欧空局默认最新火星着陆器着陆失败：究竟哪个环节出了错？ ...

火星 · 2016-10-31 09:32:13

出品：科普中国　　制作：新浪探索团队晨风　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

2003年欧洲由“火星快车”探测器携带并释放的“猎兔犬-2号”着陆器，该着陆器在降落后失踪，直到12年后才由美国的探测器从轨道上拍摄的高清图像找到

正在进行震动测试的欧空局“痕量气体轨道器”(TGO)和“斯恰帕拉利”着陆器　　北京时间10月25日消息，美国宇航局正在火星轨道运行的“火星勘测轨道器”(MRO)昨天已经在欧洲空间局(ESA)的“斯恰帕拉利”(Schiaparelli)着陆器预定着陆地附近拍摄到一处新出现的黑色斑点。在最新举行的媒体发布会上欧洲空间局相关人士一再回避关于这颗着陆器是否已经坠毁的提问，但大家心里基本都有了答案：这颗着陆器已经坠毁，任务失败。欧空局事实上也已经默认了这一点。

美国宇航局火星勘测轨道器拍摄的最新图像上可以看到在欧洲空间局“斯恰帕拉利”着陆器的预定着陆点附近，新出现了两个斑点。其中一个位于画面南侧，较为明亮，应该是降落伞，而在其北侧大约1公里处，一个明显的黑色斑点极有可能是着陆器快速撞击地面并发生爆炸后的痕迹　　“斯恰帕拉利”着陆器于2016年10月19日国际标准时14:42分(北京时间10月19日22:42)开始接触火星大气层。在随后的6分钟时间内，它将完成一系列自动程序动作并着陆到火星表面，但在着陆之前，地面失去了与这颗着陆器的联系。根据欧空局对外公布的说法，目前正在火星轨道飞行的“斯恰帕拉利”着陆器母船——TGO(痕量气体轨道器)已经接收到着陆器下降过程中的相关工程数据，地面科学家和工程师正对此次着陆过程开展分析。　　而与此同时，根据事先计划，美国宇航局的“火星勘测轨道”(MRO)搭载的低分辨率CTX相机在10月20日对“斯恰帕拉利”的预定着陆区进行了成像，在22日对外发布的高清图像(每像素6米)中可以看到，相比该飞船在今年5月份拍摄的同一区域图像，该区域地面上多出了两个物体。　　其中一个点反光度较高，该物体可能是“斯恰帕拉利”着陆器直径12米的降落伞，另一个点看上去是一个黑色斑点，边缘模糊，大小大约是15X40米，位置大致位于降落伞北侧约1公里。外界普遍认为这可能就是“斯恰帕拉利”着陆器高速坠毁时在地面上留下的撞击痕迹。自此，尽管欧空局迄今为止一直未有对外正式宣布“斯恰帕拉利”着陆器已经坠毁，但整件事情基本上可以说已经尘埃落定了。

究竟发生了什么？　　此次抵达火星的“痕量气体轨道器”(TGO)和斯恰帕拉利”着陆器是欧洲执行的ExoMars项目的第一阶段，该项目一共分为两期，第二期将在2020年将欧洲第一辆火星车送往火星表面。该项目的主要目的是搜寻火星表面过去或现在可能存在生命的迹象，并评估火星地表水圈与地球化学环境的演变，调查火星大气内痕量气体的浓度与来源。比如此前的研究显示火星大气中含有甲烷气体，这种气体在大气中应当会因为容易分解而无法长期存在，因此火星大气中存在甲烷气体的事实表明一定有某种来源在不断向火星大气中补充甲烷气体。而甲烷气体的重要产生机制便是生命活动的产物，ExoMars计划的执行将帮助科学家们最终查明这些问题的答案。　　在欧空局20日举行的新闻发布会上，欧空局和ExoMars项目的相关负责人回应了来自媒体的一些问题，其中不乏一些相当尖锐的问题。比如来自BBC等媒体的记者多次直接提问，要求欧空局相关负责人回应，有多大可能性，可以认为“斯恰帕拉利”着陆器已经坠毁。但很显然，出于未来项目经费申请以及公共影响等相关考虑，欧空局相关负责人一直回避直接回答该问题，而是不断强调本次任务的主要目的已经达到，即欧洲已经成功地将TGO轨道器送入火星轨道，而“斯恰帕拉利”着陆器只是一颗试验性的着陆器，目的就是技术验证，何况TGO飞船已经采集到“斯恰帕拉利”着陆器下降过程中的大量工程学数据，因此整个任务是一个“完全的成功”，并且多次强调目前断言任何结论都还为时尚早。　　但尽管欧空局表示目前科学家们仍然在对相关数据进行分析，得出任何结论目前都为时尚早，并且承诺在数据分析完成后将尽快对外发布结果。但在20日的发布会上仍然能够获得一些大致的情况。2003年欧洲由“火星快车”探测器携带并释放的“猎兔犬-2号”着陆器，该着陆器在降落后失踪，直到12年后才由美国的探测器从轨道上拍摄的高清图像找到　　哪个环节出了错？　　由于火星与地球之间的距离遥远，通讯会存在数分钟的延时，因此在探测器着陆的大约6分钟时间里，它必须完全依赖于预设的计算机程序，独立完成整个过程，在着陆过程中如果发生任何意外状况，地面基本完全是无能为力的。这种几乎是赌博的做法也是火星着陆最大的风险之一。　　按照预定计划，“斯恰帕拉利”着陆器在10月16日脱离母船“痕量气体轨道器”(TGO)。与着陆器分离之后大约12小时，母船TGO开始执行航向修正以避免与火星大气层碰撞并继续向前飞行，准备进入火星轨道。　　3天之后，10月19日国际标准时14:42分，“斯恰帕拉利”着陆器开始进入火星大气层，执行所谓“进入、下降与着陆”(EDL)程序，此时“斯恰帕拉利”距离火星地表的高度约为121公里，飞行速度约每小时2.1万公里。　　在接下来的3~4分钟时间里，着陆器与火星大气之间的剧烈摩擦将让飞船大大减速，而在此期间，着陆器前方的隔热罩将会保护着陆器不至于被摩擦产生的高温烧毁。其表面涂覆的隔热材料将在烧蚀过程中熔化并蒸发，从而带走热量，保护内部设备。　　当速度下降到1700公里/小时以下，“斯恰帕拉利”着陆器距离火星表面高度大约11公里，此时主降落伞将被打开，开伞时间不超过1秒。在降落伞作用下，着陆器将进一步减速并在大约40秒的时间内让飞船的震动平复下来，随后飞船前方的隔热罩将被抛掉。　　降落伞会将着陆器的速度减至250公里/小时，随后飞船的后盖(包括上面连着的降落伞)将一同被抛掉。此时“斯恰帕拉利”着陆器完全暴露于火星大气中，继续下降。　　紧接着，着陆器四周安装的三组联氨反推发动机将启动以进一步稳定并控制下降速度。下降雷达开机并开始测量飞船与地面之间的高度。当距离地面只剩下大约2米的时候，“斯恰帕拉利”着陆器将进行短暂的空中悬停，随后关闭反推发动机并让着陆器以自由落体形式落到地面上。　　如此，在着陆时探测器下坠的仍然将有每秒数米的速度，为了缓解最后阶段自由落体时的震动，飞船底部安装了类似汽车减震装置的可压缩部件，从而防止飞船在坠地时受到损坏。　　整个“进入、下降与着陆”(EDL)程序持续时间不到6分钟。但是在这6分钟时间里可以发生很多事。究竟发生了什么？　　就目前所知晓的一些信息，欧空局已经得到了一些初步分析结果。专家认为一直到着陆器打开降落伞为止，整个程序还都是完全正常的，但就在降落的最后阶段故障发生了：着陆器显然提前抛掉了降落伞，数据显示反推发动机已经启动，但其工作时间显然偏短：按照正常程序，反推发动机应当工作30秒左右，但实际上它可能只工作了3~4秒，远远短于预设时间。于是，这颗着陆器并未按计划在距离地面大约2米的高度，而是在2~4公里的高度上便开始了自由落体，如此其接触地面时的速度将会高达300公里/小时，这将造成猛烈撞击，而美国宇航局的MRO飞船拍摄的图像上可以看到相当明显的撞击点，也证明撞击发生时有大量地面物质被溅射出来。当然还有很大的可能性就是“斯恰帕拉利”着陆器在撞击地面时发生了爆炸和起火，因为它携带有几个燃料箱，考虑到它在如此高的高度上就已经关机，其中应该还会剩余相当多的燃料。　　为何会出现这样的故障？目前还需要等待欧空局进一步的消息。何时会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，按照计划美国宇航局MRO探测器搭载的高清相机将拍摄坠毁地点的高分辨率图像，届时我们将能够更加清晰地目睹现场所发生的情况。　　登陆火星之难　　一艘轨道器携带一艘着陆器抵达火星，随后向火星地表释放着陆器。最后的结果是轨道器成功进入轨道，而着陆器出现故障。对于欧洲而言，这样的一幕并非首次发生。　　2003年，欧洲首个火星探测器“火星快车”(Mars Express)轨道器释放的由英国研制的“猎兔犬-2号”(Beagle-2)着陆器在降落的最后过程中失去联络，下落不明。直到将近12年后的2015年，“猎兔犬-2号”才在美国宇航局的火星勘测轨道器(MRO)拍摄的高清图像上被识别出来。　　如今欧洲的第二次火星登陆尝试再次以失败告终，人们在惋惜之余充分感受到登陆火星的高难度。上世纪美苏冷战期间两国除了在载人航天和登月等方面展开激烈争夺之外，在火星也曾经上演互相比拼的大戏。　　从1960年一直到1991年解体，苏联一共向火星发射过17次探测器，但其中只有3次获得了部分成功，而其中的着陆尝试则全部以失败告终。相比之下，美国的成功率要高得多，从1964年开始到今天，美国已经执行了20多次火星探测任务，成功率在60%左右。而从全球整体来看，自20世纪60年代以来，国际上一共实施了大约42次火星探测任务，成功率大约52%。　　实现火星着陆需要先进的飞控程序，精确的计算和超远距离上的测控能力。当然另外还需要长期火星探测中所积累的关于火星大气性质与空气动力学方面的大量数据和经验。由于火星拥有稀薄的大气层，因此在着陆时通常有三种做法：最早一种，也是从月球项目衍生的产物，以美国1970年代执行的海盗号项目为代表，采用降落伞和反推发动机为减速手段，实现探测器在火星表面的软着陆，此次欧洲的斯恰帕拉利着陆器所采用的也正是这种做法；第二种方式是最早在1996年由美国的火星探路者(Mars Pathfinder)探测器上所采用的充气气囊弹跳方式，那次任务中还携带了世界上第一辆火星车，后来的第二代火星车勇气号和机遇号也均采用了相似的气囊弹跳着陆方式；而最新的火星车“好奇号”由于体积质量过于庞大，美国宇航局设计了全新的方式，也就是第三种火星着陆方式：所谓的“天空起重机”(skycrane)，它先是采用降落伞为探测器减速，随后在抛离隔热罩之后，由一台安装反推发动机的悬吊装置将好奇号火星车稳稳地悬吊并放置到火星表面上。目前只有美国成功进行过全部三种着陆方式并在技术上日臻成熟。　　相比之下，俄罗斯、欧洲、日本甚至印度，尽管都发射了火星探测器，但都是轨道器，欧洲尝试了两次着陆，最后都以失败告终。　　2020展望与人类的火星未来　　2020年将是一个火星探测的高峰年。如果此次“斯恰帕拉利”着陆器的失利以及经费短缺等方面的困难没有对欧空局造成过多的干扰，ExoMars项目能够按计划执行，那么2020年欧洲将发射该项目第二阶段的欧洲首辆火星车。而美国方面在2018年执行“洞察”(Insight)号火星着陆器计划之后，也已经决定将在2020年发送一辆火星车，再加上我们国家前不久已经正式宣布立项2020年的火星探测项目，其中将包括一次性完成“绕、落、巡”三步，即一次性发射一艘轨道器、一艘着陆器并释放一辆火星车，这在世界火星探测历史上都是前所未有的。　　如果这些项目都能够按照计划进行，那么到2020年时，就将出现中国、欧洲和美国在同一年发射火星车的景象，这些火星车将在很短的间隔内相继抵达火星。这将是第一次在这颗红色星球上同时有来自不同国家的漫游车开展工作，一改长期以来美国垄断整个火星表面巡视探测的局面。　　最后，印度在2014年成功实现亚洲国家首次环绕火星探测(“曼加里安”号)之后已经宣布，该国计划在2020年发射“曼加里安-2号”(Mangalyaan-2)，其设计方案为火星轨道器，但印度方面也指出，该计划中有可能最终会包括一颗着陆器和一辆火星车。如果该计划得以顺利执行，那么火星上的交通看起来会更加“拥挤”了，要知道按照一般“惯例”，尽管美国的机遇号火星车幸存到2020年之后的可能性不大，但目前正在火星盖尔陨坑里忙着攀登夏普山的美国好奇号火星车还是有很大的可能性将会持续工作到2020年以后的。　　如果情况的确如此，那么在最乐观的情况下，在2021年前后火星上将出现同时有来自美国、欧洲、中国和印度的5辆火星车一同工作，这将会是令人兴奋的有趣场面。　　当然，正如历史已经教会我们的，也正如欧洲的航天人们在2003年和前不久刚刚所经历的那样，火星着陆绝对不是一件容易的事，而是一项充满着风险和未知的挑战，但正是50多年来我们的先辈们坚持不懈的尝试和努力，才让今天的我们对于这颗红色星球有了前所未有的深入了解。　　在未来20~30年内，人类的宇航员将有很大可能首次踏足这颗星球，这将是人类中的成员首次踏上另外一颗行星的表面，这将是一件具有划时代意义的伟大里程碑，因为它标志着人类作为一个物种，正朝着成为“太空物种”或“多星球物种”迈出坚定步伐。从目前的情况来看，人类最早一批登陆火星的宇航员们应该已经出生了，他或她现在应该就在中国或者美国的某地，读着小学、初中或者高中，在学校里勤奋努力学习着。这个他，或者她，会是屏幕前的你吗？

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