再寻火星生命——欧洲“火星生物学-2016”探测器发射升空

□ 谢　博

再寻火星生命——欧洲“火星生物学-2016”探测器发射升空

□ 谢博

北京时间2016年3月14日17∶31，欧洲研制多年的“火星生物学-2016”（ExoMars-2016）探测器由俄罗斯质子-M/微风-M运载火箭从哈萨克斯坦拜科努尔发射升空。3月15日04∶13，经过4次点火的微风-M上面级与探测器分离；05∶29，意大利航天局在肯尼亚的地面跟踪站首次捕获探测器遥测信号，确认探测器成功送入地火转移轨道。

欧洲和俄罗斯的这次合作，再次掀起火星探测热潮。本来，美国也定于2016年3月发射洞察号（InSight，用于研究类地行星和演变）火星着陆器，但由于其上的法国测震仪突然坏了，所以被推迟到下一个火星探测器发射周期（每26个月1次）的2018年5月5日(同年11月26日抵达火星)。截至2016年3月，全球共进行了114次月球探测，43次火星探测。不过，从20世纪90年代至今，人类共进行了18次火星探测，而月球探测只进行了14次。

俄罗斯质子-M/微风-M运载火箭发射欧洲“火星生物学-2016”

几经变更终于上天

2005年，欧洲正式开展“火星生物学”项目，这是欧洲自2003年以来首次执行火星任务。2003年6月2日，欧洲“火星快车”（Mars 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（Beagle 2）着陆器组成，该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，直到2015年1月16日，英国航天局才发布声明称，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火星着陆器。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。

执行“火星生物学-2016”任务的“质子-M/微风-M火箭”分离整流罩示意图

“火星生物学”项目进行得也不顺利。它是欧洲航天局“曙光”（Aurora）计划的第一项任务，目的是开展机器人火星车探测，进行太空生物学和地质学研究，最初定于2011年用俄罗斯“联盟”火箭一次发射完成，用于验证火星采样返回任务所需的技术。后来由于多种原因，耗资16亿美元的“火星生物学”改用美国“宇宙神”火箭分别在2016年和2018年分2次发射完成。2012年，由于资金等原因，美国航空航天局又决定退出与欧洲合作探测火星，于是欧洲航天局又再次与俄罗斯合作实施“火星生物学”项目。在这次合作中，俄罗斯要在2016年和2018年用其质子-M先后发射火星轨道器-着陆器和火星巡视器-着陆器，并在轨道器上装有俄罗斯为“火卫一-土壤”（Phobos-Grunt，2011年发射，但因故障没有进入地火转移轨道）研制的2台仪器，计划2018年发射的火星表面平台也是俄罗斯研制的，目的是为俄罗斯重返火星探测奠定基础。

“火星生物学-2016”是火星轨道器和着陆器的组合体，由泰雷兹-阿莱尼亚宇航公司研制，俄罗斯提供部分探测仪器和负责探测器的发射。如果任务执行顺利，在2018年将执行“火星生物学-2018”任务，即发射1个欧洲巡视器和1个俄罗斯着陆器。

寻找火星上的生命

“火星生物学-2016”的任务是寻找火星过去存在或现在存有生命的痕迹；分析火星次表层土壤中的水和化学环境；研究火星大气中的微量气体成分及其来源。它由欧洲“微量气体轨道器”(TGO) 和“夏帕雷利”（Schiaparelli，意大利天文学家的名字，最早的火星地图部分由他绘制) 进入、降落和着陆演示器（Entry Descent and Landing Demonstrator Module——EDM）组成。其中的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，为后续任务的火星着陆进行技术验证，并为其他火星任务积累经验。

该组合体飞往火星的巡航过程中，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。它们在飞行4.96亿千米后，即今年的10月16日，着陆器将通过三点旋转分离机构与轨道器分道扬镳，届时着陆器以大于0.3米/秒的相对速度和2.5转/秒的自旋角速度脱离轨道器，与火星大气进入边界点成0°攻角飞往火星。

10月19日，“微量气体轨道器”进入周期4个火星日的火星轨道，10月25日，轨道器进入轨道倾角为74°的火星科学实验轨道；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；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，进入400千米高的圆轨道对火星大气进行探测，并为美国火星着陆器中继数据；从2019年1月15日起，“微量气体轨道器”还将为“火星生物学-2018”任务中的火星车、着陆器中继数据；2022年底，“微量气体轨道器”达到设计寿命，任务结束。

2016年10月19日，“夏帕雷利”在火星表面着陆开展为期4个火星日的短期科学考察。从与“微量气体轨道器”分离到着陆期间，“夏帕雷利”将用“微量气体轨道器”进行中继通信。在火星着陆后，“夏帕雷利”用美国的火星轨道器进行中继通信。

欧洲“微量气体轨道器”将在火星轨道工作5年，用光谱仪探测火星大气状况，尤其是火星大气中的甲烷，并追踪其来源，绘制出一份火星甲烷地图，确定其是否由生物过程产生。它还可获得不同海拔高度上甲烷含量的详细信息，并协助选择2018年发射的火星车登陆地点。

延伸阅读：火星大气中的甲烷与生命

火星大气中存在含量为十亿分之一级的微量甲烷，并且呈现季节性变化的特征。天体物理学家之所以对甲烷感兴趣，是因为地球上的生物体在消化养分时，会释放出大量甲烷。然而，一些地质过程也会释放甲烷。所以如果能探测到火星上有甲烷，有可能找到火星存在或者曾经存在过某种生命形式的证据。如果甲烷与其他复杂烃类气体同时存在，比如丙烷或乙烷，这将是其与生物过程相关的一个强有力证据；如果找到甲烷的同时还发现二氧化硫(一种与地球上火山活动密切相关的化学产物)，则能肯定甲烷来自地底，是在地质活动中逸出的。

此前，美国好奇号火星车已在火星发现了来源未知的甲烷气体以及其他有机分子，这被广泛认为是原始生命存在的潜在迹象，但科学家认为，这不足以证明火星上曾经有微生物存在，甲烷的来源有可能是彗星撞击、星际尘埃受紫外线照射侵蚀、水和岩石的相互作用等。

与以往探测火星大气中甲烷的设备相比，“微量气体轨道器”的灵敏度要高3个数量级，其光谱仪可探测到火星大气中万亿分之几的甲烷，还能够检测出甲烷以外的关键化学物质和气体，以确定火星甲烷是由生命体产生，还只仅仅是地质过程的副产品。它既可以垂直探测至火星表面的甲烷，绘制出火星的甲烷热点地图，也能在黎明和黄昏时观测火星，利用阳光直射“微量气体轨道器”，从而获得距离火星地表不同高度的甲烷含量的详细信息。

验证火星着陆技术

火星大气甲烷来源和消失的可能途径

欧洲“夏帕雷利”又叫静态气象学着陆器，是一个盾型航天器，由一个半锥角70°的盾头前体结构和一个半锥角为47°的圆锥形后体结构组成，装有进入、下降和着陆系统（EDL）。该着陆器外直径为2.4米，表面平台直径为1.7米，用于测试2018年发射的欧洲火星车在火星表面着陆将要用到的一些关键技术，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。其总质量为600千克，在带防热罩时直径为2.4米，分离防热罩后直径为1.65米，其上的2副特高频天线用于和“微量气体轨道器”进行通信。它用于验证火星进入、下降和软着陆技术，评估着陆器在下降过程中其上传感器的性能，以及在着陆点用于研究火星环境的传感器性能。它是装有火箭推进器、先进电子设备、特殊热防护材料、制导雷达、多普勒测高仪和欧洲自制超音速降落伞的火星着陆器。

在进入、下降和着陆的过程中，“夏帕雷利”上的“火星大气进入和着陆研究与分析”（AMELIA）用于研究着陆器的工程数据，对着陆器的轨道进行修正，确定火星大气的密度、风等环境条件；其上的“下降相机”（DECA）用于在着陆器接近表面时高分辨率拍摄着陆地点，测量大气的透明度，辅助建立着陆区域表面3D地形模型

着陆后，它将利用所携带的“火星表面尘埃描述、风险评估和环境分析仪”（DREAMS）首次在火星表面工作4个火星日，并向地球传回数据，直到电池耗尽。其上的数个传感器可分别测量火星表面的湿度、风速、压力、大气透明度、近地表大气温度和大气电气化。“夏帕雷利”有望成为首个在火星上成功着陆的欧洲着陆器。

欧洲第一辆火星车

欧洲“夏帕雷利”从“微量气体轨道器”降落到火星表面示意图

2018年5月，俄罗斯质子-M/微风-M火箭将发射欧洲首辆火星车和俄罗斯火星表面平台。前者绰号叫“布里奇特”（Bridget），正式名称叫“自动机器科学家”（autonomous robotic scientist），能够在火星表面自动导航行驶，一对立体相机可让火星车建立火星表面的3D地形图，其导航软件可对地形进行评估，随后火星车自动避障并以最佳路线行驶。它将通过巡视、钻孔、采集样品与分析来探测火星上的生命信息，因为在没有辐射和光化作用的影响下，火星的地下样本存在生命信息的可能性更大，其使用的导航程式可以用来判定周围地形让火星车能避开阻碍与找出最有效率的路线；后者用于研究火星的环境。

“布里奇特”装有一系列高科技的设备，将借助各种探测器和钻头对火星地表正面的岩石及其他物质进行采样分析，在火星表面和地下寻找过去、现在生命存在的迹象，以此来确定火星上是否曾经存在过生命，或者是否有适合生命存在的环境；研究火星多处地点的星球化学与水文分布特点；对火星环境进行外层空间生物学和物理学分析，增加对火星环境及星球物理的了解；在其他机器人航天器或人类着陆之前确认潜在的危险。

欧洲“夏帕雷利”降落至火星表面时序图

“火星生物学-2018”的火星车和火星表面平台

欧洲“布里奇特”火星车走下俄罗斯火星表面平台示意图。它长3米，宽1.8米，在火星表面漫步时，不需要地面人员对其进行复杂的操作控制，可以自由活动，而且动作更快，并可以对火星地表下面进行钻探。比较而言，美国的勇气号和机遇号仅能对暴露在火星表面的土壤和岩石进行分析。专家们猜测，火星上的生物或它们的遗骸可能都被深埋在了土壤之中。

在通过俄罗斯提供的着陆系统在火星表面着陆后，欧洲火星车将从俄罗斯火星表面平台出发执行巡视探测任务，预计它将在执行任务期间行驶数千米。该火星车装有6个轮子，每个车轮都能独立驱动和转向，每个火星日移动大约100米，可适应火星表面复杂的地形。其装有能提高运动控制鲁棒性的倾斜计和陀螺仪和用于确定火星车在火星表面的姿态以及相对于地球方向的太阳敏感器。它由太阳电池板供电，通过加热器和电池过夜。其自主性很高，每个火星日只需进行1～2次短暂通信。火星专家将用火星车相机所拍的图像选定探测目的地，通过导航立体相机生成数字地图并计算出合适的路径。

为研究火星过去或现在的可居住环境和可能存在的生命痕迹，它装有评估表面目标的矿物成分的“火星生物学红外光谱仪”（ISEM）、绘制火星三维地图的“全景相机”（PanCam）系统[1.56千克，包括2个广角照相机（WAC，拍摄多光谱立体全景影像）和1个高分辨率彩色相机（HRC）]、进行水冰和火星次表层沉积物分析的“透地雷达”（WISDOM）、寻找地下水和水合矿物的“γ射线和中子探测器”（Adron）、获得岩石、露出地面的岩层、钻孔碎石和钻孔核心样本的高精度彩色特写图像的“特写成像仪”（CLUPI）、分析钻头收集的样本粉末物质的“红外成像光谱仪”（MicrOmega-IR）、研究次表层与水相关矿物质的分布和状态的“火星多光谱成像仪”（Ma-MISS）、精确测定晶体矿物成分的火星X射线衍射仪(Mars-XRD)、寻找火星生命信息的“火星有机分子分析仪”（MOMA）、分析矿物成分和识别有机颜料的“拉曼光谱仪”（RLS）。其中的“透地雷达”用来探测火星表面以下状况，以判定地层和选择适合的地层进行取样本分析。

欧洲火星车钻探火星示意图

工作时，通过火星车上的相机与雷达所获得的信息，火星专家可以找到合适的钻孔地点。其上的钻孔机内部装有能进行地下探测的“火星多光谱成像仪”，用该仪器可观测钻孔机所钻出的孔壁，获取了解火星过去和现在地质作用和环境的关键资料。因为该仪器也有摄影的功用，也可使用该仪器来确定火星表面特定的砂石颗粒，并且可将这些砂石作为火星有机分子分析仪和拉曼光谱仪的观测目标。钻孔机最大钻孔深度可达2米，可用于获取直径约1厘米、长3厘米样本的多种土壤样本并分析。它将至少获取17份样本，其中包括2次深达2米的垂直探测。获取的样本将移至火星车上的分析实验室，先磨成粉末，然后把样本粉末用分析实验室的各种仪器进行化学、物理、矿物学光谱分析和研究，识别最重要的有机物质。“布里奇特”将为火星上是否存在生命提供无可争议的证据，并且能够准确地回答人类在宇宙中是否孤独的问题。

（责任编辑张恩红）