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歐空局ExoMars宣布退出2020火星賽季



大約每26個月,會有那麼一段很短的時期(十幾天)適合從地球發射探測器去火星,我們地球人稱這樣的時期為“火星發射窗口”。最近的這次發射窗口,就是2020年夏季。每錯過一次,都要再等2年多。

每當火星相對於太陽的位置領先於地球44度角左右的時候,從地球發射的探測器經過一個橢圓軌道(也就是“地火轉移軌道”)後剛好會在幾個月後與火星自然相遇,這樣的時機每26個月出現一次。注意,這樣的發射時機並不對應於火星距離地球最近的時刻。

每當火星相對於太陽的位置領先於地球44度角左右的時候,從地球發射的探測器經過一個橢圓軌道(也就是“地火轉移軌道”)後剛好會在幾個月後與火星自然相遇,這樣的時機每26個月出現一次。注意,這樣的發射時機並不對應於火星距離地球最近的時刻。

在今年夏天這個發射窗口裡,原計劃有四位選手要相繼前往火星,開展一系列科學探測黑科技。這四位選手分別是:中國的火星探測任務、NASA的Mars2020火星車(剛被命名為“毅力號”)、歐空局和俄羅斯宇航局的ExoMars 2020任務和阿聯酋的希望號火星軌道器。 (至於印度的曼加里安2號?截至目前已經延期到了2024年窗口)

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  2020火星賽季的原定四位選手。  圖源:CNSA、ESA、RoscosmosNASA、UAE   這是人類火星探測史上前所未有的盛況。

Part.1

2020年,是地球人的火星探測之年

隨著發射窗口的臨近,各家選手也已經進入了最後的準備階段。

然而就在前幾天(2020年3月12日),歐空局和俄羅斯宇航局突然宣布[1],這屆我們來不及了,先不發了…

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圖源:ESA

由於ExoMars任務是用發射年份作為代號的,所以ExoMars 2020已經直接在歐空局官網上被改成ExoMars 2022了。

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歐空局任務介紹頁,已將ExoMars 2020任務改名為ExoMars 2022任務。  來源:ESA

媽耶,ExoMars任務真的是太慘了。要知道,這已經不是ExoMars任務第一二三四次延期了…

這是ExoMars任務…第六次延期…

ExoMars 2009 → ExoMars 2011

ExoMars 2011 → ExoMars 2013

ExoMars 2013 → ExoMars 2016

ExoMars 2016 → ExoMars 2018

ExoMars 2018 → ExoMars 2020

ExoMars 2020 → ExoMars 2022

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這是誓與韋伯爭高下啊…

Part.2

一改再改:兩年之後又兩年?

不同於NASA的毅力號這種只丟一個火星車的模式,歐空局和俄宇航的ExoMars任務和我國的火星任務相似,都包含了軌道器、著陸器和火星車三個組分。

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  ExoMars系列(曾經)的組分:痕量氣體軌道器TGO(左)、斯基亞帕雷利EDM著陸器(中)和Mars2020火星車(右)   來源:ESA [2]

ExoMars最開始的任務設計並不是這樣的,然而因為經費、運力、協作、國際局勢等種種原因,ExoMars不得不一改再改。

ExoMars任務起初獲批於2005年,是歐空局“曙光女神計劃”(Aurora programme)(相當於是歐空局的“旗艦級”任務)的一部分,只有簡單的火星車+著陸器(固定站) ,計劃使用俄羅斯的聯盟號火箭,於2009年發射。對,那時候叫ExoMars 2009,火星車只有120公斤,科學儀器只有10公斤。為了和當時已經在火星上的NASA勇氣號和機遇號火星車有所區分,歐空局早早就已經決定把ExoMars的探測重點定為NASA沒有涉及到的地外生物方向。

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2004年3月歐洲地外生命研討會中關於ExoMars 2009的火星車在澳大利亞測試的建議。  來源:[3]

不過很快任務就延期到了2011年發射,成為ExoMars 2011,還規劃上了後續的火星採樣返回任務 [4, 5]。

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2006年5月,歐空局文檔中對ExoMars的介紹,表示2011年要發。  來源:ESA Bulletin 126 [5]

到了2006年,因為考慮到既可以做火星車的通訊中繼,又可以花很少的錢提高任務成功率和科學產出,總之歐空局想加一個軌道器了,這就是後來的痕量氣體軌道器(TGO)。那麼問題來了,加完之後的發射重量就超出聯盟號火箭的運力(地火轉移軌道約1.5噸)範圍了,需要換成歐洲的阿麗亞娜5號(地火轉移軌道約3.5噸)或者俄國的質子號(地火轉移軌道約3.5噸)火箭才行,但如果換成阿麗亞娜5號的話不僅意味著發射要加錢,而且這款火箭也不能完全滿足直接把ExoMars送入火星轉移軌道的需要。

那質子號呢,沒那麼多錢,技術換發射行不行? 2007年,歐空局去找俄宇航員商量:我們給你們接下來要發的福布斯-土壤號火星任務提供幫助,你們把質子號給我們發ExoMars怎麼樣?沒談妥

那就先延期吧,從ExoMars 2011先延期到ExoMars 2013

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對對對,2013年要發。  來源:IPPWCP 2008 [6]

到了2008年10月,問題還沒解決,經費也有困難,啥也不說了,先延到ExoMars 2016吧

再到了2009年7月,本來都眼看要延期成ExoMars 2018了的時候,火箭問題總算得到了解決。歐空局和NASA簽署了火星探測聯合倡議(MEJI),NASA同意用自己的宇宙神5號火箭(地火轉移軌道約5噸)來發射ExoMars,但歐空局必須配合火箭的運力對原本的ExoMars各個組分的重量作出調整。

一番協調之後,ExoMars任務被散裝塞入了兩發大力神5號火箭:軌道器TGO帶一個著陸器在2016年發射,也就是ExoMars 2016;火星車在2018年發射,也就是ExoMars 2018,著陸方式用好奇號使用過的空中吊車。其他的運力塞NASA自己的火星探測器。

2009年8月,俄宇航那邊也談妥了:俄宇航提供質子號作為ExoMars的備用發射火箭,ExoMars裡搭載俄宇航的儀器。

然而到了2012年,又出問題了。由於經費的原因,美國退出了ExoMars的合作,要把錢省下來給詹姆斯韋伯這個黑洞。得,宇宙神火箭沒有了,這下ExoMars又發不了了…

但是呢,今時不同往日了,俄羅斯的福布斯-土壤號發生了什麼大家也都知道了:2011年底,這顆還順帶搭載著我國的螢火一號一起的火星探測器發射失敗,葬身太平洋,成為21世紀以來第一個在發射過程中失敗的火星探測任務。

在這樣的情況下,歐空局和俄宇航於2013年再次達成合作:1)俄宇航提供兩發質子-M火箭和所有發射服務;2)痕量氣體軌道器TGO上攜帶2件俄羅斯本來搭載在福布斯-土壤號的儀器,3)所有科學數據共享。

終於成交!熱淚盈眶啊有木有!

於是最終兩髮質子-M火箭的發射內容改成了這樣:

ExoMars 2016:歐空局的痕量氣體軌道器(TGO)+歐空局試驗性的斯基亞帕雷利EDM著陸器

ExoMars 2018: 歐空局的羅莎琳德·富蘭克林火星車+俄宇航的小哥薩克號著陸器(空中吊車換成了反沖發動機著陸)

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ExoMars 2016和ExoMars 2018任務安排。  來源:ESA、Roscosmos

ExoMars的苦命結束了麼?才沒有咧。

Part.3

斯基亞帕雷利著陸器:過不去的恐怖7分鐘

好不容易,ExoMars 2016總算於2016年3月14日在拜科努爾航天發射場發射升空,目標是探測火星的大氣

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ExoMars 2016發射。  來源:ESA、Roscosmos

雖然發射後不久就發現微風-M上面級似乎出了點問題,但好在有驚無險,軌道器和著陸器都沒受影響,繼續飛向火星。 2016年10月,痕量氣體軌道器TGO進入環火星軌道。

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TGO的火星交會軌道(白色),藍點是地球,紅點是火星。  來源:ESA/ATG medialab [7]

然而,原計劃於2016年10月19日軟著陸於火星表面的斯基亞帕雷利EDM著陸器就沒那麼幸運了。

所有想要踏上火星表面的探測器,都必須經過嚴酷的“恐怖七分鐘”考驗,它們必須穿過灼熱的火星大氣層、順利打開降落傘、通過預定手段把速度從約6公里/秒逐步降到落地前的近乎0速度,然後才能穩穩地,既不被燒死也不被摔死地抵達目標。在這段短短的幾分鐘裡,著陸器需要自主完成上千道步驟,一步都不能出錯

但斯基亞帕雷利EDM著陸器沒能順利闖過這最最艱險的“恐怖七分鐘”,而是在快要進入最後階段的時候失聯了。

斯基亞帕雷利EDM著陸器的預定著陸流程:進入大氣層、空氣減速、打開降落傘、拋掉隔熱盾、反沖減速、自由落體著陸。  來源:ESA/ATG medialab [8]

  斯基亞帕雷利EDM著陸器的預定著陸流程:進入大氣層、空氣減速、打開降落傘、拋掉隔熱盾、反沖減速、自由落體著陸。  來源:ESA/ATG medialab [8]

幾天后,NASA的火星勘測軌道飛行器(MRO)找到了斯基亞帕雷利EDM著陸器的墜落點和隔熱盾、降落傘等殘骸,確認著陸失敗。

斯基亞帕雷利EDM著陸器的殘骸。  來源:NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

斯基亞帕雷利EDM著陸器的殘骸。  來源:NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

事故調查顯示[9],斯基亞帕雷利號著陸器主要是死在了打開降落傘之後的軟件故障上。由於對降落傘展開時的姿態變化估計不足,著陸器發生了超出預期震盪和旋轉,進而引發了一系列測量錯誤和進度誤判,最終著陸器過早地拋掉降落傘並錯誤關閉反沖發動機開始自由落體,最終不幸摔死。

誠然,對於在此之前還沒有成功著陸過火星的歐空局(和火星運太背的蘇聯)來說,頭幾次嘗試著陸的失敗是完全可以理解的(小獵犬2號也失敗了),這也正是歐空局首批先帶一個小著陸器試水的原因。但這次失敗也同樣意味著歐空局和俄宇航還需要繼續完善火星著陸技術,避免重蹈覆轍。

而另一邊,2016年5月,歐空局又雙叒叕宣布ExoMars 2018因為科學儀器的製造和交付問題,總之趕不上發射進度了,延期為ExoMars 2020 [10],正式宣告這個原本打算在2009年和好奇號同期發射的苦命火星車,現在要和好奇號的繼任者Mars2020(也就是“毅力號”)一起發射了。而雖然好奇號也延期了一屆,但在2011年發射的好奇號都已經在火星上工作了7年半了好麼。

Part.4

再次延期:降落傘 or 新冠?

光陰彈指,當年沒趕上發射進度成為ExoMars 2020的可憐火星車,這次又沒能趕上2020發射窗口[1],成為ExoMars 2022

至於這次又雙叒叕為啥延期了?歐空局給出的理由是:1)還需要更多時間來測試,2)新冠在歐洲的大爆發影響了工作進度。

翻譯一下就是:1)還沒準備好;2)不可抗力我們也沒辦法…

不可抗力這個我們就不說了,但沒準備好的問題倒真不是謙虛。

最頭疼的是降落傘問題。由於著陸器和火星車不斷加重,歐空局最終採取了一種非常複雜的傘降設計:2套共4個降落傘

進入大氣層之後先打開第一套的副傘,降一段扔掉,再開第一套的主傘,降一段扔掉,再開第二套的副傘,不扔,再開第二套的主傘…搞這麼複雜真的是挺…有想法的…哦對了,最大的那個主傘直徑35米,是目前為止最大的火星降落傘…

兩套降落傘展開過程,沒有按照比例,不同的顏色只是表示區分不同的傘,不代表實際顏色。  來源:ESA [11]

  兩套降落傘展開過程,沒有按照比例,不同的顏色只是表示區分不同的傘,不代表實際顏色。  來源:ESA [11]

不管是降落傘的複雜度還是巨大程度,都為任務的推進帶來了很多困難和不確定性。對此,ExoMars任務的項目經理Francois Spoto無奈表示:如果著陸器的反沖發動機足夠給力的話,其實我們只需要一個主降落傘就夠了[12]。

2018年3月,降落傘的低空測試(1.2公里)還是挺成功的。

但2019年5月的高空測試(29公里)完全失敗了:兩個副傘都順利打開和充氣,但兩個主傘都在還沒達到最大負載的時候就已經發生撕裂[11]。

同年8月,第二次高空測試依然失敗。這直指降落傘的設計有問題。沒辦法,歐空局只好去找成功完成8次火星著陸任務的NASA噴氣動力實驗室(JPL)取經。

通過分析測試中記錄的數據,項目組發現問題應該出在降落傘袋上,降落傘本身似乎是沒問題的。也就是說讓降落傘能順利從傘袋中釋放出來而不因摩擦而撕裂,就可以解決目前的問題。於是在NASA JPL提供的場地裡,歐空局總算順利完成了改進後的兩個主傘的低速(120 km/h)釋放試驗和第一個主傘的第一次高速(200 km/h)釋放試驗[13]。

但除了第二個主傘的地面高速釋放試驗之外,接下來還要完成兩次高空測試,這兩次測試原本被安排在了2020年2月和3月,但到目前都還沒有進行,已經被延期到了3月。

然而還不止降落傘,推遲前的ExoMars 2020還暴露出了許多硬件和軟件上的問題,連太陽能板的膠合都出過bug(儘管歐空局表示你們一定要相信我這真的是小問題)[14],也是讓人挺迷惑的,而軟件問題甚至還是曾經的斯基亞帕雷利EDM著陸失敗的重要原因啊。心這麼大,感覺是真不著急…

總之,更多測試確實是必須的,ExoMars 2020也確實還沒有準備好。考慮到ExoMars已經有過一次著陸失敗的經歷,這次拿出百分之兩百的謹慎態度當然是有必要的,反正也不是延期一次兩次了。

因此吃瓜群眾也表達了對ExoMars任務的充分理解:

    很傷心,但遲發總比炸了強。

很傷心,但遲發總比炸了強。

ExoMars 2022: 並沒有覺得被安慰到…

總之,目前的ExoMars計劃帶著火星車在2022年8-10月的火星窗口發射,2023年4-7月間抵達火星

ExoMars任務的最新時間線:軌道器TGO 2016年發射併入軌,火星車和著陸器2022年發射,2023年抵達火星。  來源:ESA [15]

  ExoMars任務的最新時間線:軌道器TGO 2016年發射併入軌,火星車和著陸器2022年發射,2023年抵達火星。  來源:ESA [15]

另一邊,2016年就已經就位的痕量氣體軌道器TGO已經在軌三年半了。不要忘了,這枚軌道器除了科學探測之外還有著用來給火星車做通訊中繼的使命呢。儘管有火星奧德賽、火星快車這樣超額完成任務的珠玉在前,但保守看來TGO的設計壽命畢竟只有7年啊。

這意味著,這顆兼作通訊中繼的軌道器很可能只能指望2022年這最後一次發射機會,而沒命等到下一次延期了。

痕量氣體軌道器TGO:要報廢了老闆!

痕量氣體軌道器TGO:要報廢了老闆!

所以無論從哪個角度來說,都真的希望這艘坎坷的探測器能夠成功開始火星之旅,也希望這麼多年的艱辛能夠最終換來ExoM​​ars的順利著陸,不要再延了。

也希望本賽季另外三位選手:中國的火星探測任務、NASA的毅力號火星車和阿聯酋的希望號火星軌道器穩紮穩打,順利起航。