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來源：中國科普博覽

大約每26個(gè)月，會(huì)有那么一段很短的時(shí)期（十幾天）適合從地球發(fā)射探測(cè)器去火星，我們地球人稱這樣的時(shí)期為“火星發(fā)射窗口”。最近的這次發(fā)射窗口，就是2020年夏季。每錯(cuò)過一次，都要再等2年多。

每當(dāng)火星相對(duì)于太陽的位置領(lǐng)先于地球44度角左右的時(shí)候，從地球發(fā)射的探測(cè)器經(jīng)過一個(gè)橢圓軌道（也就是“地火轉(zhuǎn)移軌道”）后剛好會(huì)在幾個(gè)月后與火星自然相遇，這樣的時(shí)機(jī)每26個(gè)月出現(xiàn)一次。注意，這樣的發(fā)射時(shí)機(jī)并不對(duì)應(yīng)于火星距離地球最近的時(shí)刻。

在今年夏天這個(gè)發(fā)射窗口里，原計(jì)劃有四位選手要相繼前往火星，開展一系列科學(xué)探測(cè)黑科技。這四位選手分別是：中國的火星探測(cè)任務(wù)、NASA的Mars2020火星車（剛被命名為“毅力號(hào)”）、歐空局和俄羅斯宇航局的ExoMars 2020任務(wù)和阿聯(lián)酋的希望號(hào)火星軌道器。（至于印度的曼加里安2號(hào)？截至目前已經(jīng)延期到了2024年窗口）

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(cè)史上前所未有的盛況。

Part.1

2020年，是地球人的火星探測(cè)之年

隨著發(fā)射窗口的臨近，各家選手也已經(jīng)進(jìn)入了最后的準(zhǔn)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(fā)了…

圖源：ESA

由于ExoMars任務(wù)是用發(fā)射年份作為代號(hào)的，所以ExoMars 2020已經(jīng)直接在歐空局官網(wǎng)上被改成ExoMars 2022了。

歐空局任務(wù)介紹頁，已將ExoMars 2020任務(wù)改名為ExoMars 2022任務(wù)。 來源：ESA

媽耶，ExoMars任務(wù)真的是太慘了。要知道，這已經(jīng)不是ExoMars任務(wù)第一二三四次延期了…

這是ExoMars任務(wù)…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

這是誓與韋伯爭高下啊…

Part.2

一改再改：兩年之后又兩年？

不同于NASA的毅力號(hào)這種只丟一個(gè)火星車的模式，歐空局和俄宇航的ExoMars任務(wù)和我國的火星任務(wù)相似，都包含了軌道器、著陸器和火星車三個(gè)組分。

ExoMars系列（曾經(jīng)）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(wù)設(shè)計(jì)并不是這樣的，然而因?yàn)榻?jīng)費(fèi)、運(yùn)力、協(xié)作、國際局勢(shì)等種種原因，ExoMars不得不一改再改。

ExoMars任務(wù)起初獲批于2005年，是歐空局“曙光女神計(jì)劃”（Aurora programme）（相當(dāng)于是歐空局的“旗艦級(jí)”任務(wù)）的一部分，只有簡單的火星車+著陸器（固定站），計(jì)劃使用俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)火箭，于2009年發(fā)射。對(duì)，那時(shí)候叫ExoMars 2009，火星車只有120公斤，科學(xué)儀器只有10公斤。為了和當(dāng)時(shí)已經(jīng)在火星上的NASA勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車有所區(qū)分，歐空局早早就已經(jīng)決定把ExoMars的探測(cè)重點(diǎn)定為NASA沒有涉及到的地外生物方向。

2004年3月歐洲地外生命研討會(huì)中關(guān)于ExoMars 2009的火星車在澳大利亞測(cè)試的建議。 來源：[3]

不過很快任務(wù)就延期到了2011年發(fā)射，成為ExoMars 2011，還規(guī)劃上了后續(xù)的火星采樣返回任務(wù)[4， 5]。

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

到了2006年，因?yàn)榭紤]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(wù)成功率和科學(xué)產(chǎn)出，總之歐空局想加一個(gè)軌道器了，這就是后來的痕量氣體軌道器（TGO）。那么問題來了，加完之后的發(fā)射重量就超出聯(lián)盟號(hào)火箭的運(yùn)力（地火轉(zhuǎn)移軌道約1.5噸）范圍了，需要換成歐洲的阿麗亞娜5號(hào)（地火轉(zhuǎn)移軌道約3.5噸）或者俄國的質(zhì)子號(hào)（地火轉(zhuǎn)移軌道約3.5噸）火箭才行，但如果換成阿麗亞娜5號(hào)的話不僅意味著發(fā)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(zhuǎn)移軌道的需要。

那質(zhì)子號(hào)呢，沒那么多錢，技術(shù)換發(fā)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(fā)的福布斯-土壤號(hào)火星任務(wù)提供幫助，你們把質(zhì)子號(hào)給我們發(fā)ExoMars怎么樣？沒談妥。

那就先延期吧，從ExoMars 2011先延期到ExoMars 2013。

對(duì)對(duì)對(duì)，2013年要發(fā)。 來源：IPPWCP 2008 [6]

到了2008年10月，問題還沒解決，經(jīng)費(fèi)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(shí)候，火箭問題總算得到了解決。歐空局和NASA簽署了火星探測(cè)聯(lián)合倡議（MEJI），NASA同意用自己的宇宙神5號(hào)火箭（地火轉(zhuǎn)移軌道約5噸）來發(fā)射ExoMars，但歐空局必須配合火箭的運(yùn)力對(duì)原本的ExoMars各個(gè)組分的重量作出調(diào)整。

一番協(xié)調(diào)之后，ExoMars任務(wù)被散裝塞入了兩發(fā)大力神5號(hào)火箭：軌道器TGO帶一個(gè)著陸器在2016年發(fā)射，也就是ExoMars 2016；火星車在2018年發(fā)射，也就是ExoMars 2018，著陸方式用好奇號(hào)使用過的空中吊車。其他的運(yùn)力塞NASA自己的火星探測(cè)器。

2009年8月，俄宇航那邊也談妥了：俄宇航提供質(zhì)子號(hào)作為ExoMars的備用發(fā)射火箭，ExoMars里搭載俄宇航的儀器。

然而到了2012年，又出問題了。由于經(jīng)費(fèi)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(gè)黑洞。得，宇宙神火箭沒有了，這下ExoMars又發(fā)不了了…

但是呢，今時(shí)不同往日了，俄羅斯的福布斯-土壤號(hào)發(fā)生了什么大家也都知道了：2011年底，這顆還順帶搭載著我國的螢火一號(hào)一起的火星探測(cè)器發(fā)射失敗，葬身太平洋，成為21世紀(jì)以來第一個(gè)在發(fā)射過程中失敗的火星探測(cè)任務(wù)。

在這樣的情況下，歐空局和俄宇航于2013年再次達(dá)成合作：1）俄宇航提供兩發(fā)質(zhì)子-M火箭和所有發(fā)射服務(wù)；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(hào)的儀器，3）所有科學(xué)數(shù)據(jù)共享。

終于成交！熱淚盈眶啊有木有！

于是最終兩發(fā)質(zhì)子-M火箭的發(fā)射內(nèi)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(yàn)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(hào)著陸器（空中吊車換成了反沖發(fā)動(dòng)機(jī)著陸）

ExoMars 2016和ExoMars 2018任務(wù)安排。 來源：ESA、Roscosmos

ExoMars的苦命結(jié)束了么？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總算于2016年3月14日在拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，目標(biāo)是探測(cè)火星的大氣。

ExoMars 2016發(fā)射。 來源：ESA、Roscosmos

雖然發(fā)射后不久就發(fā)現(xiàn)微風(fēng)-M上面級(jí)似乎出了點(diǎn)問題，但好在有驚無險(xiǎn)，軌道器和著陸器都沒受影響，繼續(xù)飛向火星。2016年10月，痕量氣體軌道器TGO進(jìn)入環(huán)火星軌道。

TGO的火星交會(huì)軌道（白色），藍(lán)點(diǎn)是地球，紅點(diǎn)是火星。 來源：ESA/ATG medialab [7]

然而，原計(jì)劃于2016年10月19日軟著陸于火星表面的斯基亞帕雷利EDM著陸器就沒那么幸運(yùn)了。

所有想要踏上火星表面的探測(cè)器，都必須經(jīng)過嚴(yán)酷的“恐怖七分鐘”考驗(yàn)，它們必須穿過灼熱的火星大氣層、順利打開降落傘、通過預(yù)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，然后才能穩(wěn)穩(wěn)地，既不被燒死也不被摔死地抵達(dá)目標(biāo)。在這段短短的幾分鐘里，著陸器需要自主完成上千道步驟，一步都不能出錯(cuò)。

但斯基亞帕雷利EDM著陸器沒能順利闖過這最最艱險(xiǎn)的“恐怖七分鐘”，而是在快要進(jìn)入最后階段的時(shí)候失聯(lián)了。

斯基亞帕雷利EDM著陸器的預(yù)定著陸流程：進(jìn)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(cè)軌道飛行器（MRO）找到了斯基亞帕雷利EDM著陸器的墜落點(diǎn)和隔熱盾、降落傘等殘骸，確認(rèn)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

事故調(diào)查顯示[9]，斯基亞帕雷利號(hào)著陸器主要是死在了打開降落傘之后的軟件故障上。由于對(duì)降落傘展開時(shí)的姿態(tài)變化估計(jì)不足，著陸器發(fā)生了超出預(yù)期震蕩和旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而引發(fā)了一系列測(cè)量錯(cuò)誤和進(jìn)度誤判，最終著陸器過早地拋掉降落傘并錯(cuò)誤關(guān)閉反沖發(fā)動(dòng)機(jī)開始自由落體，最終不幸摔死。

誠然，對(duì)于在此之前還沒有成功著陸過火星的歐空局（和火星運(yùn)太背的蘇聯(lián)）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(hào)也失敗了），這也正是歐空局首批先帶一個(gè)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(xù)完善火星著陸技術(shù)，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?yàn)榭茖W(xué)儀器的制造和交付問題，總之趕不上發(fā)射進(jìn)度了，延期為ExoMars 2020[10]，正式宣告這個(gè)原本打算在2009年和好奇號(hào)同期發(fā)射的苦命火星車，現(xiàn)在要和好奇號(hào)的繼任者M(jìn)ars2020（也就是“毅力號(hào)”）一起發(fā)射了。而雖然好奇號(hào)也延期了一屆，但在2011年發(fā)射的好奇號(hào)都已經(jīng)在火星上工作了7年半了好么。

Part.4

再次延期：降落傘 or 新冠？

光陰彈指，當(dāng)年沒趕上發(fā)射進(jìn)度成為ExoMars 2020的可憐火星車，這次又沒能趕上2020發(fā)射窗口[1]，成為ExoMars 2022。

至于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(shí)間來測(cè)試，2）新冠在歐洲的大爆發(fā)影響了工作進(jìn)度。

翻譯一下就是：1）還沒準(zhǔn)備好；2）不可抗力我們也沒辦法…

不可抗力這個(gè)我們就不說了，但沒準(zhǔn)備好的問題倒真不是謙虛。

最頭疼的是降落傘問題。由于著陸器和火星車不斷加重，歐空局最終采取了一種非常復(fù)雜的傘降設(shè)計(jì)：2套共4個(gè)降落傘。

進(jìn)入大氣層之后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…搞這么復(fù)雜真的是挺…有想法的…哦對(duì)了，最大的那個(gè)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(qū)分不同的傘，不代表實(shí)際顏色。 來源：ESA [11]

不管是降落傘的復(fù)雜度還是巨大程度，都為任務(wù)的推進(jìn)帶來了很多困難和不確定性。對(duì)此，ExoMars任務(wù)的項(xiàng)目經(jīng)理Francois Spoto無奈表示：如果著陸器的反沖發(fā)動(dòng)機(jī)足夠給力的話，其實(shí)我們只需要一個(gè)主降落傘就夠了[12]。

2018年3月，降落傘的低空測(cè)試（1.2公里）還是挺成功的。

但2019年5月的高空測(cè)試（29公里）完全失敗了：兩個(gè)副傘都順利打開和充氣，但兩個(gè)主傘都在還沒達(dá)到最大負(fù)載的時(shí)候就已經(jīng)發(fā)生撕裂[11]。

同年8月，第二次高空測(cè)試依然失敗。這直指降落傘的設(shè)計(jì)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(wù)的NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（JPL）取經(jīng)。

通過分析測(cè)試中記錄的數(shù)據(jù)，項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)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。于是在NASA JPL提供的場(chǎng)地里，歐空局總算順利完成了改進(jìn)后的兩個(gè)主傘的低速（120 km/h）釋放試驗(yàn)和第一個(gè)主傘的第一次高速（200 km/h）釋放試驗(yàn)[13]。

但除了第二個(gè)主傘的地面高速釋放試驗(yàn)之外，接下來還要完成兩次高空測(cè)試，這兩次測(cè)試原本被安排在了2020年2月和3月，但到目前都還沒有進(jìn)行，已經(jīng)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（盡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(jīng)的斯基亞帕雷利EDM著陸失敗的重要原因啊。心這么大，感覺是真不著急…

總之，更多測(cè)試確實(shí)是必須的，ExoMars 2020也確實(shí)還沒有準(zhǔn)備好?？紤]到ExoMars已經(jīng)有過一次著陸失敗的經(jīng)歷，這次拿出百分之兩百的謹(jǐn)慎態(tài)度當(dāng)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(dá)了對(duì)ExoMars任務(wù)的充分理解：

很傷心，但遲發(fā)總比炸了強(qiáng)。

ExoMars2022：并沒有覺得被安慰到…

總之，目前的ExoMars計(jì)劃帶著火星車在2022年8-10月的火星窗口發(fā)射，2023年4-7月間抵達(dá)火星。

ExoMars任務(wù)的最新時(shí)間線：軌道器TGO 2016年發(fā)射并入軌，火星車和著陸器2022年發(fā)射，2023年抵達(dá)火星。 來源：ESA [15]

另一邊，2016年就已經(jīng)就位的痕量氣體軌道器TGO已經(jīng)在軌三年半了。不要忘了，這枚軌道器除了科學(xué)探測(cè)之外還有著用來給火星車做通訊中繼的使命呢。盡管有火星奧德賽、火星快車這樣超額完成任務(wù)的珠玉在前，但保守看來TGO的設(shè)計(jì)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年這最后一次發(fā)射機(jī)會(huì)，而沒命等到下一次延期了。

痕量氣體軌道器TGO：要報(bào)廢了老板！

所以無論從哪個(gè)角度來說，都真的希望這艘坎坷的探測(cè)器能夠成功開始火星之旅，也希望這么多年的艱辛能夠最終換來ExoMars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(cè)任務(wù)、NASA的毅力號(hào)火星車和阿聯(lián)酋的希望號(hào)火星軌道器穩(wěn)扎穩(wěn)打，順利起航。