歐空局默認最新火星著陸器著陸失敗：究竟哪個環節出了錯？

　　出品：科普中國

　　製作：新浪探索團隊 晨風

　　監製：中國科學院計算機網路信息中心

　　2003年歐洲由「火星快車」探測器攜帶並釋放的「獵兔犬-2號」著陸器，該著陸器在降落後失蹤，直到12年後才由美國的探測器從軌道上拍攝的高清圖像找到

正在進行震動測試的歐空局「痕量氣體軌道器」(TGO)和「斯恰帕拉利」著陸器

　　新浪科技訊 北京時間10月25日消息，美國宇航局正在火星軌道運行的「火星勘測軌道器」(MRO)昨天已經在歐洲空間局(ESA)的「斯恰帕拉利」(Schiaparelli)著陸器預定著陸地附近拍攝到一處新出現的黑色斑點。在最新舉行的媒體發布會上歐洲空間局相關人士一再迴避關於這顆著陸器是否已經墜毀的提問，但大家心裡基本都有了答案：這顆著陸器已經墜毀，任務失敗。歐空局事實上也已經默認了這一點。

　　美國宇航局火星勘測軌道器拍攝的最新圖像上可以看到在歐洲空間局「斯恰帕拉利」著陸器的預定著陸點附近，新出現了兩個斑點。其中一個位於畫面南側，較為明亮，應該是降落傘，而在其北側大約1公里處，一個明顯的黑色斑點極有可能是著陸器快速撞擊地面並發生爆炸後的痕迹

　　「斯恰帕拉利」著陸器於2016年10月19日國際標準時14:42分(北京時間10月19日22:42)開始接觸火星大氣層。在隨後的6分鐘時間內，它將完成一系列自動程序動作並著陸到火星表面，但在著陸之前，地面失去了與這顆著陸器的聯繫。根據歐空局對外公布的說法，目前正在火星軌道飛行的「斯恰帕拉利」著陸器母船——TGO(痕量氣體軌道器)已經接收到著陸器下降過程中的相關工程數據，地面科學家和工程師正對此次著陸過程開展分析。

　　而與此同時，根據事先計劃，美國宇航局的「火星勘測軌道」(MRO)搭載的低解析度CTX相機在10月20日對「斯恰帕拉利」的預定著陸區進行了成像，在22日對外發布的高清圖像(每像素6米)中可以看到，相比該飛船在今年5月份拍攝的同一區域圖像，該區域地面上多出了兩個物體。

　　其中一個點反光度較高，該物體可能是「斯恰帕拉利」著陸器直徑12米的降落傘，另一個點看上去是一個黑色斑點，邊緣模糊，大小大約是15X40米，位置大致位於降落傘北側約1公里。外界普遍認為這可能就是「斯恰帕拉利」著陸器高速墜毀時在地面上留下的撞擊痕迹。自此，儘管歐空局迄今為止一直未有對外正式宣布「斯恰帕拉利」著陸器已經墜毀，但整件事情基本上可以說已經塵埃落定了。

　　究竟發生了什麼？

　　此次抵達火星的「痕量氣體軌道器」(TGO)和斯恰帕拉利」著陸器是歐洲執行的ExoMars項目的第一階段，該項目一共分為兩期，第二期將在2020年將歐洲第一輛火星車送往火星表面。該項目的主要目的是搜尋火星表面過去或現在可能存在生命的跡象，並評估火星地表水圈與地球化學環境的演變，調查火星大氣內痕量氣體的濃度與來源。比如此前的研究顯示火星大氣中含有甲烷氣體，這種氣體在大氣中應當會因為容易分解而無法長期存在，因此火星大氣中存在甲烷氣體的事實表明一定有某種來源在不斷向火星大氣中補充甲烷氣體。而甲烷氣體的重要產生機制便是生命活動的產物，ExoMars計劃的執行將幫助科學家們最終查明這些問題的答案。

　　在歐空局20日舉行的新聞發布會上，歐空局和ExoMars項目的相關負責人回應了來自媒體的一些問題，其中不乏一些相當尖銳的問題。比如來自BBC等媒體的記者多次直接提問，要求歐空局相關負責人回應，有多大可能性，可以認為「斯恰帕拉利」著陸器已經墜毀。但很顯然，出於未來項目經費申請以及公共影響等相關考慮，歐空局相關負責人一直迴避直接回答該問題，而是不斷強調本次任務的主要目的已經達到，即歐洲已經成功地將TGO軌道器送入火星軌道，而「斯恰帕拉利」著陸器只是一顆試驗性的著陸器，目的就是技術驗證，何況TGO飛船已經採集到「斯恰帕拉利」著陸器下降過程中的大量工程學數據，因此整個任務是一個「完全的成功」，並且多次強調目前斷言任何結論都還為時尚早。

　　但儘管歐空局表示目前科學家們仍然在對相關數據進行分析，得出任何結論目前都為時尚早，並且承諾在數據分析完成後將儘快對外發布結果。但在20日的發布會上仍然能夠獲得一些大致的情況。2003年歐洲由「火星快車」探測器攜帶並釋放的「獵兔犬-2號」著陸器，該著陸器在降落後失蹤，直到12年後才由美國的探測器從軌道上拍攝的高清圖像找到

　　哪個環節出了錯？

　　由於火星與地球之間的距離遙遠，通訊會存在數分鐘的延時，因此在探測器著陸的大約6分鐘時間裡，它必須完全依賴於預設的計算機程序，獨立完成整個過程，在著陸過程中如果發生任何意外狀況，地面基本完全是無能為力的。這種幾乎是賭博的做法也是火星著陸最大的風險之一。

　　按照預定計劃，「斯恰帕拉利」著陸器在10月16日脫離母船「痕量氣體軌道器」(TGO)。與著陸器分離之後大約12小時，母船TGO開始執行航向修正以避免與火星大氣層碰撞並繼續飛行，準備進入火星軌道。

　　3天之後，10月19日國際標準時14:42分，「斯恰帕拉利」著陸器開始進入火星大氣層，執行所謂「進入、下降與著陸」(EDL)程序，此時「斯恰帕拉利」距離火星地表的高度約為121公里，飛行速度約每小時2.1萬公里。

　　在接下來的3~4分鐘時間裡，著陸器與火星大氣之間的劇烈摩擦將讓飛船大大減速，而在此期間，著陸器前方的隔熱罩將會保護著陸器不至於被摩擦產生的高溫燒毀。其表面塗覆的隔熱材料將在燒蝕過程中熔化並蒸發，從而帶走熱量，保護內部設備。

　　當速度下降到1700公里/小時以下，「斯恰帕拉利」著陸器距離火星表面高度大約11公里，此時主降落傘將被打開，開傘時間不超過1秒。在降落傘作用下，著陸器將進一步減速並在大約40秒的時間內讓飛船的震動平復下來，隨後飛船前方的隔熱罩將被拋掉。

　　降落傘會將著陸器的速度減至250公里/小時，隨後飛船的後蓋(包括上面連著的降落傘)將一同被拋掉。此時「斯恰帕拉利」著陸器完全暴露於火星大氣中，繼續下降。

　　緊接著，著陸器四周安裝的三組聯氨反推發動機將啟動以進一步穩定並控制下降速度。下降雷達開機並開始測量飛船與地面之間的高度。當距離地面只剩下大約2米的時候，「斯恰帕拉利」著陸器將進行短暫的空中懸停，隨後關閉反推發動機並讓著陸器以自由落體形式落到地面上。

　　如此，在著陸時探測器下墜的仍然將有每秒數米的速度，為了緩解最後階段自由落體時的震動，飛船底部安裝了類似汽車減震裝置的可壓縮部件，從而防止飛船在墜地時受到損壞。

　　整個「進入、下降與著陸」(EDL)程序持續時間不到6分鐘。但是在這6分鐘時間裡可以發生很多事。究竟發生了什麼？

　　就目前所知曉的一些信息，歐空局已經得到了一些初步分析結果。專家認為一直到著陸器打開降落傘為止，整個程序還都是完全正常的，但就在降落的最後階段故障發生了：著陸器顯然提前拋掉了降落傘，數據顯示反推發動機已經啟動，但其工作時間顯然偏短：按照正常程序，反推發動機應當工作30秒左右，但實際上它可能只工作了3~4秒，遠遠短於預設時間。於是，這顆著陸器並未按計劃在距離地面大約2米的高度，而是在2~4公里的高度上便開始了自由落體，如此其接觸地面時的速度將會高達300公里/小時，這將造成猛烈撞擊，而美國宇航局的MRO飛船拍攝的圖像上可以看到相當明顯的撞擊點，也證明撞擊發生時有大量地面物質被濺射出來。當然還有很大的可能性就是「斯恰帕拉利」著陸器在撞擊地面時發生了爆炸和起火，因為它攜帶有幾個燃料箱，考慮到它在如此高的高度上就已經關機，其中應該還會剩餘相當多的燃料。

　　為何會出現這樣的故障？目前還需要等待歐空局進一步的消息。何時會出新的消息目前也不得而知，但外界至少可以期待的是在下周，按照計劃美國宇航局MRO探測器搭載的高清相機將拍攝墜毀地點的高解析度圖像，屆時我們將能夠更加清晰地目睹現場所發生的情況。

　　登陸火星之難

　　一艘軌道器攜帶一艘著陸器抵達火星，隨後向火星地表釋放著陸器。最後的結果是軌道器成功進入軌道，而著陸器出現故障。對於歐洲而言，這樣的一幕並非首次發生。

　　2003年，歐洲首個火星探測器「火星快車」(Mars Express)軌道器釋放的由英國研製的「獵兔犬-2號」(Beagle-2)著陸器在降落的最後過程中失去聯絡，下落不明。直到將近12年後的2015年，「獵兔犬-2號」才在美國宇航局的火星勘測軌道器(MRO)拍攝的高清圖像上被識別出來。

　　如今歐洲的第二次火星登陸嘗試再次以失敗告終，人們在惋惜之餘充分感受到登陸火星的高難度。上世紀美蘇冷戰期間兩國除了在載人航天和登月等方面展開激烈爭奪之外，在火星也曾經上演互相比拼的大戲。

　　從1960年一直到1991年解體，蘇聯一共向火星發射過17次探測器，但其中只有3次獲得了部分成功，而其中的著陸嘗試則全部以失敗告終。相比之下，美國的成功率要高得多，從1964年開始到今天，美國已經執行了20多次火星探測任務，成功率在60%左右。而從全球整體來看，自20世紀60年代以來，國際上一共實施了大約42次火星探測任務，成功率大約52%。

　　實現火星著陸需要先進的飛控程序，精確的計算和超遠距離上的測控能力。當然另外還需要長期火星探測中所積累的關於火星大氣性質與空氣動力學方面的大量數據和經驗。由於火星擁有稀薄的大氣層，因此在著陸時通常有三種做法：最早一種，也是從月球項目衍生的產物，以美國1970年代執行的海盜號項目為代表，採用降落傘和反推發動機為減速手段，實現探測器在火星表面的軟著陸，此次歐洲的斯恰帕拉利著陸器所採用的也正是這種做法；第二種方式是最早在1996年由美國的火星探路者(Mars Pathfinder)探測器上所採用的充氣氣囊彈跳方式，那次任務中還攜帶了世界上第一輛火星車，後來的第二代火星車勇氣號和機遇號也均採用了相似的氣囊彈跳著陸方式；而最新的火星車「好奇號」由於體積質量過於龐大，美國宇航局設計了全新的方式，也就是第三種火星著陸方式：所謂的「天空起重機」(skycrane)，它先是採用降落傘為探測器減速，隨後在拋離隔熱罩之後，由一台安裝反推發動機的懸吊裝置將好奇號火星車穩穩地懸吊並放置到火星表面上。目前只有美國成功進行過全部三種著陸方式並在技術上日臻成熟。

　　相比之下，俄羅斯、歐洲、日本甚至印度，儘管都發射了火星探測器，但都是軌道器，歐洲嘗試了兩次著陸，最後都以失敗告終。

　　2020展望與人類的火星未來

　　2020年將是一個火星探測的高峰年。如果此次「斯恰帕拉利」著陸器的失利以及經費短缺等方面的困難沒有對歐空局造成過多的干擾，ExoMars項目能夠按計劃執行，那麼2020年歐洲將發射該項目第二階段的歐洲首輛火星車。而美國方面在2018年執行「洞察」(Insight)號火星著陸器計劃之後，也已經決定將在2020年發送一輛火星車，再加上我們國家前不久已經正式宣布立項2020年的火星探測項目，其中將包括一次性完成「繞、落、巡」三步，即一次性發射一艘軌道器、一艘著陸器並釋放一輛火星車，這在世界火星探測歷史上都是前所未有的。

　　如果這些項目都能夠按照計劃進行，那麼到2020年時，就將出現中國、歐洲和美國在同一年發射火星車的景象，這些火星車將在很短的間隔內相繼抵達火星。這將是第一次在這顆紅色星球上同時有來自不同國家的漫遊車開展工作，一改長期以來美國壟斷整個火星表面巡視探測的局面。

　　最後，印度在2014年成功實現亞洲國家首次環繞火星探測(「曼加里安」號)之後已經宣布，該國計劃在2020年發射「曼加里安-2號」(Mangalyaan-2)，其設計方案為火星軌道器，但印度方面也指出，該計劃中有可能最終會包括一顆著陸器和一輛火星車。如果該計劃得以順利執行，那麼火星上的交通看起來會更加「擁擠」了，要知道按照一般「慣例」，儘管美國的機遇號火星車倖存到2020年之後的可能性不大，但目前正在火星蓋爾隕坑裡忙著攀登夏普山的美國好奇號火星車還是有很大的可能性將會持續工作到2020年以後的。

　　如果情況的確如此，那麼在最樂觀的情況下，在2021年前後火星上將出現同時有來自美國、歐洲、中國和印度的5輛火星車一同工作，這將會是令人興奮的有趣場面。

　　當然，正如歷史已經教會我們的，也正如歐洲的航天人們在2003年和前不久剛剛所經歷的那樣，火星著陸絕對不是一件容易的事，而是一項充滿著風險和未知的挑戰，但正是50多年來我們的先輩們堅持不懈的嘗試和努力，才讓今天的我們對於這顆紅色星球有了前所未有的深入了解。

　　在未來20~30年內，人類的宇航員將有很大可能首次踏足這顆星球，這將是人類中的成員首次踏上另外一顆行星的表面，這將是一件具有劃時代意義的偉大里程碑，因為它標誌著人類作為一個物種，正朝著成為「太空物種」或「多星球物種」邁出堅定步伐。從目前的情況來看，人類最早一批登陸火星的宇航員們應該已經出生了，他或她現在應該就在中國或者美國的某地，讀著小學、初中或者高中，在學校里勤奮努力學習著。這個他，或者她，會是屏幕前的你嗎？

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