欧空局ExoMars宣布退出2020火星赛季

欧空局ExoMars宣布退出2020火星赛季
2020年03月18日 09:18 新浪科技综合

  来源:中国科普博览

  大约每26个月,会有那么一段很短的时期(十几天)适合从地球发射探测器去火星,我们地球人称这样的时期为“火星发射窗口”。最近的这次发射窗口,就是2020年夏季。每错过一次,都要再等2年多。

每当火星相对于太阳的位置领先于地球44度角左右的时候,从地球发射的探测器经过一个椭圆轨道(也就是“地火转移轨道”)后刚好会在几个月后与火星自然相遇,这样的时机每26个月出现一次。注意,这样的发射时机并不对应于火星距离地球最近的时刻。  每当火星相对于太阳的位置领先于地球44度角左右的时候,从地球发射的探测器经过一个椭圆轨道(也就是“地火转移轨道”)后刚好会在几个月后与火星自然相遇,这样的时机每26个月出现一次。注意,这样的发射时机并不对应于火星距离地球最近的时刻。

  在今年夏天这个发射窗口里,原计划有四位选手要相继前往火星,开展一系列科学探测黑科技。这四位选手分别是:中国的火星探测任务、NASA的Mars2020火星车(刚被命名为“毅力号”)、欧空局和俄罗斯宇航局的ExoMars 2020任务和阿联酋的希望号火星轨道器。(至于印度的曼加里安2号?截至目前已经延期到了2024年窗口)

2020火星赛季的原定四位选手。   图源:CNSA、ESA、RoscosmosNASA、UAE   这是人类火星探测史上前所未有的盛况。  2020火星赛季的原定四位选手。   图源:CNSA、ESA、RoscosmosNASA、UAE   这是人类火星探测史上前所未有的盛况。

  Part.1

  2020年,是地球人的火星探测之年

  随着发射窗口的临近,各家选手也已经进入了最后的准备阶段。

  然而就在前几天(2020年3月12日),欧空局和俄罗斯宇航局突然宣布[1],这届我们来不及了,先不发了…

图源:ESA图源:ESA

  由于ExoMars任务是用发射年份作为代号的,所以ExoMars 2020已经直接在欧空局官网上被改成ExoMars 2022了。

欧空局任务介绍页,已将ExoMars 2020任务改名为ExoMars 2022任务。   来源:ESA欧空局任务介绍页,已将ExoMars 2020任务改名为ExoMars 2022任务。   来源:ESA

  妈耶,ExoMars任务真的是太惨了。要知道,这已经不是ExoMars任务第一二三四次延期了…

  这是ExoMars任务…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

 这是誓与韦伯争高下啊… 这是誓与韦伯争高下啊…

  Part.2

  一改再改:两年之后又两年?

  不同于NASA的毅力号这种只丢一个火星车的模式,欧空局和俄宇航的ExoMars任务和我国的火星任务相似,都包含了轨道器、着陆器和火星车三个组分。

ExoMars系列(曾经)的组分:痕量气体轨道器TGO(左)、斯基亚帕雷利EDM着陆器(中)和Mars2020火星车(右)   来源:ESA [2]
  ExoMars系列(曾经)的组分:痕量气体轨道器TGO(左)、斯基亚帕雷利EDM着陆器(中)和Mars2020火星车(右)   来源:ESA [2]

  ExoMars最开始的任务设计并不是这样的,然而因为经费、运力、协作、国际局势等种种原因,ExoMars不得不一改再改。

  ExoMars任务起初获批于2005年,是欧空局“曙光女神计划”(Aurora programme)(相当于是欧空局的“旗舰级”任务)的一部分,只有简单的火星车+着陆器(固定站),计划使用俄罗斯的联盟号火箭,于2009年发射。对,那时候叫ExoMars 2009,火星车只有120公斤,科学仪器只有10公斤。为了和当时已经在火星上的NASA勇气号和机遇号火星车有所区分,欧空局早早就已经决定把ExoMars的探测重点定为NASA没有涉及到的地外生物方向。

2004年3月欧洲地外生命研讨会中关于ExoMars 2009的火星车在澳大利亚测试的建议。   来源:[3]
2004年3月欧洲地外生命研讨会中关于ExoMars 2009的火星车在澳大利亚测试的建议。   来源:[3]

  不过很快任务就延期到了2011年发射,成为ExoMars 2011,还规划上了后续的火星采样返回任务 [4, 5]。

2006年5月,欧空局文档中对ExoMars的介绍,表示2011年要发。   来源:ESA Bulletin 126 [5]
2006年5月,欧空局文档中对ExoMars的介绍,表示2011年要发。   来源:ESA Bulletin 126 [5]

  到了2006年,因为考虑到既可以做火星车的通讯中继,又可以花很少的钱提高任务成功率和科学产出,总之欧空局想加一个轨道器了,这就是后来的痕量气体轨道器(TGO)。那么问题来了,加完之后的发射重量就超出联盟号火箭的运力(地火转移轨道约1.5吨)范围了,需要换成欧洲的阿丽亚娜5号(地火转移轨道约3.5吨)或者俄国的质子号(地火转移轨道约3.5吨)火箭才行,但如果换成阿丽亚娜5号的话不仅意味着发射要加钱,而且这款火箭也不能完全满足直接把ExoMars送入火星转移轨道的需要。

  那质子号呢,没那么多钱,技术换发射行不行?2007年,欧空局去找俄宇航员商量:我们给你们接下来要发的福布斯-土壤号火星任务提供帮助,你们把质子号给我们发ExoMars怎么样?没谈妥

  那就先延期吧,从ExoMars 2011先延期到ExoMars 2013

对对对,2013年要发。   来源:IPPWCP 2008 [6]
对对对,2013年要发。   来源:IPPWCP 2008 [6]

  到了2008年10月,问题还没解决,经费也有困难,啥也不说了,先延到ExoMars 2016吧

  再到了2009年7月,本来都眼看要延期成ExoMars 2018了的时候,火箭问题总算得到了解决。欧空局和NASA签署了火星探测联合倡议(MEJI),NASA同意用自己的宇宙神5号火箭(地火转移轨道约5吨)来发射ExoMars,但欧空局必须配合火箭的运力对原本的ExoMars各个组分的重量作出调整。

  一番协调之后,ExoMars任务被散装塞入了两发大力神5号火箭:轨道器TGO带一个着陆器在2016年发射,也就是ExoMars 2016;火星车在2018年发射,也就是ExoMars 2018,着陆方式用好奇号使用过的空中吊车。其他的运力塞NASA自己的火星探测器。

  2009年8月,俄宇航那边也谈妥了:俄宇航提供质子号作为ExoMars的备用发射火箭,ExoMars里搭载俄宇航的仪器。

  然而到了2012年,又出问题了。由于经费的原因,美国退出了ExoMars的合作,要把钱省下来给詹姆斯韦伯这个黑洞。得,宇宙神火箭没有了,这下ExoMars又发不了了…

  但是呢,今时不同往日了,俄罗斯的福布斯-土壤号发生了什么大家也都知道了:2011年底,这颗还顺带搭载着我国的萤火一号一起的火星探测器发射失败,葬身太平洋,成为21世纪以来第一个在发射过程中失败的火星探测任务。

  在这样的情况下,欧空局和俄宇航于2013年再次达成合作:1)俄宇航提供两发质子-M火箭和所有发射服务;2)痕量气体轨道器TGO上携带2件俄罗斯本来搭载在福布斯-土壤号的仪器,3)所有科学数据共享。

  终于成交!热泪盈眶啊有木有!

  于是最终两发质子-M火箭的发射内容改成了这样:

  ExoMars 2016:欧空局的痕量气体轨道器(TGO)+欧空局试验性的斯基亚帕雷利EDM着陆器

  ExoMars 2018: 欧空局的罗莎琳德·富兰克林火星车+俄宇航的小哥萨克号着陆器(空中吊车换成了反冲发动机着陆)

ExoMars 2016和ExoMars 2018任务安排。   来源:ESA、RoscosmosExoMars 2016和ExoMars 2018任务安排。   来源:ESA、Roscosmos

  ExoMars的苦命结束了么?才没有咧。

  Part.3

  斯基亚帕雷利着陆器:过不去的恐怖7分钟

  好不容易,ExoMars 2016总算于2016年3月14日在拜科努尔航天发射场发射升空,目标是探测火星的大气

ExoMars 2016发射。   来源:ESA、RoscosmosExoMars 2016发射。   来源:ESA、Roscosmos

  虽然发射后不久就发现微风-M上面级似乎出了点问题,但好在有惊无险,轨道器和着陆器都没受影响,继续飞向火星。2016年10月,痕量气体轨道器TGO进入环火星轨道。

TGO的火星交会轨道(白色),蓝点是地球,红点是火星。   来源:ESA/ATG medialab [7]
TGO的火星交会轨道(白色),蓝点是地球,红点是火星。   来源:ESA/ATG medialab [7]

  然而,原计划于2016年10月19日软着陆于火星表面的斯基亚帕雷利EDM着陆器就没那么幸运了。

  所有想要踏上火星表面的探测器,都必须经过严酷的“恐怖七分钟”考验,它们必须穿过灼热的火星大气层、顺利打开降落伞、通过预定手段把速度从约6公里/秒逐步降到落地前的近乎0速度,然后才能稳稳地,既不被烧死也不被摔死地抵达目标。在这段短短的几分钟里,着陆器需要自主完成上千道步骤,一步都不能出错

  但斯基亚帕雷利EDM着陆器没能顺利闯过这最最艰险的“恐怖七分钟”,而是在快要进入最后阶段的时候失联了。

斯基亚帕雷利EDM着陆器的预定着陆流程:进入大气层、空气减速、打开降落伞、抛掉隔热盾、反冲减速、自由落体着陆。   来源:ESA/ATG medialab [8]
  斯基亚帕雷利EDM着陆器的预定着陆流程:进入大气层、空气减速、打开降落伞、抛掉隔热盾、反冲减速、自由落体着陆。   来源:ESA/ATG medialab [8]

  几天后,NASA的火星勘测轨道飞行器(MRO)找到了斯基亚帕雷利EDM着陆器的坠落点和隔热盾、降落伞等残骸,确认着陆失败。

斯基亚帕雷利EDM着陆器的残骸。   来源:NASA/JPL-Caltech/University of Arizona斯基亚帕雷利EDM着陆器的残骸。   来源:NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

  事故调查显示[9],斯基亚帕雷利号着陆器主要是死在了打开降落伞之后的软件故障上。由于对降落伞展开时的姿态变化估计不足,着陆器发生了超出预期震荡和旋转,进而引发了一系列测量错误和进度误判,最终着陆器过早地抛掉降落伞并错误关闭反冲发动机开始自由落体,最终不幸摔死。

  诚然,对于在此之前还没有成功着陆过火星的欧空局(和火星运太背的苏联)来说,头几次尝试着陆的失败是完全可以理解的(小猎犬2号也失败了),这也正是欧空局首批先带一个小着陆器试水的原因。但这次失败也同样意味着欧空局和俄宇航还需要继续完善火星着陆技术,避免重蹈覆辙。

  而另一边,2016年5月,欧空局又双叒叕宣布ExoMars 2018因为科学仪器的制造和交付问题,总之赶不上发射进度了,延期为ExoMars 2020 [10],正式宣告这个原本打算在2009年和好奇号同期发射的苦命火星车,现在要和好奇号的继任者Mars2020(也就是“毅力号”)一起发射了。而虽然好奇号也延期了一届,但在2011年发射的好奇号都已经在火星上工作了7年半了好么。

  Part.4

  再次延期:降落伞 or 新冠?

  光阴弹指,当年没赶上发射进度成为ExoMars 2020的可怜火星车,这次又没能赶上2020发射窗口[1],成为ExoMars 2022

  至于这次又双叒叕为啥延期了?欧空局给出的理由是:1)还需要更多时间来测试,2)新冠在欧洲的大爆发影响了工作进度。

  翻译一下就是:1)还没准备好;2)不可抗力我们也没办法…

  不可抗力这个我们就不说了,但没准备好的问题倒真不是谦虚。

  最头疼的是降落伞问题。由于着陆器和火星车不断加重,欧空局最终采取了一种非常复杂的伞降设计:2套共4个降落伞

  进入大气层之后先打开第一套的副伞,降一段扔掉,再开第一套的主伞,降一段扔掉,再开第二套的副伞,不扔,再开第二套的主伞…搞这么复杂真的是挺…有想法的…哦对了,最大的那个主伞直径35米,是目前为止最大的火星降落伞…

两套降落伞展开过程,没有按照比例,不同的颜色只是表示区分不同的伞,不代表实际颜色。   来源:ESA [11]
  两套降落伞展开过程,没有按照比例,不同的颜色只是表示区分不同的伞,不代表实际颜色。   来源:ESA [11]

  不管是降落伞的复杂度还是巨大程度,都为任务的推进带来了很多困难和不确定性。对此,ExoMars任务的项目经理Francois Spoto无奈表示:如果着陆器的反冲发动机足够给力的话,其实我们只需要一个主降落伞就够了[12]。

  2018年3月,降落伞的低空测试(1.2公里)还是挺成功的。

  但2019年5月的高空测试(29公里)完全失败了:两个副伞都顺利打开和充气,但两个主伞都在还没达到最大负载的时候就已经发生撕裂[11]。

  同年8月,第二次高空测试依然失败。这直指降落伞的设计有问题。没办法,欧空局只好去找成功完成8次火星着陆任务的NASA喷气动力实验室(JPL)取经。

  通过分析测试中记录的数据,项目组发现问题应该出在降落伞袋上,降落伞本身似乎是没问题的。也就是说让降落伞能顺利从伞袋中释放出来而不因摩擦而撕裂,就可以解决目前的问题。于是在NASA JPL提供的场地里,欧空局总算顺利完成了改进后的两个主伞的低速(120 km/h)释放试验和第一个主伞的第一次高速(200 km/h)释放试验[13]。

  但除了第二个主伞的地面高速释放试验之外,接下来还要完成两次高空测试,这两次测试原本被安排在了2020年2月和3月,但到目前都还没有进行,已经被延期到了3月。

  然而还不止降落伞,推迟前的ExoMars 2020还暴露出了许多硬件和软件上的问题,连太阳能板的胶合都出过bug(尽管欧空局表示你们一定要相信我这真的是小问题)[14],也是让人挺迷惑的,而软件问题甚至还是曾经的斯基亚帕雷利EDM着陆失败的重要原因啊。心这么大,感觉是真不着急…

  总之,更多测试确实是必须的,ExoMars 2020也确实还没有准备好。考虑到ExoMars已经有过一次着陆失败的经历,这次拿出百分之两百的谨慎态度当然是有必要的,反正也不是延期一次两次了

  因此吃瓜群众也表达了对ExoMars任务的充分理解:

 很伤心,但迟发总比炸了强。 很伤心,但迟发总比炸了强。

  ExoMars 2022: 并没有觉得被安慰到…

  总之,目前的ExoMars计划带着火星车在2022年8-10月的火星窗口发射,2023年4-7月间抵达火星

ExoMars任务的最新时间线:轨道器TGO 2016年发射并入轨,火星车和着陆器2022年发射,2023年抵达火星。   来源:ESA [15]
  ExoMars任务的最新时间线:轨道器TGO 2016年发射并入轨,火星车和着陆器2022年发射,2023年抵达火星。   来源:ESA [15]

  另一边,2016年就已经就位的痕量气体轨道器TGO已经在轨三年半了。不要忘了,这枚轨道器除了科学探测之外还有着用来给火星车做通讯中继的使命呢。尽管有火星奥德赛、火星快车这样超额完成任务的珠玉在前,但保守看来TGO的设计寿命毕竟只有7年啊。

  这意味着,这颗兼作通讯中继的轨道器很可能只能指望2022年这最后一次发射机会,而没命等到下一次延期了。

痕量气体轨道器TGO:要报废了老板!痕量气体轨道器TGO:要报废了老板!

  所以无论从哪个角度来说,都真的希望这艘坎坷的探测器能够成功开始火星之旅,也希望这么多年的艰辛能够最终换来ExoMars的顺利着陆,不要再延了。

  也希望本赛季另外三位选手:中国的火星探测任务、NASA的毅力号火星车和阿联酋的希望号火星轨道器稳扎稳打,顺利起航。

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