天問·探路火星｜歐洲火星探測：可圈可點，但國際合作波折多

澎湃新聞記者 南博一 實習生 吉文磊

【編者按】

7月23日，中國「天問一號」火星探測器順利入軌，開始奔赴火星。

今年是火星探測的大年，阿聯酋、中國、美國三國將先後向火星發射探測器。作為離地球較近且環境最相似的星球，火星一直是人類深空探測的熱點，尤其是冷戰結束後，火星探測不再是美蘇的專利，越來越多的國家加入這一行列。接下來，澎湃新聞（www.thepaper.cn）推出系列文章，呈現各國或組織火星探測的現狀及未來。

歐洲人很早就對火星這個紅色星球產生了濃厚的興趣。古希臘人2000多年前把這個紅色星球命名為戰爭之神（Mars）；1609年開普勒計算出了火星軌道；20世紀初天文學家安東尼亞迪觀測到火星上有「運河」。

在相當長的一段時間內，歐洲人憑藉著肉眼和望遠鏡對火星做出許多十分有趣的觀察和想像。甚至是在1897年的小說《世界大戰》中，英國作家H.G.威爾士繪聲繪色的描繪出了火星生命的外貌和生理構造。

2003年6月2日，歐空局（ESA）發射的「火星快車」（Mars Express） 號探測器再一次點燃了歐洲人對於火星的好奇心。

歐洲的ExoMars火星探測任務也包括軌道器、著陸器和巡視器。

超長發揮的「火星快車」

「火星快車」包含兩個部分：「火星快車」號軌道探測器和「小獵犬2」號登陸器。儘管這對好夥伴在歷經6個月的旅程後成功抵達火星，但是各自的結局卻大不一樣：「火星快車」2003年12月25日成功進入火星軌道，隨後在次年1月左右成功進入極地軌道（這意味著快車號能夠覆蓋火星全部範圍）；而「小獵犬2」號因無線通訊天線無法展開，在降落至預定著陸點後就和地球失聯。自此，「火星快車」成了歐洲人唯一的希望。

失去夥伴的「火星快車」確實沒有讓人失望，不久之後就給了人類一個大禮：2004年1月23日歐空局宣布，科學家們通過分析「火星快車」收集的光譜數據，證實了火星南極冠存在水冰。

這是人類首次在火星表面發現水分子。在此以前，科學家們對於「火星有水」這一觀點多停留於間接推論層面上，比如有專家分析火星上的一些地表景觀和地球十分類似，它們可能由水流衝擊侵蝕而成；此外2002年美國「奧德賽」號探測器在火星上發現了氫原子，部分專家也認為這些氫原子可能來自於水。而「火星快車」直接利用紅外探測器（OMEGA）檢測到了存在於南極凍土中的水分子。這一發現無疑打開了人們的想像：人類未來移居火星之時很有可能就地取材，直接收集利用紅色星球上已有的水資源。

「火星快車」關於水的重大發現不止於此，2018年7月，義大利科學家利用火星快車號的「地下和電離層探測雷達儀（MARSIS）」，首次發現位於火星南極冰蓋下的液態湖泊，其跨度約為20公里。這是火星上第一個已知的穩定水域。科學家們由此推測火星地表以下存在生命的可能性。但問題來了，火星南極地區年平均氣溫為零下60攝氏度，冰蓋之下的湖泊為何沒有結冰？科學家們解釋可能此湖泊因為存在大量鹽類物質降低了水的冰點。

「火星快車」取得不少探測成果

除了水，「火星快車」還發現了火星存在甲烷。2004年3月30日，「火星快車」迎來了另一個高光時刻：歐空局宣布「火星快車」在火星大氣層中發現了甲烷。這一消息如同一顆重磅炸彈在天文學界掀起激烈討論。

為什麼是甲烷？它有什麼特殊之處？作為最簡單的有機物，地球大氣中的甲烷大多是由各種生命物質分解釋放出來的，例如牛的消化食物時排泄的氣體。因此，火星甲烷的發現讓科學家推測：這個星球上可能真的會有某種「牛」存在過。甲烷的特別之處還在於其揮發時間特別短，但是根據現在掌握數據來看，甲烷在火星上已經存在至少有300年，那麼在這300年中到底是什麼物質源源不斷釋放甲烷呢？也許火星不僅存在過生命，而且在一段時間內數量頗多。

如果把「火星快車」比喻為一個學生的話，那麼這個學生不僅學習成績好，而且還特別勤奮和樂於助人。說勤奮，是因為按照歐洲航天局一開始的計劃「火星快車」在環繞火星一年（即687個地球日）後的2005年12月就可退役。但是作為「全村人唯一的希望」，歐空局硬是通過一頓操作把其壽命和任務延長到2026年，超期服役近20年。說助人為樂，是因為「火星快車」運行的這麼多年來協助了不少其他國家火星探測設備。例如2008年，「火星快車」號在美國「鳳凰」號探測器著陸過程進行實時跟蹤，為地球上的科學家提供大量登陸數據。而在2012年，通過對火星地表觀察的繪製，「火星快車」幫助美國「好奇」號火星車確定了最終著陸點。

可以這樣說，服役多年的「火星快車」為人類火星探索事業立下了汗馬功勞。它不僅在證明了此前人們對於火星的相關推論，還且開闢了後來者（如後來的痕量氣體軌道器）分析研究的新課題。可以說，「火星快車」在21世紀初期的火星探索活動中起到了承上啟下的作用。

與「小獵犬2」號登陸器一樣，「斯基亞帕雷利」著陸器也未能順利登陸火星。

一波三折的ExoMars

雖然「火星快車」號取得了不少探測成果，但並不會讓歐空局感到滿足，更何況此前的「小獵犬2」登陸火星的任務也難言成功。在此背景下，脫胎於2001年「曙光女神」項目的「火星生物學（ExoMars）」任務開始浮出水面。

今年3月，歐空局和俄羅斯航天局宣布原計劃今年7月發射ExoMars推遲至2022年，這是該任務的第六次推遲，其最早計劃在2009年發射。就火星探索而言，有一種各大國都十分追求的「全家桶」模式，即一套完整的火星探索計劃需包含三個部分：軌道探測器，登陸器和火星車。ExoMars一開始只包含登陸器和火星車兩個項目，ESA計劃在2011由俄羅斯的「聯盟」火箭承擔ExoMars的搭載任務。從規劃設計角度來說，這也和當時美國「漫遊者」火星車任務（Mars Exploration Rover）的設計類似。

到了2006年，ExoMars任務進行了更改，增加一個「性價比很高」的軌道探測器，既可以在火星軌道執行探測任務，又可以作為中繼通信的平台。因為「火星快車」在內的幾個服役多年的軌道探測器壽命無法保障，因此發射新的探測器也就成了形勢所需。

不過問題來了：三個項目合併一起後總重量大大增加，已經超過原先「聯盟」火箭的承載能力，而能夠滿足其運載需求的其他火箭價格都很高昂（如歐洲的「阿里安」5火箭的價格就是「聯盟」火箭的兩倍）。之後歐空局將目光轉向俄羅斯，2007年6月，歐空局提議為俄羅斯的火衛任務提供幫助，以換取同樣價格的「質子」號火箭，但俄羅斯拒絕了此提議，任務只好延期。

俄羅斯製造的「哥薩克」號著陸器

2009年，美國宇航局伸來了援手，歐空局與其簽訂了火星探測聯合倡議（MEJI），計劃使用兩枚「宇宙神」5火箭分次承擔發射任務。與此同時，此前拒絕歐空局的俄羅斯態度也開始積極起來，經過協商確定將「質子」號作為火星車發射的備用火箭。作為回報，Exomars火星車上會裝有俄制儀器，且ESA也會為俄羅斯的「福布斯-土壤」任務提供支持。

天有不測風雲，到了2012年，因預算超支，美國宇航局單方面退出了火星探測聯合倡議，使用「宇宙神」5火箭的計劃也無疾而終。在此情況下，備用方案開始登場。「質子」號火箭最終正式成為ExoMars的運載火箭。這個時候，俄羅斯也剛好需要歐空局，因為「福布斯-土壤」探測器發射失敗。在這樣的情況下，歐空局和俄羅斯宇航局於2013年再次達成合作：一是俄羅斯提供兩發「質子-M」火箭和所有發射服務；二是痕量氣體軌道器TGO上攜帶2件俄羅斯本來搭載在「福布斯-土壤」號的儀器；三是所有科學數據共享。

根據歐俄協議，ExoMars任務將利用「質子-M」火箭分兩階段運送火星探測設備：第一階段也叫ExoMars2016，歐空局發射「痕量氣體軌道器」（TGO）和試驗性的「斯基亞帕雷利」EDM著陸器。第二階段也叫ExoMars2018。歐空局的「羅莎琳 德·富蘭克林」火星車（Rosalind Franklin）和俄羅斯的「哥薩克」號登陸器（Kazachok）在2018年計劃發射。

ExoMars任務的探測器都由俄羅斯「質子」火箭發射

歷史總是驚人的相似。歐空局的「痕量氣體軌道器」（TGO）於2016年抵達火星，2018開始掃描火星大氣以尋找甲烷，其攜帶的掩日與天底點光譜儀（NOMAD）和大氣化學光譜測量組合儀（ACS）可監測到低濃度甲烷。TGO重3.7噸，由俄羅斯「質子」火箭發射，其在火星軌道上工作時，光譜儀可觀測火星地表，繪製出火星表面的甲烷熱點地圖；此外，它還可獲得不同海拔高度上甲烷含量的詳細信息。TGO攜帶有600千克重的著陸器「斯基亞帕雷利」號，它被看作是「小獵犬2」號的繼任者。著陸器計劃火星赤道附近的子午線高原著陸，登陸後將依靠電池在火星表面工作數天，但不幸的是，「斯基亞帕雷利」號著陸前失去信號。

而ExoMars的第二階段也進展不順。2016年5月，歐空局宣布因為設備儀器的製造問題，將ExoMars2018延期2年，ExoMars第二階段改名為ExoMars2020。而在2020年3月12日，歐空局和俄羅斯宇航局再次決定將發射計劃推遲到2022年，ExoMars2020再一次變成了ExoMars2022。考慮到不停延期的「傳統」，ExoMars2022年能否真的按時發射，也要打上大大的問號。

總的來說，回顧歐空局這些年來的火星探索任務，雖然成果豐碩，但也「命運多舛」。不過回顧歷史，人類的每一項太空探險活動又何嘗不是「榮光」中夾雜著「傷痕」呢？

責任編輯：謝瑞強

校對：余承君