猎兔犬-2 失而复得

猎兔犬-2 失而复得

美国“火星勘测轨道器”拍摄到的猎兔犬-2

2015年1月16日，英国航天局发布声明称，通过美国“火星勘测轨道器”（MRO）拍摄的高分辨率图像，在火星表面发现了10余年前失踪的英国猎兔犬-2（Beagle-2）火星着陆器。最新图像显示，猎兔犬-2降落在预定着陆区，它的引导伞仍连着着陆器，主降落伞散落在附近，太阳电池板没有完全展开。这表明，欧洲首个火星着陆器猎兔犬-2已成功降落火星。同日，欧洲航天局局长多尔丹说，这一发现意味着“11年前被视为失败的计划事实证明并非完全失败……至少在火星着陆”。

1　当年悲喜交加

2 0 0 3年6月2日，欧洲“火星快车”（M a rs Express）探测器由俄罗斯联盟-FG火箭发射升空。它由欧洲“火星快车”轨道器和英国猎兔犬-2着陆器组成,其中，前者的设计寿命为2年，后者的设计寿命为2个月。

欧洲“火星快车”轨道器的任务是勘测火星地形、研究火星表面大气及矿物成分，并以雷达探测火星的水资源存量。它携带了7种仪器，可对火星全球进行10m分辨率的摄影地质学测绘；对所选择的地区进行2m分辨率的摄影测绘；以数百米至千米级的分辨率对火星全球表面进行矿物学测绘；探测火星大气环流特性和大气成分；探测火星地表下数千米至永久冻土层的结构特性；对于火星大气与地表及行星际介质间的相互作用进行研究；通过无线电科学试验对火星内部、大气和环境进行研究；开展火星表面“地球化学”和外空生物学的研究。

猎兔犬-2着陆器的任务是绘制火星地图，利用一部功能强大的雷达对火星表面进行探测，寻找火星上有水存在的证据等。该着陆器质量45kg，外型像一个蛤蜊，功能如一只小鼹鼠。这个着陆器不仅能探测地表，甚至能钻探到地表1m深处，分析土壤年龄、水及矿物含量，分辨出180种盐分、矿物质、水和有机物质。此外，该着陆器还可记录火星大气温度、气压和风速等有关数据，探测其中是否含有甲烷这一生命新陈代谢所必不可少的排泄物，并将收集到的信息发送回地球，从而找到火星上存在水的证据。它也能搜索火星上的碳同位素和水分子，甚至尝试测算火星岩石的年龄。最吸引人的是，猎兔犬-2上的气体分析仪能闻嗅火星上的大气，探测火星生命的“呼吸”。该项目首席科学家皮林格(Pillinger）教授称：“只要有生命在火星上吸收能量，它们就一定会排放出废气，事实上，猎兔犬-2甚至连火星生命放个屁都能侦测到……就算那些生物远在1000km之外，但只要它们释放出甲烷或其他气体到大气层，我们就会知道得一清二楚。”

猎兔犬-2上约9m长的机械臂用于探测周围的天气状况，其上安装的大部分仪器设备都在这个机械臂的末端并呈扇状展开。安装在机械臂里的微型光谱仪可利用γ射线探测火星上的金属元素。根据探测结果，科学家能推算出火星上存在水的情况。其钻头可以深入火星表层之下，并在不受地表紫外线照射的情况下完成取样，避免样品受到污染而影响探测结果。这个登陆者还会施展一种鼹鼠般的能力，以0.17cm/s的速度在地表短距离爬行，挖掘地洞采集样品。猎兔犬-2有别于以往其他火星登陆车之处在于,能够直接检测出是否存在有机碳，以验证生命物质核心的存在。

“火星快车”轨道器-猎兔犬-2着陆器组合体在接近火星时,即2003年12月19日分道扬镳。其中欧洲“火星快车”轨道器于2003年12月25日，即圣诞节进入环火星轨道，然后开始探测工作，并超期服役至今。它已获得了大量火星信息,成为欧洲的骄傲；而英国猎兔犬-2着陆器在与欧洲“火星快车”轨道器分离后就失去了联系，一直没有音讯,使英国乃至欧洲航天界百思不得其解。这一得一失，也让欧洲航天喜忧参半。

目前仍在工作的欧洲“火星快车”轨道器

2　原定设想美好

欧洲猎兔犬-2着陆器原计划降落在火星赤道附近一个名为伊希迪斯的大型平坦沉积盆地，这里可能保存有生命的痕迹。猎兔犬-2是在“火星快车”轨道器进入火星轨道的前5天与之分离，然后自由滑行进入火星大气层。按照设计，它是先利用火星大气层磨擦产生的阻力来降低速度；当降到距火星表面一定高度后打开降落伞，使其速度进一步减慢；最终借助气囊缓冲着陆。如果猎兔犬-2着陆时方向不对，它会打开盖子翻过个来朝向遥远的太阳。如果方向正确，它只要打开盖子，展开太阳电池板即可。

到达火星地面后，猎兔犬-2应像花瓣一样打开，伸出4个像唱片一样的太阳电池板，为它提供工作所需的能量。英国布勒乐队的歌曲将作为成功降落的信号发回地球。

欧洲航天局为猎兔犬-2确定的着陆地点为一个椭圆型区域，长60km、宽10km，位于火星10°（N）、270°（W）处。该地区是一个沉积盆地，如果火星上确实存在过生命，那么生命的踪迹就可能在此有所保留。到达火星表面后，猎兔犬-2计划将向火星北部进发，独自探索火星的表层，收集矿石标本，最终在一个事先设定的地点开始探寻生命痕迹的工作。

猎兔犬-2着陆器携带的科学仪器有气体分析包、环境传感器、2台立体照相机、显微镜、X射线分光仪、γ射线分光仪、掘地器和岩芯取样器/研磨器等。其中的立体照相机可用全景镜头和宽视场镜头来拍摄登陆地点的照片，从而为进一步的探索做出指引，并负责寻找特色岩石；显微镜能以很高的放大倍数，近距离地观测岩石和土壤，揭示岩石的纹理；X射线和γ射线分光仪负责确定岩石的成分；在其机械臂探测范围内的岩石碎片都会被分析，以确定是否含有机物、水和水沉淀的矿物质……其中的岩芯取样器源于中国香港发明家兼牙医伍士铨的牙科抓钳工具的设计理念，这是中国人参与设计的仪器首次接触外星土壤。它是一个多功能的太空轻巧用具，质量370g，功耗只有2W，可作磨、钻、挖和抓取土质样本之用。其设计融合了中国筷子的特性，使仪器可以更灵活地探取经钻磨的石块样本，因此获得欧洲航天局的采纳。

猎兔犬-2着陆器所收集到的信息通过“火星快车”轨道器发送回地面。研究人员希望这次火星探索能找到证明火星上存在水的证据。但是所有的美好设想都因为故障化为乌有，它与“火星快车”轨道器分离后就再也联系不上了。

猎兔犬-2着陆器在火星着陆示意图

3　着陆困难重重

火星历来是一个危险的目的地。50多年来，世界各国先后向火星发射了40多个各类探测器，但约有1/2的火星探测器都以失败告终，所以火星被称为“探测器的坟场”或“死亡星球”。其中，在火星着陆最为危险，这一过程虽然只有6min，但被称为恐怖的6min。

在着陆火星过程中，火星探测器必须切入火星轨道。其技术难点首先是要选择适当的切入高度。如果探测器离火星过远，无法被火星引力捕获，它会掠过火星；如果切入点离火星太近，则可能坠毁于火星大气层。进入火星轨道的难度相当于从巴黎打一个高尔夫球，正好落到了日本东京的某个球洞里。然后是制动速度的大小和长短，太大或太小，太长或太短都会影响探测器准确进入预定的火星轨道。

在切入火星轨道后，如果要在火星表面着陆，一般是利用火星大气的阻力作用，使探测器轨道的远地点逐渐缩小，然后在适当的高度进入大气层，到达火星表面。这个过程的技术难度更大。因为在探测器进入火星大气时离地球很远，遥测和遥控信号比较微弱，且延时较长。另外，当探测器运动到火星背面时，地球上无法准确地确定其轨道参数，这就给再入高度的选择带来困难。

进入火星大气层后，探测器防热措施如何？降落伞、气囊等能否按程序工作都至关重要，必须非常精确。另外，火星上的一块石头或者一阵狂风都有可能破坏原有的计划。所以，在火星上的着陆技术十分复杂，每个环节都不能有闪失，否则功亏一篑。

猎兔犬-2设计的着陆过程：①它在距火星表面120km高处时，以19000km/h的速度（相当于音速的16倍，子弹速度的8倍）冲入火星大气层；②4min以后，依靠与火星大气的剧烈摩擦，探测器的速度减为1600km/h，这时探测器的舱外温度达1400℃，但采用烧蚀材料等技术可使舱内温度保持在20℃；③在离火星表面8.6km时，探测器打开降落伞，使探测器的速度降为321km/h；④在离火星表面1km时，探测器打开3个气囊充气，进行茧式包装；⑤在离火星表面10m时，切断探测器与降落伞之间的系绳，被气囊包裹的探测器自由落到火星表面；⑥着地停稳后气囊放气，探测器打开。

但是，猎兔犬- 2着陆器没有闯过这恐怖的6min。此后，英国为搜寻猎兔犬-2成立了代号为“老虎”的专家小组，该小组分析了登陆器的预定着陆区、进入火星大气层时的天气状况、与“火星快车”分离的过程及其独自向火星行进的过程，认为失踪的原因是猎兔犬-2在着陆过程中未及时打开降落伞而坠毁在火星表面。另外，猎兔犬-2似乎也缺乏一点运气，因为在其着陆前几天，火星上出现了一次严重的尘暴，结果导致大气浓度降低。科学家认为，猎兔犬-2很可能因此无法借助足够的大气摩擦力，使着陆时的速度降低到一定程度，结果未能及时打开降落伞，从而坠毁在火星表面上。当时，美国“火星全球探测者”探测器拍摄到的图片显示，猎兔犬-2的预计着陆区内有一些坑道和岩石。

为此，有人认为，猎兔犬-2也许根本没着陆火星，而是被弹出了大气层，进入了环日轨道。也有人认为，它可能在降落过程中被大气燃烧殆尽，亦或是到达了火星表面，但却撞到了超硬的物体。领导这一计划的英国科学家皮林格教授说，最可能的是“天气原因”导致火星大气比预期的要稀薄，致使猎兔犬-2进入火星大气层后下降过快，登陆器减速伞和缓冲气囊没有按计划打开，或根本没有打开，最终使猎兔犬-2坠毁火星表面，其气囊破裂，仪器未正常工作，防热板破损和天线受损等也可能是造成失去联系的原因。另外，欧洲航天局和英国还曾把失败原因归咎于这一计划的资金投入不足和项目管理不善。

虽然欧美寻找了很长时间，包括动用火星探测器、射电望远镜等一系列手段，却始终没有得到任何结果，由此认定猎兔犬-2计划失败，并引发一些争议。在释放猎兔犬-2时，欧洲“火星快车”拍下其分离时的最后一张照片，之后一切都成为谜团。

猎兔犬-2与“火星快车”轨道器分离示意图

猎兔犬-2降落火星示意图

猎兔犬-2项目主管希姆斯展示猎兔犬-2的太阳电池板

欧洲“火星生物学”漫游车着陆示意图

4　今日柳暗花明

2015年1月16日，英国和欧洲航天局突然宣布，失踪10余年的猎兔犬-2已经被美国航空航天局的“火星勘测轨道器”找到了，它12年前就已经成功登陆火星。猎兔犬-2项目主管希姆斯（Sims）说：“猎兔犬-2成功着落火星，我对此感到兴奋。从2003年开始，每个圣诞节我都在想，猎兔犬-2究竟在哪里呢？”其实早在2014年3月，英国科学家就曾表示，猎兔犬-2可能已经找到，因为他们从火星轨道器拍到的猎兔犬-2着陆的地方发现了4个白色的亮点，这显然是着陆气囊打开后展现的四个叶片。但当时还没有定论，而且也有科学家怀疑，那四个白点很可能是拍照失误造成的。

美国“火星勘测轨道器”拍摄的图像显示，该探测器成功在火星表面着陆，但是处于半展开状态，所以导致其无法与地球取得联系。只有其4个太阳电池板都完全打开时，猎兔犬-2着陆器才能够展开天线，进而与地球进行联络。

希姆斯表示，如果“火星勘测轨道器”拍摄的确实是猎兔犬-2，就意味着其按计划完成了复杂的进入、下降及着陆程序，其中包括用降落伞和气囊减速着陆等。对于推测为什么猎兔犬-2在最初着陆并弹跳约500m后未能成功打开太阳电池板这一问题，希姆斯说：“最可能的是运气太坏了。”

目前，人类共有5个探测器在火星轨道工作，那么，为什么花了10余年时间才发现猎兔犬-2着陆器呢？这主要是因为在长60km、宽10km的着陆区，想要定位一个仅2m宽的探测器实在是非常困难，这几乎达到了所有火星轨道器拍照设备有效分辨率极限，故此10多年来没有发现它的踪迹。只有“火星勘测轨道器”上分辨率为25cm的相机才可能找到它。着陆区内有大量像该着陆器一样大小的岩石，所以寻找猎兔犬-2的工作如同大海捞针。最后，所拍物体之所以被认定是猎兔犬-2着陆器，是因为其距离目标着陆中心的距离只有5km。同时其具有适当的形状、大小、颜色及反射率，并且几乎没有影子。专家强调：“这并不是一堆岩石或沙丘，这完全是一个来自火星以外的物体。”

在找到猎兔犬-2后，该项目主管希姆斯认为,可能纯粹是坏运气，着陆后的大力反弹可能使着陆器的结构变形，因为太阳电池板之间的间隙不大；或是降落伞或气囊没能与登陆器充分分离，阻碍了着陆器展开。

英国在一份声明中说，由于只展开部分探测器，所以不可能重新与猎兔犬-2取得联系或从中检索数据，因为它的天线在太阳电池板下面。

欧洲航天局说，尽管目前还不能确定猎兔犬-2出的故障原因，但能得知它已成功着陆，这就为欧洲下一阶段火星探测计划注入了新的动力。欧洲计划在2016年发射“跟踪气体轨道器”(TGO)以及“进入、降落和着陆”(EDA)演示器，并在2018年发射“火星生物学”(ExoMars)漫游车。

晓柯/文

Beagle 2 Found on Mars