獵兔犬-2 失而復(fù)得

美國“火星勘測(cè)軌道器”拍攝到的獵兔犬-2

2015年1月16日，英國航天局發(fā)布聲明稱，通過美國“火星勘測(cè)軌道器”（MRO）拍攝的高分辨率圖像，在火星表面發(fā)現(xiàn)了10余年前失蹤的英國獵兔犬-2（Beagle-2）火星著陸器。最新圖像顯示，獵兔犬-2降落在預(yù)定著陸區(qū)，它的引導(dǎo)傘仍連著著陸器，主降落傘散落在附近，太陽電池板沒有完全展開。這表明，歐洲首個(gè)火星著陸器獵兔犬-2已成功降落火星。同日，歐洲航天局局長多爾丹說，這一發(fā)現(xiàn)意味著“11年前被視為失敗的計(jì)劃事實(shí)證明并非完全失敗……至少在火星著陸”。

1　當(dāng)年悲喜交加

2 0 0 3年6月2日，歐洲“火星快車”（M a rs Express）探測(cè)器由俄羅斯聯(lián)盟-FG火箭發(fā)射升空。它由歐洲“火星快車”軌道器和英國獵兔犬-2著陸器組成,其中，前者的設(shè)計(jì)壽命為2年，后者的設(shè)計(jì)壽命為2個(gè)月。

歐洲“火星快車”軌道器的任務(wù)是勘測(cè)火星地形、研究火星表面大氣及礦物成分，并以雷達(dá)探測(cè)火星的水資源存量。它攜帶了7種儀器，可對(duì)火星全球進(jìn)行10m分辨率的攝影地質(zhì)學(xué)測(cè)繪；對(duì)所選擇的地區(qū)進(jìn)行2m分辨率的攝影測(cè)繪；以數(shù)百米至千米級(jí)的分辨率對(duì)火星全球表面進(jìn)行礦物學(xué)測(cè)繪；探測(cè)火星大氣環(huán)流特性和大氣成分；探測(cè)火星地表下數(shù)千米至永久凍土層的結(jié)構(gòu)特性；對(duì)于火星大氣與地表及行星際介質(zhì)間的相互作用進(jìn)行研究；通過無線電科學(xué)試驗(yàn)對(duì)火星內(nèi)部、大氣和環(huán)境進(jìn)行研究；開展火星表面“地球化學(xué)”和外空生物學(xué)的研究。

獵兔犬-2著陸器的任務(wù)是繪制火星地圖，利用一部功能強(qiáng)大的雷達(dá)對(duì)火星表面進(jìn)行探測(cè)，尋找火星上有水存在的證據(jù)等。該著陸器質(zhì)量45kg，外型像一個(gè)蛤蜊，功能如一只小鼴鼠。這個(gè)著陸器不僅能探測(cè)地表，甚至能鉆探到地表1m深處，分析土壤年齡、水及礦物含量，分辨出180種鹽分、礦物質(zhì)、水和有機(jī)物質(zhì)。此外，該著陸器還可記錄火星大氣溫度、氣壓和風(fēng)速等有關(guān)數(shù)據(jù)，探測(cè)其中是否含有甲烷這一生命新陳代謝所必不可少的排泄物，并將收集到的信息發(fā)送回地球，從而找到火星上存在水的證據(jù)。它也能搜索火星上的碳同位素和水分子，甚至嘗試測(cè)算火星巖石的年齡。最吸引人的是，獵兔犬-2上的氣體分析儀能聞嗅火星上的大氣，探測(cè)火星生命的“呼吸”。該項(xiàng)目首席科學(xué)家皮林格(Pillinger）教授稱：“只要有生命在火星上吸收能量，它們就一定會(huì)排放出廢氣，事實(shí)上，獵兔犬-2甚至連火星生命放個(gè)屁都能偵測(cè)到……就算那些生物遠(yuǎn)在1000km之外，但只要它們釋放出甲烷或其他氣體到大氣層，我們就會(huì)知道得一清二楚?！?/p>

獵兔犬-2上約9m長的機(jī)械臂用于探測(cè)周圍的天氣狀況，其上安裝的大部分儀器設(shè)備都在這個(gè)機(jī)械臂的末端并呈扇狀展開。安裝在機(jī)械臂里的微型光譜儀可利用γ射線探測(cè)火星上的金屬元素。根據(jù)探測(cè)結(jié)果，科學(xué)家能推算出火星上存在水的情況。其鉆頭可以深入火星表層之下，并在不受地表紫外線照射的情況下完成取樣，避免樣品受到污染而影響探測(cè)結(jié)果。這個(gè)登陸者還會(huì)施展一種鼴鼠般的能力，以0.17cm/s的速度在地表短距離爬行，挖掘地洞采集樣品。獵兔犬-2有別于以往其他火星登陸車之處在于,能夠直接檢測(cè)出是否存在有機(jī)碳，以驗(yàn)證生命物質(zhì)核心的存在。

“火星快車”軌道器-獵兔犬-2著陸器組合體在接近火星時(shí),即2003年12月19日分道揚(yáng)鑣。其中歐洲“火星快車”軌道器于2003年12月25日，即圣誕節(jié)進(jìn)入環(huán)火星軌道，然后開始探測(cè)工作，并超期服役至今。它已獲得了大量火星信息,成為歐洲的驕傲；而英國獵兔犬-2著陸器在與歐洲“火星快車”軌道器分離后就失去了聯(lián)系，一直沒有音訊,使英國乃至歐洲航天界百思不得其解。這一得一失，也讓歐洲航天喜憂參半。

目前仍在工作的歐洲“火星快車”軌道器

2　原定設(shè)想美好

歐洲獵兔犬-2著陸器原計(jì)劃降落在火星赤道附近一個(gè)名為伊希迪斯的大型平坦沉積盆地，這里可能保存有生命的痕跡。獵兔犬-2是在“火星快車”軌道器進(jìn)入火星軌道的前5天與之分離，然后自由滑行進(jìn)入火星大氣層。按照設(shè)計(jì)，它是先利用火星大氣層磨擦產(chǎn)生的阻力來降低速度；當(dāng)降到距火星表面一定高度后打開降落傘，使其速度進(jìn)一步減慢；最終借助氣囊緩沖著陸。如果獵兔犬-2著陸時(shí)方向不對(duì)，它會(huì)打開蓋子翻過個(gè)來朝向遙遠(yuǎn)的太陽。如果方向正確，它只要打開蓋子，展開太陽電池板即可。

到達(dá)火星地面后，獵兔犬-2應(yīng)像花瓣一樣打開，伸出4個(gè)像唱片一樣的太陽電池板，為它提供工作所需的能量。英國布勒樂隊(duì)的歌曲將作為成功降落的信號(hào)發(fā)回地球。

歐洲航天局為獵兔犬-2確定的著陸地點(diǎn)為一個(gè)橢圓型區(qū)域，長60km、寬10km，位于火星10°（N）、270°（W）處。該地區(qū)是一個(gè)沉積盆地，如果火星上確實(shí)存在過生命，那么生命的蹤跡就可能在此有所保留。到達(dá)火星表面后，獵兔犬-2計(jì)劃將向火星北部進(jìn)發(fā)，獨(dú)自探索火星的表層，收集礦石標(biāo)本，最終在一個(gè)事先設(shè)定的地點(diǎn)開始探尋生命痕跡的工作。

獵兔犬-2著陸器攜帶的科學(xué)儀器有氣體分析包、環(huán)境傳感器、2臺(tái)立體照相機(jī)、顯微鏡、X射線分光儀、γ射線分光儀、掘地器和巖芯取樣器/研磨器等。其中的立體照相機(jī)可用全景鏡頭和寬視場(chǎng)鏡頭來拍攝登陸地點(diǎn)的照片，從而為進(jìn)一步的探索做出指引，并負(fù)責(zé)尋找特色巖石；顯微鏡能以很高的放大倍數(shù)，近距離地觀測(cè)巖石和土壤，揭示巖石的紋理；X射線和γ射線分光儀負(fù)責(zé)確定巖石的成分；在其機(jī)械臂探測(cè)范圍內(nèi)的巖石碎片都會(huì)被分析，以確定是否含有機(jī)物、水和水沉淀的礦物質(zhì)……其中的巖芯取樣器源于中國香港發(fā)明家兼牙醫(yī)伍士銓的牙科抓鉗工具的設(shè)計(jì)理念，這是中國人參與設(shè)計(jì)的儀器首次接觸外星土壤。它是一個(gè)多功能的太空輕巧用具，質(zhì)量370g，功耗只有2W，可作磨、鉆、挖和抓取土質(zhì)樣本之用。其設(shè)計(jì)融合了中國筷子的特性，使儀器可以更靈活地探取經(jīng)鉆磨的石塊樣本，因此獲得歐洲航天局的采納。

獵兔犬-2著陸器所收集到的信息通過“火星快車”軌道器發(fā)送回地面。研究人員希望這次火星探索能找到證明火星上存在水的證據(jù)。但是所有的美好設(shè)想都因?yàn)楣收匣癁闉跤?，它與“火星快車”軌道器分離后就再也聯(lián)系不上了。

獵兔犬-2著陸器在火星著陸示意圖

3　著陸困難重重

火星歷來是一個(gè)危險(xiǎn)的目的地。50多年來，世界各國先后向火星發(fā)射了40多個(gè)各類探測(cè)器，但約有1/2的火星探測(cè)器都以失敗告終，所以火星被稱為“探測(cè)器的墳場(chǎng)”或“死亡星球”。其中，在火星著陸最為危險(xiǎn)，這一過程雖然只有6min，但被稱為恐怖的6min。

在著陸火星過程中，火星探測(cè)器必須切入火星軌道。其技術(shù)難點(diǎn)首先是要選擇適當(dāng)?shù)那腥敫叨取Ｈ绻綔y(cè)器離火星過遠(yuǎn)，無法被火星引力捕獲，它會(huì)掠過火星；如果切入點(diǎn)離火星太近，則可能墜毀于火星大氣層。進(jìn)入火星軌道的難度相當(dāng)于從巴黎打一個(gè)高爾夫球，正好落到了日本東京的某個(gè)球洞里。然后是制動(dòng)速度的大小和長短，太大或太小，太長或太短都會(huì)影響探測(cè)器準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定的火星軌道。

在切入火星軌道后，如果要在火星表面著陸，一般是利用火星大氣的阻力作用，使探測(cè)器軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)逐漸縮小，然后在適當(dāng)?shù)母叨冗M(jìn)入大氣層，到達(dá)火星表面。這個(gè)過程的技術(shù)難度更大。因?yàn)樵谔綔y(cè)器進(jìn)入火星大氣時(shí)離地球很遠(yuǎn)，遙測(cè)和遙控信號(hào)比較微弱，且延時(shí)較長。另外，當(dāng)探測(cè)器運(yùn)動(dòng)到火星背面時(shí)，地球上無法準(zhǔn)確地確定其軌道參數(shù)，這就給再入高度的選擇帶來困難。

進(jìn)入火星大氣層后，探測(cè)器防熱措施如何？降落傘、氣囊等能否按程序工作都至關(guān)重要，必須非常精確。另外，火星上的一塊石頭或者一陣狂風(fēng)都有可能破壞原有的計(jì)劃。所以，在火星上的著陸技術(shù)十分復(fù)雜，每個(gè)環(huán)節(jié)都不能有閃失，否則功虧一簣。

獵兔犬-2設(shè)計(jì)的著陸過程：①它在距火星表面120km高處時(shí)，以19000km/h的速度（相當(dāng)于音速的16倍，子彈速度的8倍）沖入火星大氣層；②4min以后，依靠與火星大氣的劇烈摩擦，探測(cè)器的速度減為1600km/h，這時(shí)探測(cè)器的艙外溫度達(dá)1400℃，但采用燒蝕材料等技術(shù)可使艙內(nèi)溫度保持在20℃；③在離火星表面8.6km時(shí)，探測(cè)器打開降落傘，使探測(cè)器的速度降為321km/h；④在離火星表面1km時(shí)，探測(cè)器打開3個(gè)氣囊充氣，進(jìn)行繭式包裝；⑤在離火星表面10m時(shí)，切斷探測(cè)器與降落傘之間的系繩，被氣囊包裹的探測(cè)器自由落到火星表面；⑥著地停穩(wěn)后氣囊放氣，探測(cè)器打開。

但是，獵兔犬- 2著陸器沒有闖過這恐怖的6min。此后，英國為搜尋獵兔犬-2成立了代號(hào)為“老虎”的專家小組，該小組分析了登陸器的預(yù)定著陸區(qū)、進(jìn)入火星大氣層時(shí)的天氣狀況、與“火星快車”分離的過程及其獨(dú)自向火星行進(jìn)的過程，認(rèn)為失蹤的原因是獵兔犬-2在著陸過程中未及時(shí)打開降落傘而墜毀在火星表面。另外，獵兔犬-2似乎也缺乏一點(diǎn)運(yùn)氣，因?yàn)樵谄渲懬皫滋?，火星上出現(xiàn)了一次嚴(yán)重的塵暴，結(jié)果導(dǎo)致大氣濃度降低。科學(xué)家認(rèn)為，獵兔犬-2很可能因此無法借助足夠的大氣摩擦力，使著陸時(shí)的速度降低到一定程度，結(jié)果未能及時(shí)打開降落傘，從而墜毀在火星表面上。當(dāng)時(shí)，美國“火星全球探測(cè)者”探測(cè)器拍攝到的圖片顯示，獵兔犬-2的預(yù)計(jì)著陸區(qū)內(nèi)有一些坑道和巖石。

為此，有人認(rèn)為，獵兔犬-2也許根本沒著陸火星，而是被彈出了大氣層，進(jìn)入了環(huán)日軌道。也有人認(rèn)為，它可能在降落過程中被大氣燃燒殆盡，亦或是到達(dá)了火星表面，但卻撞到了超硬的物體。領(lǐng)導(dǎo)這一計(jì)劃的英國科學(xué)家皮林格教授說，最可能的是“天氣原因”導(dǎo)致火星大氣比預(yù)期的要稀薄，致使獵兔犬-2進(jìn)入火星大氣層后下降過快，登陸器減速傘和緩沖氣囊沒有按計(jì)劃打開，或根本沒有打開，最終使獵兔犬-2墜毀火星表面，其氣囊破裂，儀器未正常工作，防熱板破損和天線受損等也可能是造成失去聯(lián)系的原因。另外，歐洲航天局和英國還曾把失敗原因歸咎于這一計(jì)劃的資金投入不足和項(xiàng)目管理不善。

雖然歐美尋找了很長時(shí)間，包括動(dòng)用火星探測(cè)器、射電望遠(yuǎn)鏡等一系列手段，卻始終沒有得到任何結(jié)果，由此認(rèn)定獵兔犬-2計(jì)劃失敗，并引發(fā)一些爭議。在釋放獵兔犬-2時(shí)，歐洲“火星快車”拍下其分離時(shí)的最后一張照片，之后一切都成為謎團(tuán)。

獵兔犬-2與“火星快車”軌道器分離示意圖

獵兔犬-2降落火星示意圖

獵兔犬-2項(xiàng)目主管希姆斯展示獵兔犬-2的太陽電池板

歐洲“火星生物學(xué)”漫游車著陸示意圖

4　今日柳暗花明

2015年1月16日，英國和歐洲航天局突然宣布，失蹤10余年的獵兔犬-2已經(jīng)被美國航空航天局的“火星勘測(cè)軌道器”找到了，它12年前就已經(jīng)成功登陸火星。獵兔犬-2項(xiàng)目主管希姆斯（Sims）說：“獵兔犬-2成功著落火星，我對(duì)此感到興奮。從2003年開始，每個(gè)圣誕節(jié)我都在想，獵兔犬-2究竟在哪里呢？”其實(shí)早在2014年3月，英國科學(xué)家就曾表示，獵兔犬-2可能已經(jīng)找到，因?yàn)樗麄儚幕鹦擒壍榔髋牡降墨C兔犬-2著陸的地方發(fā)現(xiàn)了4個(gè)白色的亮點(diǎn)，這顯然是著陸氣囊打開后展現(xiàn)的四個(gè)葉片。但當(dāng)時(shí)還沒有定論，而且也有科學(xué)家懷疑，那四個(gè)白點(diǎn)很可能是拍照失誤造成的。

美國“火星勘測(cè)軌道器”拍攝的圖像顯示，該探測(cè)器成功在火星表面著陸，但是處于半展開狀態(tài)，所以導(dǎo)致其無法與地球取得聯(lián)系。只有其4個(gè)太陽電池板都完全打開時(shí)，獵兔犬-2著陸器才能夠展開天線，進(jìn)而與地球進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。

希姆斯表示，如果“火星勘測(cè)軌道器”拍攝的確實(shí)是獵兔犬-2，就意味著其按計(jì)劃完成了復(fù)雜的進(jìn)入、下降及著陸程序，其中包括用降落傘和氣囊減速著陸等。對(duì)于推測(cè)為什么獵兔犬-2在最初著陸并彈跳約500m后未能成功打開太陽電池板這一問題，希姆斯說：“最可能的是運(yùn)氣太壞了。”

目前，人類共有5個(gè)探測(cè)器在火星軌道工作，那么，為什么花了10余年時(shí)間才發(fā)現(xiàn)獵兔犬-2著陸器呢？這主要是因?yàn)樵陂L60km、寬10km的著陸區(qū)，想要定位一個(gè)僅2m寬的探測(cè)器實(shí)在是非常困難，這幾乎達(dá)到了所有火星軌道器拍照設(shè)備有效分辨率極限，故此10多年來沒有發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。只有“火星勘測(cè)軌道器”上分辨率為25cm的相機(jī)才可能找到它。著陸區(qū)內(nèi)有大量像該著陸器一樣大小的巖石，所以尋找獵兔犬-2的工作如同大海撈針。最后，所拍物體之所以被認(rèn)定是獵兔犬-2著陸器，是因?yàn)槠渚嚯x目標(biāo)著陸中心的距離只有5km。同時(shí)其具有適當(dāng)?shù)男螤睢⒋笮?、顏色及反射率，并且?guī)缀鯖]有影子。專家強(qiáng)調(diào)：“這并不是一堆巖石或沙丘，這完全是一個(gè)來自火星以外的物體。”

在找到獵兔犬-2后，該項(xiàng)目主管希姆斯認(rèn)為,可能純粹是壞運(yùn)氣，著陸后的大力反彈可能使著陸器的結(jié)構(gòu)變形，因?yàn)樘栯姵匕逯g的間隙不大；或是降落傘或氣囊沒能與登陸器充分分離，阻礙了著陸器展開。

英國在一份聲明中說，由于只展開部分探測(cè)器，所以不可能重新與獵兔犬-2取得聯(lián)系或從中檢索數(shù)據(jù)，因?yàn)樗奶炀€在太陽電池板下面。

歐洲航天局說，盡管目前還不能確定獵兔犬-2出的故障原因，但能得知它已成功著陸，這就為歐洲下一階段火星探測(cè)計(jì)劃注入了新的動(dòng)力。歐洲計(jì)劃在2016年發(fā)射“跟蹤氣體軌道器”(TGO)以及“進(jìn)入、降落和著陸”(EDA)演示器，并在2018年發(fā)射“火星生物學(xué)”(ExoMars)漫游車。

曉柯/文

Beagle 2 Found on Mars