1.發(fā)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(lián)合研制的“ExoMars 2016”火星探測器，搭乘俄羅斯研制的“質子”號火箭，從位于哈薩克斯坦的從拜科努爾航天發(fā)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(fā)射升空后，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(xù)工作至2022年：
　　2016年3月14日，任務發(fā)射（發(fā)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(huán)繞軌道；
　　2016年10月19日，著陸器被火星捕獲，隨后著陸在火星表面；
　　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?yōu)?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，轉而為后續(xù)火星表面探測任務提供中繼通信服務；
　　2022年12月，任務結束。


圖1發(fā)射升空后，整流罩拋離，“ExoMars”探測器開始脫離火箭獨立工作

圖2 地面控制中心正在緊張跟蹤“ExoMars”探測器

圖3 “ExoMars”在環(huán)繞地球進行多次加速后飛向火星

　　2.火星從來就不是一場說走就能走的旅行
　　由于地球和火星都是運動的天體，所以從地球出發(fā)的火星探測器并非任何時候都可以發(fā)射，而是每隔2年零2個月（780天）才有一次發(fā)射機會，這樣的發(fā)射機會稱為發(fā)射窗口。也就是說，火星探測器的發(fā)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(fā)射火星探測器的好機會。
　　2003年8月23日的火星沖，火星正好處于離太陽最近的位置（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(fā)射其歷史上第一個火星探測器“火星快車”號，同樣由羅斯“聯(lián)盟-FG”號運載火箭在哈薩克斯坦拜克努爾衛(wèi)星發(fā)射場發(fā)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號著陸后就不知所終，再也聯(lián)系不上。
　　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(xiàn)大規(guī)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(xiàn)，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(xiàn)，目的是對火星表面重點地區(qū)開展定點精細探測，并尋找火星曾經(jīng)或現(xiàn)在存在生命的證據(jù)。
　　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(jīng)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(xiàn)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(xiàn)，分別是：氣囊緩沖、著陸支架緩沖、空中吊車著陸。20世紀90年代以來，“火星探路者”號通過氣囊緩沖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(xiàn)大范圍表面巡視，并使氣囊緩沖著陸技術逐漸成熟；此后，“鳳凰號”著陸器使用著陸支架緩沖方式，實現(xiàn)了火星北極地區(qū)的安全著陸；2012年，“好奇號”火星車實現(xiàn)了質量更重的探測器登陸火星表面，采用了創(chuàng)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(xiàn)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(lián)曾經(jīng)對火星探測抱有很大熱情，上世紀六七十年代發(fā)射了世界上第一個火星探測器，并在每個發(fā)射窗口幾乎都會發(fā)射3～4顆火星探測器，雄心勃勃地希望在火星探測上占據(jù)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(lián)（含俄羅斯）已經(jīng)發(fā)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(xiàn)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(lián)合實施火星-火衛(wèi)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，也是俄羅斯愿意與歐洲聯(lián)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(fā)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(lián)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，其中印度于2013年11月5日發(fā)射亞洲首顆火星探測器。中國的自主火星探測已經(jīng)論證了十年有余，最近剛剛批準將于2021年實施我國首次火星任務。面對世界航天發(fā)展的新形勢，我國相關主管部門和科技界必須有戰(zhàn)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(fā)射：今年發(fā)“星”、后年發(fā)“車”
　　ExoMars計劃最早始于歐空局1999年紅皮書中提出的火星生物學設想。經(jīng)過十幾年的演化，ExoMars計劃的主要目的是尋找火星上現(xiàn)在和過去曾經(jīng)存在生命的痕跡，分為ExoMars 2016和ExoMars 2018兩次任務，分別于2016年和2018年發(fā)射，整個ExoMars任務的預算為約16億美元。
　　這次發(fā)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(xiàn)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(xiàn)在存有生命的痕跡；
　　（2）分析火星次表層土壤中的水和化學環(huán)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(xiàn)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(xiàn)火星車對火星表面的巡視探測；
　　（3）實現(xiàn)火星次表層樣品采集；
　　（4）實現(xiàn)火星樣品采集、封裝、轉移和分析。
　　在ExoMars 2016任務之后，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，歐空局將于當年7月發(fā)射，釋放一輛火星車在火星表面著陸，火星車將攜帶一套鉆探工具和多套科學儀器，鉆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。由于該深度能屏蔽火星上的嚴寒、干燥環(huán)境和很強的太空輻射，有利于火星生命的保存。因此，2016年發(fā)射的軌道器將與2018年的火星車協(xié)同探測，開創(chuàng)搜尋火星生命的新篇章。


圖4 ExoMars任務2016發(fā)射的軌道器和2018年發(fā)射的火星車協(xié)同工作，搜尋火星生命

　　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，軌道器主要用于探測火星大氣中的微量氣體；著陸器用于火星表面著陸試驗，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(jīng)驗。


圖5 “ExoMars 2016”火星任務中的軌道器（圖片來源：歐空局, D. Ducros）

　　2015年9月，由于ExoMars任務采購的壓力表存在缺陷，導致火星探測器的研制計劃被延遲。壓力表缺陷直接導致發(fā)射時間從2016年1月7日推遲至3月14日。目的是修復現(xiàn)有傳感器或新購一批新的傳感器，預防火星探測器升空后在軌出現(xiàn)問題。


圖6 裝配中的“ExoMars 2016”探測器

　　軌道器由歐空局負責研發(fā)，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

俄歐聯(lián)合發(fā)射火星探測器

圖文簡介

2016年3月14日下午17:31，歐空局和俄羅斯航天局聯(lián)合研制的“ExoMars 2016”……