火星從來就不是一場說走就能走的旅行

1.發射成功只是任務的開始

2016年3月14日下午17:31，歐空局和俄羅斯航天局聯合研製的「ExoMars 2016」火星探測器，搭乘俄羅斯研製的「質子」號火箭，從位於哈薩克的從拜科努爾航天發射場升空，預計今年年底抵達火星。「ExoMars」是「Exobiology on Mars」的英文縮寫，即火星太空生物學計劃。

發射升空後，軌道器和著陸器還將進行一系列的分離和軌道調整，其中軌道器將持續工作至2022年：

2016年3月14日，任務發射（發射窗口為14日-25日）；

2016年10月16日，著陸器與軌道器分離；

2016年10月19日，軌道器進入火星環繞軌道；

2016年10月19日，著陸器被火星捕獲，隨後著陸在火星表面；

2016年10月19～23日，著陸器將在火星表面開展短期科學考察；

2016年10月25日，軌道器進入軌道傾角為74°的火星科學實驗軌道；

2016年10月27日，軌道器進行遠火點制動，繞火星一圈的周期由4個火星日變為1個火星日；

2016年11月4日～2017年6月，軌道器進行火星大氣制動，降低軌道高度；

2017年6月，軌道器進行相關的科學實驗操作工作；

2019年1月17日～2022年12月，軌道器結束火星考察，轉而為後續火星表面探測任務提供中繼通信服務；

2022年12月，任務結束。

地面控制中心正在緊張跟蹤「ExoMars」探測器

2. 火星從來就不是一場說走就能走的旅行

由於地球和火星都是運動的天體，所以從地球出發的火星探測器並非任何時候都可以發射，而是每隔2年零2個月（780天）才有一次發射機會，這樣的發射機會稱為發射窗口。也就是說，火星探測器的發射窗口每隔26個月才會打開一次。這是因為每隔780天，太陽、地球、火星就會排列成一條直線，稱為火星沖，此時是發射火星探測器的好機會。

2003年8月23日的火星沖，火星正好處於離太陽最近的位置（近日點），這時火星與地球的距離最近，僅為5575萬公里，即火星大沖。這一年的6月2日，歐空局發射其歷史上第一個火星探測器「火星快車」號，同樣由羅斯「聯盟-FG」號運載火箭在哈薩克拜克努爾衛星發射場發射升空，「火星快車」號攜帶一個軌道器和一輛「獵兔犬2號」火星車。火星快車軌道器取得了成功，但遺憾的是，獵兔犬2號著陸後就不知所終，再也聯繫不上。

火星是太陽系中與地球最為相似的行星，也是唯一有可能實現大規模移民的星球。因此，火星一直是太陽系探測的熱點和重點。火星探測的方式主要包括遙感探測和著陸探測兩種。遙感探測主要通過軌道器實現，目的是對火星表面開展全球性遙感；著陸和巡視探測主要通過著陸器和火星車來實現，目的是對火星表面重點地區開展定點精細探測，並尋找火星曾經或現在存在生命的證據。

軌道器飛行在火星大氣層之外，技術相對容易一些。而如果是火星車或著陸器，則需要穿過火星大氣層才能「踏」上火星表面，是火星探測中最關鍵的技術瓶頸。當前，美、俄、日、印、歐等國家和組織都已經或正在積極開展火星探測。1975年以來，美國已成功實施七次火星表面著陸探測，分別是海盜1號和海盜2號（軌道器/著陸器）、「火星探路者」號著陸器和火星車、「勇氣號」與「機遇號」火星車、「鳳凰號」著陸器、「好奇號」火星車。這些表面著陸任務充分驗證了火星探測的技術和能力，實現了火星表面安全著陸與移動探測。

安全著陸在火星表面主要通過3種方式來實現，分別是：氣囊緩衝、著陸支架緩衝、空中吊車著陸。20世紀90年代以來，「火星探路者」號通過氣囊緩衝方式成功著陸至火星表面，初步驗證了火星大氣層進入、減速、著陸的全過程（英文縮寫為EDL）；21世紀初，「勇氣號」與「機遇號」火星車成功實現大範圍表面巡視，並使氣囊緩衝著陸技術逐漸成熟；此後，「鳳凰號」著陸器使用著陸支架緩衝方式，實現了火星北極地區的安全著陸；2012年，「好奇號」火星車實現了質量更重的探測器登陸火星表面，採用了創新性的空中吊車著陸方式。

火星探測器從130 多公里的高空進入火星大氣，時速高達21000公里（每秒5.9公里），要在短短七分鐘的時間內，讓探測器的速度降至零，從而實現安全著陸。這也是所有火星探測任務中技術難度最大、失敗概率最高的關鍵時刻，被稱為「黑色七分鐘」。

蘇聯曾經對火星探測抱有很大熱情，上世紀六七十年代發射了世界上第一個火星探測器，並在每個發射窗口幾乎都會發射3～4顆火星探測器，雄心勃勃地希望在火星探測上佔據領先地位，卻接二連三遭遇失敗，嚴重打擊了自信心。在前蘇聯（含俄羅斯）已經發射的17顆火星探測器中，只有3顆算得上基本成功，其中有1顆還只能算部分成功（實現成功著陸，卻沒有取得有意義的成果），整體成功率不足18%。2011年中俄聯合實施火星-火衛一探測任務，同樣遭遇失敗，這說明俄羅斯在火星探測的關鍵技術方面還存在瓶頸，也是俄羅斯願意與歐洲聯合實施ExoMars火星任務的緣由，希望通過國際合作提升自身航天能力。

相比而言，美國迄今為止共發射17顆火星探測器，其中成功13顆，成功率高達76%。所以航天界有人評價，火星是蘇聯人的墳墓、美國人的天堂。

近年來，歐洲、印度、日本等國家和組織在火星探測方面也多有動作，其中印度於2013年11月5日發射亞洲首顆火星探測器。中國的自主火星探測已經論證了十年有餘，最近剛剛批准將於2021年實施我國首次火星任務。面對世界航天發展的新形勢，我國相關主管部門和科技界必須有戰略眼光，適度前瞻，早日開展火星探測，在人類探索太陽系的征程中做出與大國地位相適應的貢獻。

3. 「ExoMars」分兩次發射：今年發「星」、後年發「車」

ExoMars計劃最早始於歐空局1999年紅皮書中提出的火星生物學設想。經過十幾年的演化，ExoMars計劃的主要目的是尋找火星上現在和過去曾經存在生命的痕迹，分為ExoMars 2016和ExoMars 2018兩次任務，分別於2016年和2018年發射，整個ExoMars任務的預算為約16億美元。

這次發射的ExoMars 2016任務主要目的是分析火星大氣層中的甲烷氣體，驗證火星表面安全軟著陸的主要關鍵技術，實現著陸器在火星表面著陸。

ExoMars 2016火星任務主要包括三大科學目標：

（1）尋找火星過去存在或現在存有生命的痕迹；

（2）分析火星次表層土壤中的水和化學環境；

（3）研究火星大氣中的痕量氣體成分及其來源。

通過ExoMars 2016火星任務的實施，將實現四大技術目標：

（1）驗證將科學儀器安全著陸在火星表面的大氣進入、減速和著陸（EDL）技術；

（2）實現火星車對火星表面的巡視探測；

（3）實現火星次表層樣品採集；

（4）實現火星樣品採集、封裝、轉移和分析。

在ExoMars 2016任務之後，歐洲還將實施ExoMars 2018任務。2018年正值火星大沖，屆時火星距離地球5759萬公里，歐空局將於當年7月發射，釋放一輛火星車在火星表面著陸，火星車將攜帶一套鑽探工具和多套科學儀器，鑽探至兩米深的土壤層，以研究火星土壤的化學成分和可能的生命信號。由於該深度能屏蔽火星上的嚴寒、乾燥環境和很強的太空輻射，有利於火星生命的保存。因此，2016年發射的軌道器將與2018年的火星車協同探測，開創搜尋火星生命的新篇章。

4. 軌道器和著陸器如何分工

ExoMars 2016任務由兩部分組成，一個為痕量氣體軌道器（TGO，簡稱軌道器），另一個為減速著陸器（EDM，簡稱著陸器）。其中，軌道器主要用於探測火星大氣中的微量氣體；著陸器用於火星表面著陸試驗，為2018年更先進的火星著陸做試驗，同時為將來其它火星任務積累經驗。

2015年9月，由於ExoMars任務採購的壓力表存在缺陷，導致火星探測器的研製計劃被延遲。壓力表缺陷直接導致發射時間從2016年1月7日推遲至3月14日。目的是修復現有感測器或新購一批新的感測器，預防火星探測器升空後在軌出現問題。

軌道器由歐空局負責研發，目的是搜尋火星大氣層中的甲烷和其他痕量氣體（體積濃度<1%），這些氣體是證明火星現在存在生物或曾經存在生物的標誌物。

軌道器的軌道高度約在400千米，搭載的科學儀器主要對火星大氣中的多種氣體進行探測，如甲烷、水蒸氣、二氧化氮和乙炔等，進而確定這些氣體的分布區域及其來源。這些區域，也將是未來火星計劃的最佳著陸點之一。

已有探測結果表明，火星大氣含有微量的甲烷，且不同地區和不同時間的甲烷含量不同。由於甲烷在地質歷史中難以長期存在，所以探測到甲烷預示著火星可能至今仍在產生甲烷。不過，儘管生物消化過程中會產生甲烷，但其他的物理化學過程也會釋放甲烷氣體，比如鐵的氧化。因此，我們至今仍不清楚火星大氣中的甲烷究竟是來自與生命有關的生物過程，還是與生命無關的無機化學反應。

為支持未來的火星探測任務，2016火星任務特別搭載了一個著陸器。目的是驗證火星表面安全著陸的技術平台，進行火星表面登陸試驗，驗證火星大氣進入、減速下降和著陸過程中的關鍵技術，並計劃將一個重3千克的科學儀器包，著陸在火星表面。

由於著陸器上既沒有放射性同位素電池（核電源），也沒有太陽能電池板，因此著陸器在火星表面著陸後的能源供給，只能依靠攜帶的主電池供電，但其電力非常有限，所以著陸器在火星表面的工作壽命只有4個火星日（火星上的一天比地球上長39分35秒）。

著陸器主要是為了測量從火星高空至火星表面的大氣參數，包括大氣密度、溫度、壓力、風場等；測量火星強塵暴條件下的大氣特徵；擴展有效工程數據量，分析遙感測量數據與理論模型的差異。當然，由於受到科學儀器質量、能源供應和下傳數據量的限制，這些科學目標不一定能夠完全實現。

著陸器最主要的技術目標是，試驗和驗證歐洲後續火星探測任務必需的關鍵技術環節，如：氣動熱力學分析、火星大氣進入與減速系統設計、制導—導航和控制系統設計與著陸系統設計。

著陸器是一個盾型航天器，由一個半錐角70度的盾頭前體結構和一個半錐角為47度的圓錐形後體結構組成。著陸器外直徑為2.4米，表面平台直徑為1.7米。

在著陸器和軌道器組合體飛往火星的巡航過程中，為減少主電池的能量消耗，著陸器處於休眠模式。由軌道器為組合體提供必需的操作以及與地球間的通信，並為著陸器提供所需能源。

組合體到達火星3天前，著陸器通過三點旋轉分離機構與軌道器分離，並為著陸器提供大於0.3米/秒的相對速度和2.5轉/秒的自旋角速度，使著陸器與火星大氣進入邊界點成0度攻角。

著陸器在火星大氣層停靠階段將持續3天，停靠時間長短取決於軌道器與著陸器分離後的軌道修正，為進入火星大氣提供必須的軌道機動。這一階段對著陸器而言非常關鍵，導航和分離機構的散布將會疊加，進入火星大氣邊界點的軌道散布也將進一步增加。本階段最關鍵的動作，是利用著陸器後體上的太陽敏感器測量慣性姿態，在抵達進入火星大氣邊界點前，激活探測器系統，為啟動火星著陸程序做準備。

由於2016火星任務抵達火星時恰逢全球性沙塵暴季節，因此在進行著陸器設計時，必須考慮沙塵暴的影響。

5. 「黑色七分鐘」考驗火星著陸

火星著陸過程中，著陸器高速進入火星大氣，在通過大氣阻力實現減速並安全著陸的過程中，需要經歷技術難度最大、失敗概率最高的「黑色七分鐘」。

ExoMars著陸器的著陸系統包括一個被動著陸裝置（可壓縮緩衝結構）和一個主動著陸裝置（液體肼單組元推進系統）。主動著陸裝置保證著陸器在高度約1.5米時實現懸停（減速至0）。

被動著陸裝置由一種層壓的可壓縮緩衝材料構成，這種材料在衝擊過程中以變形方式吸收衝擊能量，以達到緩衝目的。在反推發動機作用完成後，著陸器表面平台將以4米/秒的速度著陸，可壓縮緩衝材料使該速度帶來的衝擊降至最低，最大衝擊過載為40g。

當著陸器與軌道器分離後，將以雙曲線軌道進入火星大氣層。著陸器可能的目標著陸點是火星子午線平原，這一區域的地形和大氣特性目前已經全面掌握，在該區域著陸可將著陸風險降至最低。

目前，目標著陸區的散布橢圓半長軸小於50千米。科學家正通過NASA提供的著陸區高解析度圖像對周圍環境特徵進行深入分析，隨著對著陸區特徵的認識更加明確，危險識別能力將進一步增強。

當著陸器抵達火星大氣層邊界（高120千米處）時，最大相對速度為5.827千米/秒，確定是否進入大氣層走廊還須考慮熱流密度、熱流載荷、載荷因子、降落傘充氣載荷和著陸點精度等5個因素和火星大氣條件的變化以及氣動特性。

當著陸器沿雙曲線軌道進入火星大氣後，飛行速度減至612～714米/秒（1.8～2.1倍音速）範圍內時，直徑12米的降落傘打開。當降落傘達到穩定減速後，前體彈射分離，安裝在著陸器表面平台上的多普勒雷達高度計開始測量，估算點火反推的高度。著陸器到達該高度時，降落傘攜帶後體與著陸器表面平台分離。

著陸器距離火星表面約1400米高度，下降速度約80米/秒時，著陸器開始點火反推。著陸器在9台400牛頓單組元反推發動機的作用下逐漸減速，最終在距離火星表面1.5米高處，著陸器的垂直速度和水平速度減至0，反推發動機關機，著陸器自由落體，著陸到火星表面。著陸時，著陸器表面平台下的緩衝蜂窩夾層結構將起到減小著陸衝擊荷載的作用，這種壓縮吸能結構具有質量輕、體積小、簡單可靠、成本低的優點，並使得著陸後的著陸器表面平台離火星表面的距離很小。

著陸器表面平台上安裝了總質量為6千克的多套感測器，主要目的是測量火星大氣進入、減速、著陸過程中的工程參數，著陸器成功著陸火星表面後，這些測量數據將傳回地球，重建著陸器的飛行軌道。

6. 歐洲探火為什麼用俄羅斯的火箭

歐空局組織架構鬆散，推動一項太空任務需要很長的協調周期。歐空局目前有20個成員國，愛沙尼亞和匈牙利也即將加入。加拿大是該局的准成員國，雙方簽訂了合作協議，加拿大可以參與歐空局的一些太空項目。因此，歐空局每項太空任務都需要在各成員國議會之間進行漫長的審批程序，在經費分擔、任務組織上進行磋商和協調。但從另一方面來說，正是歐空局成員的多樣性，歐空局與俄羅斯、美國、日本、中國都維持了良好的合作關係，是太空探索領域的國際合作典範。

自2003年起擔任歐空局局長的法國人讓雅·克·多爾丹，開創了歐空局歷史上最為成功的時期，開展了「羅塞塔」彗星探測器，「菲萊」實現了人類歷史上首次登陸慧核；成功實施了「赫歇爾」和「普朗克」太空望遠鏡任務；實施了火星和金星探測；此外，還發射了一系列對地觀測衛星，並為國際空間站運送補給物資。2015年7月1日，德國宇航中心（DLR）前主任約翰·迪特里希·沃納接替多爾丹成為歐空局局長，任期4 年。沃納明確表示歐空局將致力於建設月球基地，這個宏大設想同樣需要多國合作才能實施。

ExoMars任務最初是歐洲空間局和美國宇航局之間的一個合作項目。但由於美國宇航局預算受限，美國被迫於2012年退出了合作，並不再提供「宇宙神」火箭進行發射。此後，歐空局請求俄羅斯提供運載火箭，但俄羅斯卻提出望完全參與實施該項目。

2012年4月6日，俄羅斯航天局局長波波夫金和歐空局局長多丹在莫斯科舉行會晤，雙方就ExoMars合作計劃達成合作意向協議，並於2013年3月簽署最終協議，確定雙方資金分配和撥付、相關企業間責任分配，俄羅斯航天局代替美國宇航局成為該項目的合作夥伴。俄羅斯航天局的副局長謝爾蓋薩韋列夫表示，ExoMars火星探測器是俄羅斯和歐洲在深空探測領域開展合作的獨特案例。未來，俄羅斯航天局和歐空局還將推進多項合作。

根據歐空局和俄羅斯航天署關於ExoMars任務的合作協議，此次發射由俄羅斯的「質子」號火箭實施，發射場是位於哈薩克，但屬於俄羅斯航天局管理的拜科努爾發射場。

7. 火星期待中國人久矣

我國古代將火星稱為「熒惑」，對中國人而言，金木水火土這五顆肉眼可見的行星曾經深刻影響著古人的宇宙觀。火星是全人類的火星，火星探測既可以牽引航天技術的進步，有可能獲得新的科學發現，還可以極大地提升全民對太空和科學的熱情，並轉化為科技創新的熱情。但作為航天大國，中國的火星探測卻遲至今年才剛剛宣布啟動，看著歐洲、印度紛紛發射火星探測器，我們應該有所思考。

首先，根據國際深空探測的發展歷程，各國一般在開展首次月球探測後的2～3年內即開展首次火星探測。我國火星探測任務的研究和論證大致與探月工程同時開展，但目前距離我國首次探月任務嫦娥一號的發射已經過去9年，我國火星探測才剛剛宣布啟動實施。到2021年首次火星探測任務發射，距離我國首次探月已經過去14年，這說明我們深空探測的決策效率有待提高。

我國火星探測任務必須堅持在較高的起點開展，才能盡量縮小與國外先進水平的差距。早期的火星探測大多從環繞探測起步，逐漸發展到環繞和著陸探測相結合，近年來已經發展到以巡視探測為主的階段。隨著我國航天技術的進步和對火星表面了解程度的加深，直接跳過單純環繞探測階段，將環繞探測與巡視探測相結合，是我國高起點開展火星探測的理性選擇。可喜的是，根據目前公布的方案，我國首次火星任務將一次性實現「繞」、「落」、「巡」三步並作一步走，為我國火星探測後發追趕提供契機。

其次，在火星上尋找生命存在證據最直接、最好的探測方式就是對火星表面的探測。因此通過火星大氣進入、下降和著陸等一系列操作，進而接觸火星表面成為實施火星探測計劃最關鍵的挑戰之一。我國嫦娥三號雖然已經成功著陸在月球表面，並實現玉兔號月球車在月表巡視，但月球沒有大氣，火星有大氣，兩者的著陸方式存在非常大的區別，著陸難度也不同。

自19世紀60年代末期以來，人類已進行過40多次火星探測任務，雖然其中一些探測器獲得了成功，但也有很多任務卻沒有成功，問題大多出探測任務的著陸階段。著陸方式的選擇不僅與航天技術的能力有關，也與著陸器或巡視器的質量和工作方式有關。一般而言，質量較輕的巡視器大多採用氣囊緩衝方式著陸，有利於火星車順利駛出氣囊開展科學探測；質量較重的巡視器則不宜採用氣囊緩衝，避免減速不足導致巡視器及其載荷受損，對這類巡視器目前最先進的方式是空中吊車著陸方式，可以最大程度減少著陸衝擊，但該技術對測控、數據傳輸和自動控制等技術要求較高，技術難度較大。

再次，工作在火星表面的巡視器、科學觀測站都需要軌道器與地球通信，以在任何時候都與地球保持通信聯繫。因此，對火星表面著陸探測或巡視探測而言，利用軌道器進行通信中繼是必不可少的。

NASA和ESA一直致力於建設火星探測中繼通信網，用以對各項火星探測任務提供通信服務和支持。從2004年的勇氣號、機遇號開始，到2007年發射的鳳凰號，再到2012年發射的好奇號，都採用了中繼通信。十幾年來，美國和歐洲先後成功發射了一系列火星中繼軌道器，包括美國的火星全球勘探者號（Mars Global Surveyor，MGS）、火星奧德賽號（Mars Odyssey，ODY）、火星偵察軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）、以及歐空局的火星快車（Mars Express，MEX）。由於MGS在2006年報廢，因而現存在火星中繼通信網由ODY、MRO、MEX三個軌道器組成。2013年發射的馬文號在完成科學探測任務後，也將提供火星中繼通信服務。歐空局的ExoMars 2016任務中的TGO不僅能進行火星大氣監測、成分分析等科學目標，還能提供火星中繼中繼通信服務、計時服務。

火星探測已經成為我國深空探測的重點，可以預期我國未來的火星探測任務將逐步增多，探測方式將更加複雜，地面和探測器間的通信面臨著巨大的挑戰，需要功能強大的通信服務支持。美國和歐洲相繼發射的中繼通信軌道器已經組成了一個國際性的火星中繼通信網，用以解決火星探測器通信問題。由於每隔26個月有一個發射窗口，我國首次火星探測任務中的軌道器在完成科學目標的同時，特別應前瞻考慮未來火星探測的中繼通信功能。火星中繼通信最好能有長達10年左右的壽命周期，使之能提供5個發射窗口內的火星探測中繼通信服務。因此，我國未來的火星探測軌道器應追求儘可能長的設計壽命，以服務後續火星探測的中繼通信需求。

最後，應加強火星科學研究和著陸關鍵技術預研。火星探測毫無疑問是一項科學探測工程，科學目標是火星探測最重要的牽引力。我國在火星科學基礎研究方面的積累較少，火星科學的研究隊伍尚未形成規模，迫切需要重點加強人才隊伍建設特別是青年科學家的培養和支持。在科學上，早期火星探測大多以火星全球成像為主要目標，以雷達、高度計、相機為主要載荷，主要目的是積累基礎數據，開展火星地質研究，並為後續火星表面探測提供支持。21世紀以來的火星探測主要以火星表面著陸探測和巡視探測為主，火星上的水和生命信號的探測和搜尋成為重點。重點關注的科學主題包括：火星大氣中的微量氣體（甲烷等）、火星土壤中的有機物、火星次表層的水（霜、露）、火星岩石中的流水作用痕迹等。天體生物學是行星科學的重要組成部分。火星上的有機物和生命信號的搜尋日益成為科學界關注的熱點，需重點關注太空生物學探測的有效載荷預先研究和技術儲備，吸引生命科學界關注並參與到火星探測中來。

鑒於火星著陸的高難度，建議前瞻性開展關鍵技術的預先研究，包括：探測器在進入火星大氣過程的氣動熱和熱防護研究；火星大氣降落傘研製和超音速風洞試驗；火星表面精確著陸技術等。

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