□ 謝　博

再尋火星生命——?dú)W洲“火星生物學(xué)-2016”探測(cè)器發(fā)射升空

□ 謝博

北京時(shí)間2016年3月14日17∶31，歐洲研制多年的“火星生物學(xué)-2016”（ExoMars-2016）探測(cè)器由俄羅斯質(zhì)子-M/微風(fēng)-M運(yùn)載火箭從哈薩克斯坦拜科努爾發(fā)射升空。3月15日04∶13，經(jīng)過4次點(diǎn)火的微風(fēng)-M上面級(jí)與探測(cè)器分離；05∶29，意大利航天局在肯尼亞的地面跟蹤站首次捕獲探測(cè)器遙測(cè)信號(hào)，確認(rèn)探測(cè)器成功送入地火轉(zhuǎn)移軌道。

歐洲和俄羅斯的這次合作，再次掀起火星探測(cè)熱潮。本來，美國也定于2016年3月發(fā)射洞察號(hào)（InSight，用于研究類地行星和演變）火星著陸器，但由于其上的法國測(cè)震儀突然壞了，所以被推遲到下一個(gè)火星探測(cè)器發(fā)射周期（每26個(gè)月1次）的2018年5月5日(同年11月26日抵達(dá)火星)。截至2016年3月，全球共進(jìn)行了114次月球探測(cè)，43次火星探測(cè)。不過，從20世紀(jì)90年代至今，人類共進(jìn)行了18次火星探測(cè)，而月球探測(cè)只進(jìn)行了14次。

俄羅斯質(zhì)子-M/微風(fēng)-M運(yùn)載火箭發(fā)射歐洲“火星生物學(xué)-2016”

幾經(jīng)變更終于上天

2005年，歐洲正式開展“火星生物學(xué)”項(xiàng)目，這是歐洲自2003年以來首次執(zhí)行火星任務(wù)。2003年6月2日，歐洲“火星快車”（Mars 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（Beagle 2）著陸器組成，該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，直到2015年1月16日，英國航天局才發(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火星著陸器。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。

執(zhí)行“火星生物學(xué)-2016”任務(wù)的“質(zhì)子-M/微風(fēng)-M火箭”分離整流罩示意圖

“火星生物學(xué)”項(xiàng)目進(jìn)行得也不順利。它是歐洲航天局“曙光”（Aurora）計(jì)劃的第一項(xiàng)任務(wù)，目的是開展機(jī)器人火星車探測(cè)，進(jìn)行太空生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)研究，最初定于2011年用俄羅斯“聯(lián)盟”火箭一次發(fā)射完成，用于驗(yàn)證火星采樣返回任務(wù)所需的技術(shù)。后來由于多種原因，耗資16億美元的“火星生物學(xué)”改用美國“宇宙神”火箭分別在2016年和2018年分2次發(fā)射完成。2012年，由于資金等原因，美國航空航天局又決定退出與歐洲合作探測(cè)火星，于是歐洲航天局又再次與俄羅斯合作實(shí)施“火星生物學(xué)”項(xiàng)目。在這次合作中，俄羅斯要在2016年和2018年用其質(zhì)子-M先后發(fā)射火星軌道器-著陸器和火星巡視器-著陸器，并在軌道器上裝有俄羅斯為“火衛(wèi)一-土壤”（Phobos-Grunt，2011年發(fā)射，但因故障沒有進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道）研制的2臺(tái)儀器，計(jì)劃2018年發(fā)射的火星表面平臺(tái)也是俄羅斯研制的，目的是為俄羅斯重返火星探測(cè)奠定基礎(chǔ)。

“火星生物學(xué)-2016”是火星軌道器和著陸器的組合體，由泰雷茲-阿萊尼亞宇航公司研制，俄羅斯提供部分探測(cè)儀器和負(fù)責(zé)探測(cè)器的發(fā)射。如果任務(wù)執(zhí)行順利，在2018年將執(zhí)行“火星生物學(xué)-2018”任務(wù)，即發(fā)射1個(gè)歐洲巡視器和1個(gè)俄羅斯著陸器。

尋找火星上的生命

“火星生物學(xué)-2016”的任務(wù)是尋找火星過去存在或現(xiàn)在存有生命的痕跡；分析火星次表層土壤中的水和化學(xué)環(huán)境；研究火星大氣中的微量氣體成分及其來源。它由歐洲“微量氣體軌道器”(TGO) 和“夏帕雷利”（Schiaparelli，意大利天文學(xué)家的名字，最早的火星地圖部分由他繪制) 進(jìn)入、降落和著陸演示器（Entry Descent and Landing Demonstrator Module——EDM）組成。其中的軌道器主要用于探測(cè)火星大氣中的微量氣體；著陸器用于火星表面著陸試驗(yàn)，為后續(xù)任務(wù)的火星著陸進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，并為其他火星任務(wù)積累經(jīng)驗(yàn)。

該組合體飛往火星的巡航過程中，著陸器處于休眠模式，由軌道器為組合體提供必需的操作以及與地球間的通信，并為著陸器提供所需能源。它們?cè)陲w行4.96億千米后，即今年的10月16日，著陸器將通過三點(diǎn)旋轉(zhuǎn)分離機(jī)構(gòu)與軌道器分道揚(yáng)鑣，屆時(shí)著陸器以大于0.3米/秒的相對(duì)速度和2.5轉(zhuǎn)/秒的自旋角速度脫離軌道器，與火星大氣進(jìn)入邊界點(diǎn)成0°攻角飛往火星。

10月19日，“微量氣體軌道器”進(jìn)入周期4個(gè)火星日的火星軌道，10月25日，軌道器進(jìn)入軌道傾角為74°的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)軌道；10月27日，軌道器進(jìn)行遠(yuǎn)火點(diǎn)制動(dòng)，繞火星一圈的周期由4個(gè)火星日變?yōu)?個(gè)火星日；11月4日～2017年6月，軌道器進(jìn)行火星大氣制動(dòng)，降低軌道高度，進(jìn)入400千米高的圓軌道對(duì)火星大氣進(jìn)行探測(cè)，并為美國火星著陸器中繼數(shù)據(jù)；從2019年1月15日起，“微量氣體軌道器”還將為“火星生物學(xué)-2018”任務(wù)中的火星車、著陸器中繼數(shù)據(jù)；2022年底，“微量氣體軌道器”達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，任務(wù)結(jié)束。

2016年10月19日，“夏帕雷利”在火星表面著陸開展為期4個(gè)火星日的短期科學(xué)考察。從與“微量氣體軌道器”分離到著陸期間，“夏帕雷利”將用“微量氣體軌道器”進(jìn)行中繼通信。在火星著陸后，“夏帕雷利”用美國的火星軌道器進(jìn)行中繼通信。

歐洲“微量氣體軌道器”將在火星軌道工作5年，用光譜儀探測(cè)火星大氣狀況，尤其是火星大氣中的甲烷，并追蹤其來源，繪制出一份火星甲烷地圖，確定其是否由生物過程產(chǎn)生。它還可獲得不同海拔高度上甲烷含量的詳細(xì)信息，并協(xié)助選擇2018年發(fā)射的火星車登陸地點(diǎn)。

延伸閱讀：火星大氣中的甲烷與生命

火星大氣中存在含量為十億分之一級(jí)的微量甲烷，并且呈現(xiàn)季節(jié)性變化的特征。天體物理學(xué)家之所以對(duì)甲烷感興趣，是因?yàn)榈厍蛏系纳矬w在消化養(yǎng)分時(shí)，會(huì)釋放出大量甲烷。然而，一些地質(zhì)過程也會(huì)釋放甲烷。所以如果能探測(cè)到火星上有甲烷，有可能找到火星存在或者曾經(jīng)存在過某種生命形式的證據(jù)。如果甲烷與其他復(fù)雜烴類氣體同時(shí)存在，比如丙烷或乙烷，這將是其與生物過程相關(guān)的一個(gè)強(qiáng)有力證據(jù)；如果找到甲烷的同時(shí)還發(fā)現(xiàn)二氧化硫(一種與地球上火山活動(dòng)密切相關(guān)的化學(xué)產(chǎn)物)，則能肯定甲烷來自地底，是在地質(zhì)活動(dòng)中逸出的。

此前，美國好奇號(hào)火星車已在火星發(fā)現(xiàn)了來源未知的甲烷氣體以及其他有機(jī)分子，這被廣泛認(rèn)為是原始生命存在的潛在跡象，但科學(xué)家認(rèn)為，這不足以證明火星上曾經(jīng)有微生物存在，甲烷的來源有可能是彗星撞擊、星際塵埃受紫外線照射侵蝕、水和巖石的相互作用等。

與以往探測(cè)火星大氣中甲烷的設(shè)備相比，“微量氣體軌道器”的靈敏度要高3個(gè)數(shù)量級(jí)，其光譜儀可探測(cè)到火星大氣中萬億分之幾的甲烷，還能夠檢測(cè)出甲烷以外的關(guān)鍵化學(xué)物質(zhì)和氣體，以確定火星甲烷是由生命體產(chǎn)生，還只僅僅是地質(zhì)過程的副產(chǎn)品。它既可以垂直探測(cè)至火星表面的甲烷，繪制出火星的甲烷熱點(diǎn)地圖，也能在黎明和黃昏時(shí)觀測(cè)火星，利用陽光直射“微量氣體軌道器”，從而獲得距離火星地表不同高度的甲烷含量的詳細(xì)信息。

驗(yàn)證火星著陸技術(shù)

火星大氣甲烷來源和消失的可能途徑

歐洲“夏帕雷利”又叫靜態(tài)氣象學(xué)著陸器，是一個(gè)盾型航天器，由一個(gè)半錐角70°的盾頭前體結(jié)構(gòu)和一個(gè)半錐角為47°的圓錐形后體結(jié)構(gòu)組成，裝有進(jìn)入、下降和著陸系統(tǒng)（EDL）。該著陸器外直徑為2.4米，表面平臺(tái)直徑為1.7米，用于測(cè)試2018年發(fā)射的歐洲火星車在火星表面著陸將要用到的一些關(guān)鍵技術(shù)，如氣動(dòng)熱力學(xué)分析、火星大氣進(jìn)入與減速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制導(dǎo)導(dǎo)航和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其總質(zhì)量為600千克，在帶防熱罩時(shí)直徑為2.4米，分離防熱罩后直徑為1.65米，其上的2副特高頻天線用于和“微量氣體軌道器”進(jìn)行通信。它用于驗(yàn)證火星進(jìn)入、下降和軟著陸技術(shù)，評(píng)估著陸器在下降過程中其上傳感器的性能，以及在著陸點(diǎn)用于研究火星環(huán)境的傳感器性能。它是裝有火箭推進(jìn)器、先進(jìn)電子設(shè)備、特殊熱防護(hù)材料、制導(dǎo)雷達(dá)、多普勒測(cè)高儀和歐洲自制超音速降落傘的火星著陸器。

在進(jìn)入、下降和著陸的過程中，“夏帕雷利”上的“火星大氣進(jìn)入和著陸研究與分析”（AMELIA）用于研究著陸器的工程數(shù)據(jù)，對(duì)著陸器的軌道進(jìn)行修正，確定火星大氣的密度、風(fēng)等環(huán)境條件；其上的“下降相機(jī)”（DECA）用于在著陸器接近表面時(shí)高分辨率拍攝著陸地點(diǎn)，測(cè)量大氣的透明度，輔助建立著陸區(qū)域表面3D地形模型

著陸后，它將利用所攜帶的“火星表面塵埃描述、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和環(huán)境分析儀”（DREAMS）首次在火星表面工作4個(gè)火星日，并向地球傳回?cái)?shù)據(jù)，直到電池耗盡。其上的數(shù)個(gè)傳感器可分別測(cè)量火星表面的濕度、風(fēng)速、壓力、大氣透明度、近地表大氣溫度和大氣電氣化?！跋呐晾桌庇型蔀槭讉€(gè)在火星上成功著陸的歐洲著陸器。

歐洲第一輛火星車

歐洲“夏帕雷利”從“微量氣體軌道器”降落到火星表面示意圖

2018年5月，俄羅斯質(zhì)子-M/微風(fēng)-M火箭將發(fā)射歐洲首輛火星車和俄羅斯火星表面平臺(tái)。前者綽號(hào)叫“布里奇特”（Bridget），正式名稱叫“自動(dòng)機(jī)器科學(xué)家”（autonomous robotic scientist），能夠在火星表面自動(dòng)導(dǎo)航行駛，一對(duì)立體相機(jī)可讓火星車建立火星表面的3D地形圖，其導(dǎo)航軟件可對(duì)地形進(jìn)行評(píng)估，隨后火星車自動(dòng)避障并以最佳路線行駛。它將通過巡視、鉆孔、采集樣品與分析來探測(cè)火星上的生命信息，因?yàn)樵跊]有輻射和光化作用的影響下，火星的地下樣本存在生命信息的可能性更大，其使用的導(dǎo)航程式可以用來判定周圍地形讓火星車能避開阻礙與找出最有效率的路線；后者用于研究火星的環(huán)境。

“布里奇特”裝有一系列高科技的設(shè)備，將借助各種探測(cè)器和鉆頭對(duì)火星地表正面的巖石及其他物質(zhì)進(jìn)行采樣分析，在火星表面和地下尋找過去、現(xiàn)在生命存在的跡象，以此來確定火星上是否曾經(jīng)存在過生命，或者是否有適合生命存在的環(huán)境；研究火星多處地點(diǎn)的星球化學(xué)與水文分布特點(diǎn)；對(duì)火星環(huán)境進(jìn)行外層空間生物學(xué)和物理學(xué)分析，增加對(duì)火星環(huán)境及星球物理的了解；在其他機(jī)器人航天器或人類著陸之前確認(rèn)潛在的危險(xiǎn)。

歐洲“夏帕雷利”降落至火星表面時(shí)序圖

“火星生物學(xué)-2018”的火星車和火星表面平臺(tái)

歐洲“布里奇特”火星車走下俄羅斯火星表面平臺(tái)示意圖。它長(zhǎng)3米，寬1.8米，在火星表面漫步時(shí)，不需要地面人員對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜的操作控制，可以自由活動(dòng)，而且動(dòng)作更快，并可以對(duì)火星地表下面進(jìn)行鉆探。比較而言，美國的勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)僅能對(duì)暴露在火星表面的土壤和巖石進(jìn)行分析。專家們猜測(cè)，火星上的生物或它們的遺骸可能都被深埋在了土壤之中。

在通過俄羅斯提供的著陸系統(tǒng)在火星表面著陸后，歐洲火星車將從俄羅斯火星表面平臺(tái)出發(fā)執(zhí)行巡視探測(cè)任務(wù)，預(yù)計(jì)它將在執(zhí)行任務(wù)期間行駛數(shù)千米。該火星車裝有6個(gè)輪子，每個(gè)車輪都能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，每個(gè)火星日移動(dòng)大約100米，可適應(yīng)火星表面復(fù)雜的地形。其裝有能提高運(yùn)動(dòng)控制魯棒性的傾斜計(jì)和陀螺儀和用于確定火星車在火星表面的姿態(tài)以及相對(duì)于地球方向的太陽敏感器。它由太陽電池板供電，通過加熱器和電池過夜。其自主性很高，每個(gè)火星日只需進(jìn)行1～2次短暫通信?；鹦菍＜覍⒂没鹦擒囅鄼C(jī)所拍的圖像選定探測(cè)目的地，通過導(dǎo)航立體相機(jī)生成數(shù)字地圖并計(jì)算出合適的路徑。

為研究火星過去或現(xiàn)在的可居住環(huán)境和可能存在的生命痕跡，它裝有評(píng)估表面目標(biāo)的礦物成分的“火星生物學(xué)紅外光譜儀”（ISEM）、繪制火星三維地圖的“全景相機(jī)”（PanCam）系統(tǒng)[1.56千克，包括2個(gè)廣角照相機(jī)（WAC，拍攝多光譜立體全景影像）和1個(gè)高分辨率彩色相機(jī)（HRC）]、進(jìn)行水冰和火星次表層沉積物分析的“透地雷達(dá)”（WISDOM）、尋找地下水和水合礦物的“γ射線和中子探測(cè)器”（Adron）、獲得巖石、露出地面的巖層、鉆孔碎石和鉆孔核心樣本的高精度彩色特寫圖像的“特寫成像儀”（CLUPI）、分析鉆頭收集的樣本粉末物質(zhì)的“紅外成像光譜儀”（MicrOmega-IR）、研究次表層與水相關(guān)礦物質(zhì)的分布和狀態(tài)的“火星多光譜成像儀”（Ma-MISS）、精確測(cè)定晶體礦物成分的火星X射線衍射儀(Mars-XRD)、尋找火星生命信息的“火星有機(jī)分子分析儀”（MOMA）、分析礦物成分和識(shí)別有機(jī)顏料的“拉曼光譜儀”（RLS）。其中的“透地雷達(dá)”用來探測(cè)火星表面以下狀況，以判定地層和選擇適合的地層進(jìn)行取樣本分析。

歐洲火星車鉆探火星示意圖

工作時(shí)，通過火星車上的相機(jī)與雷達(dá)所獲得的信息，火星專家可以找到合適的鉆孔地點(diǎn)。其上的鉆孔機(jī)內(nèi)部裝有能進(jìn)行地下探測(cè)的“火星多光譜成像儀”，用該儀器可觀測(cè)鉆孔機(jī)所鉆出的孔壁，獲取了解火星過去和現(xiàn)在地質(zhì)作用和環(huán)境的關(guān)鍵資料。因?yàn)樵搩x器也有攝影的功用，也可使用該儀器來確定火星表面特定的砂石顆粒，并且可將這些砂石作為火星有機(jī)分子分析儀和拉曼光譜儀的觀測(cè)目標(biāo)。鉆孔機(jī)最大鉆孔深度可達(dá)2米，可用于獲取直徑約1厘米、長(zhǎng)3厘米樣本的多種土壤樣本并分析。它將至少獲取17份樣本，其中包括2次深達(dá)2米的垂直探測(cè)。獲取的樣本將移至火星車上的分析實(shí)驗(yàn)室，先磨成粉末，然后把樣本粉末用分析實(shí)驗(yàn)室的各種儀器進(jìn)行化學(xué)、物理、礦物學(xué)光譜分析和研究，識(shí)別最重要的有機(jī)物質(zhì)。“布里奇特”將為火星上是否存在生命提供無可爭(zhēng)議的證據(jù)，并且能夠準(zhǔn)確地回答人類在宇宙中是否孤獨(dú)的問題。

（責(zé)任編輯張恩紅）