ExoMars
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 火星探測計畫 TGO，夏帕瑞麗和漫遊車 | |
| 所属组织 | 歐洲太空總署和俄羅斯聯邦太空總署 |
|---|---|
| 主制造商 | 軌道部：泰雷茲阿萊尼亞宇航公司、OHB 漫遊車：空中巴士防務及航太公司（Airbus Defence and Space） 登陸部：俄羅斯聯邦太空總署 |
| 任务类型 | 軌道器，2艘登陸器和漫遊車 |
| 入轨时间 | 2017年和2022年 |
| 发射时间 | 2016年3月和2020年[1] |
| 发射手段 | 兩艘質子火箭 |
| 任务时长 | 斯基亞帕雷利EDM登陸器：4 sols 漫遊車：≥6 個月 軌道器：數年 |
| 官方网站 | ExoMars programme |
| 质量 | TGO：3,130公斤kg[2] 漫遊車：〜300公斤[5] |
| 功耗 | TGO：太陽能 斯基亞帕雷利EDM登陸器：電池 漫遊車：太陽能 蘇聯登陸器：TBD |
火星探測計畫 （ExoMars，Exobiology on Mars）是宇宙生物學調查火星過去居住環境的專案計畫，為在本世紀20年代的火星樣本取回任務專案計畫鋪路和展示新技術[6]。
這個计划是由歐洲航天局（ESA）和俄羅斯聯邦航天局合作的專案[7]。這個專案將使用兩艘火箭發射幾個太空船元素去火星，搜尋過去或現在火星生命的生物特徵（biosignature）。火星微量氣體任務衛星（ExoMars Trace Gas Orbiter，TGO）和一個測試用固定在火星表面，不動的斯基亞帕雷利EDM登陸器在2016年3月14日發射[1]。TGO將在2018年10月19日引導斯基亞帕雷利登陸火星，然後繼續進行火星上甲烷和其它氣體的來源映射[8]。TGO攜帶著四種特別的儀器，也將作為通訊的中繼衛星。
在2020年，俄羅斯聯邦航天局建造的登陸器（2020火星探測表面平台）將引導由ESA建造的火星探測漫遊車在火星表面著陸[5][7][9]；漫遊車也攜帶了一些俄羅斯聯邦航天局的儀器。漫遊車的行動和通訊由設在義大利奧特（Aerospace Logistics Technology Engineering Company ，ALTEC）的火星車控制中心管制[10]。
目录
1 歷史
1.1 當時的狀況
1.2 2016火星微量氣體任務衛星的發射
2 任務目標
3 任務架構
3.1 2016年發射計划
3.1.1 火星微量氣體任務
3.1.2 固定式登陸測站
3.2 2020年發射計畫
3.2.1 ExoMars探測車
3.2.2 MAX-C探測車
4 發射載具
5 登陸系統和候選登陸地點
6 ExoMars探測車儀器
6.1 攝影系統
6.2 鑽孔機
6.3 分析儀器
7 自動導航
8 參見
9 參考資料
10 外部連結
歷史
自開始以來，火星探測計畫已經通過幾個階段的規畫，包括登陸器、軌道器、運載火箭、和國際合作等規劃和各種建議[11]，像是美國已撤銷的2009火星探測聯合任務（Mars Exploration Joint Initiative，MEJI）[12][13]。
原本，火星探測計畫的概念包括大的機器人探測器，以ESA的曙光計劃做為旗艦任務的一部分，這是歐洲航天局的部長在2005年12月批准的。最初設想有一輛漫遊車和固定的地面站，火星探測計畫於2011年使用蘇聯的質子運載火箭Fregat承載發射[14]。
在2007年，以加拿大為基地的科技公司，麥克唐納德和聯合有限公司（MacDonald Dettwiler and Associates Ltd.，MDA）被選為與英國的EADS Astrium合作，以一億歐元的合約設計和製造歐洲航天局的火星漫遊車底盤。Astrium還簽下了設計漫遊車的最終合同[15]。
在2009年7月，美國國家航空暨太空總署和歐洲航天局簽署了火星探測聯合任務，提出了使用阿特拉斯火箭發射，而不是使用聯盟號火箭，顯著的改善了火星探測計畫的技術和財政。在6月19日，當漫遊車仍計畫由火星微量氣體任務衛星背負時，據報導，未來的協議將會使火星探測計畫失去足夠的重量，以適合由阿特拉斯火箭發射或搭乘NASA的太空梭[16]。
火星天體生物學發現－收集者（Mars Astrobiology Explorer-Cacher，MAX-C）漫遊車。
然後，這項任務與其它多個專案結合，將由兩架阿特拉斯 V火箭發射[3][3][17]：火星微量氣體任務衛星（TGO）被合併到這個計畫中，攜帶固定不動的地面氣象登陸器於2016年1月發射。它還提議包括第二輛漫遊車，火星天體生物學發現－收集者（MAX-C）。
在2009年8月，宣布了俄羅斯聯邦航天局和歐洲航天局簽署了一項合約，其中包括在兩個火星探測專案上的合作：俄羅斯的福布斯－土壤和歐洲航天局的火星探測計畫（ExoMars）。具體來說，歐洲航天局獲得俄羅斯的質子運載火箭做為火星探測計畫漫遊車的一個"備用發射器"，其中也包含了一些俄羅斯製造的零件[18][19]。
在2009年12月17日，ESA當局正式批准了與NASA合作，分成兩部分的火星探測計畫。承諾在2016年和2018年執行的計畫預算確定為8億5千萬歐元（12億3千萬美元）[20]。
在2011年4月，由於預算危機，提案取消伴隨的火星天體生物學發現－收集者漫遊車，因而在2018年將只有一輛漫遊車與大型飛行器的概念[21]。一項建議是新的漫遊車將在歐洲建造，和攜帶歐洲和美國的儀器。NASA將提供運載火箭將之送往火星，並且提供如同空中吊車著陸系統。儘管建議重新組合，但2018年的任務機會目標大致沒有改變[21]。
歐巴馬總統公佈了2013年的預算，由於詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的支出成本超出了預算，NASA因此削減預算，終止參與火星探測計畫[22][23]。由於NASA完全退出了這個計畫，不再挹注的資金，這個計畫不得不大幅度的重組[13][24]。
在2013年3月14日，歐洲航天局和俄羅斯聯邦航天局簽署一項協定，俄羅斯成為全面合作的夥伴。俄羅斯聯邦航天局將提供兩次任務的質子運載火箭和最上一節的Briz-M與發射的服務[25]，以及其它漫遊車在2018年任務進入、下降和著陸模組[7] Under the agreement, Roscosmos was granted three asking conditions:[26]。
- 俄羅斯聯邦航天局將貢獻兩艘質子運載火箭，做為付款的合作夥伴關係。
火星微量氣體任務衛星（TGO）的有效酬載應包括最初為福布斯－土壤開發的俄羅斯儀器[4][7][27]。- 所有的科學成果必須是歐洲航天局和太空俄羅斯聯邦航天局的智慧財產（即俄羅斯聯邦航天局將獲得完整的研究資料[28]）。
當時的狀況
2015年在劍橋科學節展出的火星探測計畫漫遊車的原型。
儘管2016年的階段看起來是安全的，但在2016年1月宣布，當前的財務狀況可能會使2018年的任務要延遲2年[29][30]。義大利對火星探測計畫的貢獻最大，英國是任務的第二大的金融靠山[31]。俄羅斯的火星探測計畫融資可以由福布斯－土壤損失的保險支付部分，大約是12億盧布（4070萬美金）[26]，和重新分配與調整用於Mars-NET和火星探測計畫的資金[32][33]。在2013年1月25日，俄羅斯聯邦航天局支付了火星微量氣體任務衛星（TGO）第一次飛行的全部科學儀器發展費用[34]。
到目前為止，最初歐洲航天局已經挹注火星探測計畫10億歐元（13億美金），但是NASA的撤出和合資企業的重組，隨後可能將添加數億歐元的支出[5]，所以在2012年3月，該機構會員國的行政部門已經指示，看看要如何才可以弭補此一不足[35]。一個可能是歐洲航天局的其他科學活動稍微退讓一下，使火星探測計畫獲得優先[5][36]。在2012年9月，歐洲航天局宣布它的新成員，波蘭和羅馬尼亞，將貢獻7000萬歐元資助火星探測計畫[37]。儘管是在一個相對次要的角色，歐洲航天局並沒有排除NASA重回2018火星探測計畫的可能性 [5][9][38]。
截至2014年3月，主導火星探測計畫漫遊車製造的空中巴士防務及航太公司英國分公司，已經開始採購關鍵的零件[31]。2018漫遊車一億歐元（1.38億美金）的資金仍然短少[31]，由加拿大航天局支付的車輪和懸吊系統現在已經開始在加拿大的MDA製造[31]。
在過去幾年中，經歷了一系列的災難之後[39][40]，在2015年質子M型運載火箭發射了100架次，有10次的失敗，因此有些人關注兩次火星探測計畫都由質子運載火箭發射的可靠性[41][42]。
2016火星微量氣體任務衛星的發射
火星微量氣體任務衛星（TGO）在2016年3月14日發射（從08:30GMT直播）[1][43][44]。10小時後，第四節火箭點燃，將人造衛星的軌道器和下降模組釋放。在同一天的21:29GMT，接收到來自人造衛星的訊號，證實發射完全成功，在前往火星路途上的太空船整體都處於良好的狀態[45]，預計在2016年10月19日登陸火星。
任務目標
科學的目標依優先順序如下[46]：
- 尋找在過去或現在的火星生命可能的生物標記。
- 確定火星淺層地表下火星的水和地球化學與深度相關的分布狀態。
- 研究表面環境並研判對未來載人火星任務的危害性。
- 探討這顆行星表層和深層的內部，以更好的理解其演化和適居性。
- 逐步實現最終將火星樣本取回的任務。
發展的技術目標是：
- 增加登陸火星的酬載。
- 在火星上利用太陽電力。
- 利用鑽孔機能夠收集地下深度達到2米（6.6英尺）的樣品。這個深度的岩石不會受到紫外線、氧化與高能離子分解[47]。
- 開發有地表勘探能力的漫遊車。
任務架構
在目前的計畫中[48][49][50][51]，ExoMars將由三個或四個探測器構成，並由兩座火箭在佛羅里達州發射：
| 貢獻單位 | 2016年發射計畫 | 2020年發射計畫 |
|---|---|---|
 | 發射載具：Atlas V 411 | 發射載具：Atlas V 551 |
火星微量氣體任務（未定） | 登陸系統：火星科學實驗室的太空吊車 | |
| 65 kg 火星天體生物學發現－收集者（Max-C）探測車 | ||
火星微量氣體任務（TGM）衛星 | 270 kg ExoMars | |
| 600 kg固定式氣候測站 | ||
| 控制進場、下降和著陸系統（Entry, descent and landing system, EDL） |
2016年發射計划
火星微量氣體任務
火星微量氣體任務衛星
火星微量氣體任務（Mars Trace Gas Mission, TGM）衛星預定在2016年1月發射[47]，將搭載1台ExoMars固定式登陸氣象測站，並將繪製出火星甲烷和其他氣體來源地圖，以協助選擇2018年發射的ExoMars火星車登陸地點。火星大氣層出現甲烷激起許多人的興趣，因為這可能是火星至今仍有生物活動或地質活動的證據。火星車於2018/2019年到達後，衛星將改用低軌道，並增加資料傳輸中繼衛星的用途。該衛星也許可以進行延伸任務至2020年代[50]。
2016年3月14日，歐洲太空總署與俄罗斯联邦航天局合作研發的火星微量氣體衛星成功發射，該衛星將分析火星大氣層，並將運載斯基亞帕雷利演示登陸器至火星進行登陸。[52]
固定式登陸測站
最初計劃中的固定測站是會使用11個儀器組成的「洪堡酬載」（Humboldt payload）[53]以進行火星內部深處的地球物理調查，但在2009年第1季的復審後被要求向下修正，因此洪堡地球物理組件全數遭到取消[54]。雖然目前和NASA合作並通過新的酬載複審，決定將使用兩座火箭發射所有系統元件；但覆審中決定先發射使用ESA技術的降落與登錄系統技術登陸測站，使酬載量將受到明顯限制[55]。
控制進場、下降和著陸示範模組將使歐洲國家擁有在火星表面降落時進行可控制定向著陸與接地速度的技術。進入火星大氣層之後該模組的杜卜勒雷達高度計和慣性測量單元會使模組展開降落傘和啟動一連串的定向、導航與控制系統以完成登陸。之後該系統將以on-off模式啟動多個推進器控制閥使液壓推進系統進行半軟式的著陸[56]。
該登陸測站被預期將在火星表面以電池的多餘電力使用短時間（約8個火星太陽日）[56]。預定登陸地點是子午線高原（Meridiani Planum），因為當地地形相當平坦，並無許多岩石，是使用氣囊系統進行登陸的理想地點[55]。
2020年發射計畫
目前的計畫建議使用NASA開發的太空吊車控制進場、下降和著陸系統（Entry, descent and landing, EDL）以將2台火星車一起送到火星表面[47]。
如果有2台火星車在火星表面同一地點，將可在科學研究與儀器上進行互補，以減少資源重複。在同一地點操作兩台火星車的優點如後：兩台火星車互相拍攝、類似地質探測目標交叉分析、可能包含MAX-C火星車上的低頻透地雷達和接收ExoMars上的WISDOM透地雷達以建立火星車之間地下構造圖、MAX-C也許可以從ExoMars取得和收集最有科學研究價值的地下土壤樣本[47]。
ExoMars探測車
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ExoMars火星車是一台六輪高自動化的越野車，重量約270公斤，比NASA的精神號和機會號火星探測漫遊者重約100公斤[57]。暫定計劃考慮將重量降低至207公斤[58]。酬載儀器將包含一個10公斤的「巴斯德酬載」（Pasteur Payload）和一個2公斤的鑽孔機[59]。
ExoMars的運送模組將在太空吊車登陸系統能夠以高準確度進行軟著陸後，以雙曲線軌道傳送降落模組到火星。當安全登陸火星表面後，火星車將以太陽能進行為期180個火星太陽日（6個月）的任務。為了解決因為通訊延遲造成的遙控上的困難，EoxMars將使用視覺地形導航的自動控制程式，該系統從安裝在柱子頂端的全景攝影機和紅外線攝影機取得壓縮的立體影像，並有獨立維持功能。該系統可以從一對導航用的立體相機建立數位地讀，並可自動找尋路線。避免近迫碰撞的攝影機系統則是用來確保火星車的安全，可使火星車每日行進約100公尺。在登陸艇被釋放以及登陸火星表面以後，火星微量氣體任務衛星將作為火星車的通訊中繼衛星[50]。
MAX-C探測車
火星天體生物學發現－收集者（Mars Astrobiology Explorer-Cacher, MAX-C）探測車示意圖
在目前的計畫中，ExoMars將和另一個較輕的NASA火星車，火星天體生物學發現－收集者（Mars Astrobiology Explorer-Cacher, MAX-C）一起發射[49][60][61]。這將是首次有兩台火星車在火星同一個地點探測，以互為補充。例如兩台火星車可組成雙基式雷達（bistatic radar）。MAX-C火星車將收集、分析以及儲存最有研究價值的資料以作為未來將樣本取回地球之用。
發射載具
在與NASA的合作案中，NASA將提供兩座Atlas V火箭，分攤ExoMars系統的重量[51][62][63]。
ESA和俄罗斯联邦航天局已經有ExoMars的合作協議，包含備用的發射載具和提供酬載儀器做為任務的支持[63]。備用的發射載具是質子號運載火箭[19]；這是一款四級的火箭，曾用來發射禮炮6號、禮炮7號、和平號太空站和國際太空站的部份組件。
登陸系統和候選登陸地點
如果該計畫將與NASA合作，將會使用配合火星科學實驗室開發的天空吊車進行登陸[64]。
馬沃斯峽谷因為有火星可能曾經存在水的線索而成為登錄候選地點之一。
在2007年11月，可能的登陸地點如下[65]：
- 馬沃斯峽谷
- 尼利槽溝
- 子午線高原
- 霍頓撞擊坑
- 蓋爾撞擊坑
2009年時在火星表面發現了甲烷的來源，而這些區域成為相當值得探索的地點[17]。甲烷在火星出現激起了許多人的興趣，因為這可能來自火星表面的生物或地質活動；且不論原因為何都是相當重要的發現。甲烷是在廣泛分布的熱柱區出現，這表示甲烷在分散的區域中被釋放。資料顯示可能有兩個區域是火星甲烷的來源：第一個是中心靠近30° N, 260° W的區域；第二個則靠近0°, 310° W[66]。為了選擇最佳的登陸地點和可靠的通訊，現已決定將火星微量氣體任務在2016年發射，以事先將甲烷的季節產生量繪製成分布圖[67]。探測車即可探測衛星判定的甲烷來源區。
ExoMars探測車儀器
火星现在的環境對於生物在表面繁殖是相當不利的：火星表面太過於乾冷，且表面暴露於強烈的紫外線和宇宙射線。儘管有這些險惡條件，低階的微生物仍可能生存於被保護的地表下或者是岩石縫隙甚至岩石內[67]。ExoMars將使用多種科學儀器進行環境生物物理、火星過去與現在的適居性和可能的火星表面生物特徵研究。ExoMars首次的科學儀器提案（2004年）如下[68]：
攝影系統
ExoMars上的全景攝影系統(Panoramic Camera System, PanCam)是用來合成數位地形圖作為火星車導航與顯示火星岩石表面可能的古生物活動造成的地質特徵。該系統有兩台廣角攝影繼拍攝多光譜立體全景影像，以及一台高解析度攝影機拍攝高解析彩色影像[69][70]。PanCam也可拍攝難以到達區域的高解析度影像的方式支援其他儀器的科學量測；例如撞擊坑或岩壁。另外，也可以協助進行太空生物學研究最佳地點的選擇。
鑽孔機
ExoMars上的鑽孔機可以取得最深2公尺的土壤樣本，可適用於各種土壤。鑽孔機可取得土壤或岩石的岩心樣本（約直徑1公分，長度3公分大小）並將樣本帶到火星車的樣本盒內進行分析。鑽孔機內裝設了火星表面下研究多光譜攝影機(Mars Multispectral Imager for Subsurface Studies, Ma-Miss），這是一台小型的、可探測鑽孔的紅外線攝譜儀。該系統將進行兩個完整的垂直鑽孔2公尺深實驗循環（每次取得4份樣本）。這表示至少將取得17份樣本並進行後續分析[71]。
分析儀器
以下ExoMars上的儀器將用來研究收集到的樣本[72]：
火星有機分子分析儀（Mars Organic Molecule Analyzer, MOMA）包含一個雷射脫附離子源和氣相層析質譜分析儀。雷射脫附離子源可以使有機分子蒸發，即使該種分子並非揮發性。氣相層析質譜分析儀則可以用氣相層析的方式分離出高揮發性的小分子。最後分析出來的分子將以四極離子阱進行分析。
紅外線攝譜儀（Infrared imaging spectrometer, MicrOmega-IR）可以使用紅外線光譜分析以鑽孔機收集的礦物粉末。可使用該儀器對礦物組成進行詳細研究以了解火星某區域的地質演進、構造以及成份。這些資料將會是了解火星過去和現在地質作用和環境的關鍵。因為該儀器也有攝影的功用，也可使用該儀器來確定火星表面特定的砂石顆粒，並且可將這些砂石作為火星有機分子分析儀和拉曼光譜儀的觀測目標。
火星X射線繞射儀 (Mars X-Ray Diffractometer, Mars-XRD) - X射線的粉末繞射可以精確測定晶體礦物的成分[73][74]。該儀器包含一個X射線熒光光譜儀以分析礦物內原子組成資訊[75]。
拉曼光譜儀 (Raman spectrometer, Raman)將作為紅外線攝譜儀的補充，以提供地質和礦物成分資訊。拉曼光譜儀可以有效判定形成過程和水相關的礦物[76][77][78]。
透地雷達，又稱為WISDOM（Water Ice and Subsurface Deposit Information On Mars），將用來探測火星表面以下狀況以判定地層和選擇適合的地層進行取樣本分析[79]。該系統使用兩個位於車體後半部上方的小型韋瓦第天線（Vivaldi-antenna）。進入地下的電磁波會在土壤電磁參數突然改變的地方反射；科學家可依照電磁波反射狀況以建立地表下可能的地層圖和選定地表下2至3公尺的探測目標，以配合鑽孔深度最深可達2公尺的鑽孔機。探測資料將與全景攝影機和收集的樣本分析資料整合以幫助進行鑽孔探測[80]。
火星表面下研究多光譜攝影機（Mars Multispectral Imager for Subsurface Studies, Ma-MISS）是依台裝在鑽孔機內的紅外線攝譜儀。Ma-MISS可以觀測鑽孔機所鑽出的孔壁以研究地層、確定地球物理環境、形成與水相關礦物的分布與狀態。Ma-MISS分析未暴露在表面物質的資料和光譜儀取得的資料將是研究火星岩石如何形成的決定性資料[81]。
自動導航
ExoMars火星車的設計可以在火星表面自動導航。一對立體攝影機讓火星車可以建立火星表面的3D地形圖，其使用的導航程式可以用來判定周圍地形讓火星車能避開阻礙與找出最有效率的路線[82]。
參見
- 天體生物學
火星天體生物學發現－收集者（Mars Astrobiology Explorer-Cacher, MAX-C rover）- 火星生命
火星微量氣體任務（Mars Trace Gas Mission）
參考資料
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外部連結
- ExoMars Main Site
- ESA Main site
Raman-LIBS spectrometer for ExoMars[永久失效連結] Combined Raman-LIBS spectrometer for ExoMars at TNO
EADS Astrium ExoMars Rover Vehicle[永久失效連結]
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