后一次作为通讯中继端,ExoMars 2022任务或许再没有机会延期了。


图:除了降落伞设计存在缺陷之外,推迟ExoMars 2020任务的主要原因还包括硬件和软件方面的问题。

ExoMars 2022任务负责寻找生命迹象

ExoMars 2022任务将欧洲航天局“罗莎琳德•富兰克林”着陆器和俄罗斯“哈萨恰克”着陆平台发射至火星表面,发射任务将使用质子火箭,经过9个月的飞行将抵达火星表面。着陆器将穿越火星表面寻找潜在的生命迹象,用钻头采集样本,并用新一代仪器设备进行研究分析。这是第一个兼具穿越火星表面、研究一定地下深度的研究任务。

一旦顺利着陆后,探测车将离开“哈萨恰克”着陆平台,展开科学任务。主要目标是让探测车在一处极可能找到保存完好有机物质的地点着陆,能够研究分析火星早期历史。探测车可以确定火星地下样本的物理和化学属性,这些样本更有可能包含着生物标记,因为稀薄的火星大气层对地表辐射和光化学作用的保护微乎甚微。

钻头可从不同深度提取样本,最深处可达到两米,它包括一个红外光谱仪来勘测钻孔中的矿物特征,一旦收集到样本,就会送到月球车的分析实验室,测定矿物的化学性质,尤其是探索相应的有机物质,预计该探测车在火星表面可以行驶数公里。

印度的火星探索

印度是亚洲第一个拥有火星探测器的国家,当前火星轨道有7个空基探测器正在运行,5个属于美国,1个属于欧洲,1个属于印度。印度空间研究组织(ISRO)是迄今世界上第4个抵达火星的航天机构,其他3个分别是:美国宇航局、欧洲航天局和俄罗斯航天局。

亚洲第一:印度首颗火星探测器MOM成功入轨

2014年9月24日10点30分,依据传回的无线信号,印度第一颗火星探测器“MOM”已顺利进入火星轨道,同天,美国宇航局局长查尔斯•博尔登祝贺印度火星探测器顺利升空,他说:“这是一项令人震惊的太空任务,我们非常欢迎印度加入研究火星的国际大家庭,我们期待MOM探测器进一步拓宽人们对火星的认知。”

据悉,该探测器于2013年11月5日从印度萨迪什达万航天中心发射,由印度国产极轨卫星运载火箭(PSLV)携载升空。发射升空之后,火箭大约在1个月的时间里先后6次进行轨道提升机动,最终于2013年11月11月30日进入火星转移轨道。


图:2014年9月24日10点30分,依据传回的无线信号,印度第一颗火星探测器“MOM”已顺利进入火星轨道。

依据印度空间研究组织官方报道,MOM探测器的主要任务是:验证印度设计并实现行星际探测任务的能力,研究人员从地面进行遥控勘测,在太空安全飞行300多天,最终进入火星轨道并执行后续科学观测,在此期间检验印度探测器的深空通信、测控导航系统、任务规划和管理方面的多项能力。

MOM探测器的成功部署证实了印度掌握强大的深空观测能力,据悉,在MOM任务中技术验证和工程设计可行性是第一位的,太空观测能力是次要的。但专家指出,如果该探测器一切顺利运行,将观测到火星表面地貌、勘测表面矿物结构以及大气属性。


图:MOM探测器拍摄的图像是奥斐峡谷(Ophir Chasma),位于火星赤道部分,照片拍摄于7月19日。

MOM探测器面临的重大考验

在进入火星轨道之前,印度MOM探测器在太空中飞行了10个月,如果它成功进入火星轨道,必须猛踩刹车。因此MOM探测器在进入火星轨道前点燃了反向火箭,否则就会直接进入火星大气层,或者迷失在太空深处。

美国宇航局喷气推进实验室任务设计师乔·吉恩(Joe Guinn)称,这是“一次性”事件,必须一次成功完成,这是一个重要的挑战!点燃反向火箭存在一定误差,轨道燃烧并不是完美有效的,通常这样的发射要持续30分钟左右,并且执行大约95%的燃烧就能成功进入轨道。其他火星探测器在进入火星轨道时并非每次都成功,1993年8月,美国宇航局“火星观测者号”探测器即将抵达火星时失联。吉恩表示,在对飞船制动引擎增压测试时发生泄漏也可能导致爆炸,使任务搁浅。

当然,正确启动制动引擎并非航天器进入火星轨道所面临的唯一挑战。吉恩表示,地球和火星之间的巨大距离导致火星探测器与地面控制中心存在严重的通信延迟,依据行星轨道排列的差异,单程延迟可达到24分钟。这意味着火星探测器潜在的问题无法立即确定,双程延迟至少是48分钟,更不必说立即解决了。

火星任务发射机会相对较少也带来另一个困难,火星和地球的距离必须足够近,每隔26个月进行一次相对快速高效的太空飞行,这是难得的火星发射窗口。因此,将航天器送入火星轨道并非完全是例行公事,将着陆器降落在火星表面则更加困难。吉恩称,着陆任务必须在前往火星的最后阶段实现精确飞行,在火星轨道部署探测器,需要将探测器发射至距离火星表面50公里之内区域,目标锁定在火星上空某个高度,如果实现探测器着陆火星表面,探测器距离火星表面10公里之内进行精确评估计算。

成功拍摄火星和火卫一彩照

2015年7月,印度MOM探测器拍摄到火星一处巨大峡谷的3D图像,揭示火星表面侵蚀力形成的沟壑。MOM探测器拍摄的图像是奥斐峡谷(Ophir Chasma),位于火星赤道部分,照片拍摄于7月19日,分辨率达到96米。该图像呈现山丘、小碰撞坑和山体滑坡形成的沟壑,印度空间研究组织在声明中称,峡谷壁有许多层,谷底有大量层状物质。该峡谷是连接水手峡谷最北端的山谷,大约有4000公里长,图中可见的悬崖很可能是由于山体滑坡造成,断层随着时间的推移而不断地崩塌。除此之外,MOM探测器的火星彩色相机还拍摄了火星一些区域,例如:盖勒陨坑、以及火星最大火山蒂勒赫纳斯蒙斯火山。此外,MOM探测器还成功拍摄到火卫一彩色照片。

自2014年MOM探测器成功进入火星轨道之后,一直环绕火星大椭圆轨道运行。由于印度政府仅是通过MOM探测器验证太空飞行可行性方案,因此仅制定了为期6个月的探测计划。5年过去了,该探测器仍不断地向地球传回勘测数据,期间探测器的科学仪器和通信天线未出现任何故障。目前,印度空间研究组织工程师综合评估称,过去5年的轨道飞行相对稳定,探测器节省了大量燃料,截至2019年10月,该探测器还剩余几公斤燃料,至少还能维持一年。(卡麦拉)

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