
欧俄合作火星生物学计划成功迈出第一步.docx
10页欧俄合作“火星生物学”计划成功迈出第一步 导读:2016年3月15日,欧空局与俄罗斯航天局利用“质子号”火箭,成功发射了联合研制的“火星生物学2016”探测器探测器将于10月中旬到达火星这是欧俄按“两步走”策略实施“火星生物学”计划的第一步,有望解答国际上当前最突出的“火星生命”科学问题欧洲希望借此掌握火星探测核心技术,取得多项创新成果;俄罗斯则将在“火星生物学2018”任务时首次实现火星着陆和原位探测,取得火星探测技术的重要突破本文介绍了“火星生物学”计划的基本情况,简要介绍了两次任务的探测器平台、有效载荷等内容中国航天系统科学与工程研究院 李金钊 李虹琳2016年3月15日,欧空局与俄罗斯航天局联合研制的“火星生物学2016”探测器搭乘俄罗斯“质子号”运载火箭成功升空,探测器预计10月中旬到达火星通过该计划的实施,欧俄有望解答国际上当前最突出的“火星生命”科学问题,掌握火星探测核心技术,实现从火星环绕遥感探测到巡视探测的跨越,开创搜寻地外生命的新篇章一、先期火星探测成果揭示火星仍持续释放甲烷欧空局十分注重通过科学合作和有效载荷联合研制等方式参与国际深空探测任务,尤其是自1992年起通过研制搭载在美国国家航空航天局火星轨道器、着陆器和巡视器上的有效载荷来开展火星探测活动。
2003年,欧洲首次牵头火星探测任务,发射“火星快车”轨道器和“猎兔犬”2号着陆器,尽管着陆器着陆失败,轨道器已持续运行13年,对火星及其环境进行了详细探测,观测到“火星大气中存在甲烷且其总量会随位置和时间变化”的现象由于甲烷易受紫外辐射影响,只能存在约400年,科学界推断火星目前仍在不断地产生甲烷在地球上,绝大多数甲烷都源于生物过程,但也有少量是由火山活动或特殊无机过程产生的,因此科学界希望实施专门的火星探测任务,重点探测火星大气中的甲烷、水蒸气、二氧化氮和乙炔等痕量气体及其产生机制,判断火星甲烷是否源于生物过程,从而寻找火星生命存在的证据二、欧洲围绕行星科学顶层设计牵头“火星生物学”计划欧空局2004年正式宣布雄心勃勃的“曙光” (Aurora)计划,提出欧洲未来30年深空探测发展战略;2005年又公布了“宇宙愿景2015~2025”,从空间科学层面提出欧洲行星科学领域的科学主题及其实施途径与相关任务两份顶层设计文件中都提出了“火星生物学” (ExoMars)计划,其名称反映了主要科学目标是寻找火星上外空生物(可能存在于地球之外的生命)相关的证据,标志着欧洲围绕“行星形成与生命出现”主题,决心加快推进火星机器人探测,重点解答“火星生命是否存在”这一由来已久的科学问题。
火星生物学”计划最初为欧美合作项目,但美国因预算削减被迫于2012年宣布退出,仅提供超高频无线电通信等设备此后,欧洲邀请俄罗斯航天局参与计划,并于2013年签署合作协议整个计划中欧洲承担12亿欧元经费,负责研制轨道器、验证舱和巡视器,并分别提供2个、4个和7个科学载荷,以及为俄罗斯研制的着陆器提供2个科学载荷;俄罗斯负责研制着陆器及其11个科学载荷,并为欧洲研制的轨道器和巡视器分别提供2个科学载荷、验证舱等有关设备,以及提供两次发射服务;美国、加拿大,英国、法国等20余国航天局或企业参与探测器及其有效载荷的部分研制工作整个计划的科学目标先进,一是寻找火星曾经/现在存有生命的痕迹;二是分析火星表面下方水和化学环境;三是研究火星大气中痕量气体成分及其来源有望取得一批有关火星生命的原创性科学成果,推动人类对地外生命的认知工程目标兼顾技术验证和创新性,一是验证火星进入、下降与着陆技术;二是实现火星表面巡视探测;三是实现火星表面下方钻探取样;四是实现火星样品采集、封装、整理和分析欧空局希望借此掌握气动捕获,进入、下降与着陆,火星表面钻探,取样和原位分析等一系列技术,在着陆缓冲、痕量气体分析等方面取得多项创新成果;俄罗斯则将首次实现火星着陆和原位探测,取得火星探测技术的重要突破。
三、欧俄采取“先绕验、后落巡”两步走策略确保任务成功火星探测任务实施难度较高,欧洲仅成功实施“火星快车”环绕任务,而俄罗斯两次独立的火星探测任务全部失败为降低任务风险和经费需求,欧俄采取“先绕验、后落巡”两步走策略,逐步实施“火星生物学2016”和“火星生物学2018”两次任务:2016年发射“痕量气体轨道器” (TGO)分析火星大气中痕量气体及其来源,并为后续巡视任务提供中继服务;“‘斯基亚帕雷利号’进入、下降与着陆验证舱” (EDM)分析周围环境,研究火星尘暴形成机制,重点验证进入、下降与着陆等核心技术,为后续任务奠定基础预计201 8年发射“表面科学平台”着陆器来开展气候监测、大气分析等工作;巡视器实现国际首次火星表面下方2m钻研、采样和分析,可确保采集到的样品不受辐射和氧化的影响,有利于寻找隐藏在火星表面下方的生命存在迹象一)“火星生物学2016”任务“火星生物学2016”任务的主要目的是确定火星大气中甲烷等痕量气体来源与产生机制,测绘火星表面氢元素分布,并验证火星着陆核心技术该任务包括研究火星痕量气体的“痕量气体轨道器”和验证进入、下降与着陆技术的“斯基亚帕雷利号”验证舱,已于2016年3月15日在拜科努尔航天发射场利用“质子号”火箭升空,“质子号”第三级多次点火进入高度4900km的地球轨道,随后“和风”M上面级将探测器加速至33000km/h并进入行星际转移轨道,轨道器预计10月16日到达火星并在释放验证舱后进入火星椭圆轨道,利用火星大气进行气动捕获减速,最终进入高度为400km的圆形轨道,预计2017年末开始执行科学探测任务。
主要任务安排见表11.痕量气体轨道器“痕量气体轨道器”主要任务是携带“斯基亚帕雷利号”验证舱飞往火星,在到达火星时释放验证舱并随后开展科学探测,以优于先前探测任务三个数量级的探测精度,测绘火星大气中的甲烷等痕量气体的时间和空间分布,辨别其来源与产生机制当完成科学探测任务后,轨道器还将为“火星生物学2018”巡视器和美国在役巡视器提供通信中继服务轨道器平台:轨道器发射质量4332kg,尺寸为3.5m×2m×2rn,配有翼展为17.5m的太阳帆、424N双组元主推力发动机、1个2. 2m直径X波段高增益天线、3个低增益天线和美国提供的“厄勒克特拉”超高频无线电通信设备轨道器技术参数见表2有效载荷: “痕量气体轨道器”携带4台高性能有效载荷,主要用于探测甲烷、水蒸气、二氧化氮和乙炔等痕量气体并确定其来源与产生机制,建立详细的大气模型,还将以前所未有的高空间分辨率测绘火星表面及下方1m的氢元素分布;获得的地下水冰存量可结合痕量气体源位置,支撑未来火星任务着陆点选址决策各有效载荷名称及功能如图1和表3所示2.“斯基亚帕雷利号”验证舱“斯基亚帕雷利号”将在火星赤道附近的子午线高原着陆,主要目标是对气动外形设计、烧蚀材料、 “盘缝带”降落伞、工程相机、多普勒雷达等核心技术进行验证,证明欧空局及欧洲工业界具备实施火星着陆任务的能力。
验证舱还将利用内置电池开展短期且重要的科学探测任务验证舱平台: “斯基亚帕雷利号”直径2.4m,质量约600kg,气动外形前体锥角70°、后体锥角47°,配有直径12m的“盘缝带”降落伞和9台阿斯特里姆CHT-400液氢发动机(3台为1组),推进剂约39kg内部的表面平台呈直径1.65m圆柱体结构,质量约300kg,如图2所示 “斯基亚帕雷利号”与轨道器分离后通过2. 75r/m的自旋进行姿态控制,运行过程中利用美国和欧洲在轨火星轨道器进行数据中继有效载荷:尽管“斯基亚帕雷利号”的主要目标是技术验证,只能依靠内置电池余量在着陆后开展2~8天的短期科学探测任务,但可在下降与着陆后对周围环境进行科学探测,特别是有望首次通过测量火星表面电场深入了解火星尘暴的产生机制验证舱携带的5台有效载荷如表4所示着陆过程: “斯基亚帕雷利号”将在10月19日着陆火星,整个过程无制导控制,时间约6min,如表5所示在进入火星大气前6h,验证舱将退出休眠模式并唤醒携带的重要系统;进入火星大气时,验证舱利用防热大底进行3~4min的气动阻力减速,随后释放“盘缝带”超声速降落伞并抛掉防热大底,在距离火星表面1.2km时抛掉气动外形后体和降落伞,随后启动推力器减速,直至距离火星表面2m位置时关机并自由下落,利用底部的可压缩吸能结构吸收落地动能,可在岩石高度40cm、坡度12.5°的地形安全着陆。
着陆地点:欧洲选择子午线高原为验证舱的着陆地点(西经6°、南纬2°),主要是考虑到该区域地形平坦且地势相对较低,可为验证舱提供充足的时间,完成降落伞开启和反推火箭减速等关键过程,降低关键技术难度美国2003年发射的“机遇号”巡视器就曾成功着陆在该区域附近二)“火星生物学2018”任务“火星生物学2018”任务的主要目的是实现火星表面巡视探测,以及火星表面钻探取样、封装与原位分析该任务包括俄罗斯研制的“表面科学平台”着陆器和欧洲研制的巡视器着陆器着陆火星后,巡视器利用舷梯驶出并进行巡视探测,首次实现火星表面下方不同深度钻探的采样与分析该任务预计2018年5月发射,但因经费和研制进度紧张等因素,欧俄准备延至2020年实施1.“表面科学平台”着陆器“表面科学平台”由俄罗斯航天局和俄罗斯科学院空间研究所研制,将对着陆地点进行成像,监测周边的气候变化,研究大气并分析辐射环境以及附近的地下水分布,对火星内部结构进行研究,预计在火星表面运行1年以上着陆器外形如图3所示有效载荷: “表面科学平台”质量为827.9kg,其中13个有效载荷共约45kg大部分载荷由俄罗斯提供,欧洲提供2个载荷及4个用于俄罗斯研制有效载荷上的传感器,如表6所示。
2.“火星生物学2018”巡视器36亿年前,火星表面环境较湿润,科学界认为当时可能存在原始生物生存繁衍,考虑到目前火星表面环境恶劣,易受严重的太阳和宇宙辐射,因而期望通过分析火星表面下方的分层沉积物了解火星历史上这一重要时期英国空客防务与航天公司负责研制的“火星生物学2018”巡视器质量约310kg,能在每个火星日行驶约100m,其核心目标是在火星上曾经出现过丰富液态水的古老岩石区域,搜寻过去或现在存在生物的证据,最多可以提取火星地表下方2m深的样本,有望首次获得火星生命存在的决定性证据巡视器外形如图4所示有效载荷:巡视器除携带9个有效载荷(表7)外,还装有一个钻探装置,可实现火星不同区域的钻探、样品采集与分析,最多可采集17份样品着陆地点:欧俄从2013年12月便开展巡视器着陆地点的选址工作,先从科学界提供的8个候选着陆点中初步筛选出4个,遵循的筛选原则一是在巡视器着陆位置1km的行驶范围内,存在1个具有科学研究价值的区域;二是在巡视器预定的218个火星日任务里,可在2km距离的行进过程中探测多个具有科学研究价值的区域4个候选地点(位置如图5所示)均存在曾受水体影响的迹象,可能代表着火星早期发生的全球性过程,但各具特色:阿拉姆山脊(经水渠冲刷过的含沉积物区域);海帕尼斯山谷(远古三角洲遗迹);马沃斯山谷(存在富含黏土岩石的最古老水渠);奥克西亚高原(存在分层富含黏土岩石的最大区域之一)。
欧俄又从工程限制和任务科学回报角度,花费一整年的时间对4个地点逐一评估,暂将奥克西亚高原定为首选着陆地点,但计划在发射前6个月做出最终选址决定四、结语欧俄采取两步走策略实施“火星生物学”计划,一是可通过第一步开展的技术试验,为第二步更昂贵的着陆和巡视任务提供保障;二是可通过两次任务分担风险,最大限度地保证科学目标的实现;三是减缓长周期、大规模任务经费的集中投入欧俄合作的“火星生物学”计划成功迈出第一步。












