天问·探路火星｜欧洲火星探测：可圈可点，但国际合作波折多

【编者按】

7月23日，中国“天问一号”火星探测器顺利入轨，开始奔赴火星。

今年是火星探测的大年，阿联酋、中国、美国三国将先后向火星发射探测器。作为离地球较近且环境最相似的星球，火星一直是人类深空探测的热点，尤其是冷战结束后，火星探测不再是美苏的专利，越来越多的国家加入这一行列。接下来，澎湃新闻（www.thepaper.cn）推出系列文章，呈现各国或组织火星探测的现状及未来。

欧洲人很早就对火星这个红色星球产生了浓厚的兴趣。古希腊人2000多年前把这个红色星球命名为战争之神（Mars）；1609年开普勒计算出了火星轨道；20世纪初天文学家安东尼亚迪观测到火星上有“运河”。

在相当长的一段时间内，欧洲人凭借着肉眼和望远镜对火星做出许多十分有趣的观察和想象。甚至是在1897年的小说《世界大战》中，英国作家H.G.威尔士绘声绘色的描绘出了火星生命的外貌和生理构造。

2003年6月2日，欧空局（ESA）发射的“火星快车”（Mars Express） 号探测器再一次点燃了欧洲人对于火星的好奇心。

欧洲的ExoMars火星探测任务也包括轨道器、着陆器和巡视器。

超长发挥的“火星快车”

“火星快车”包含两个部分：“火星快车”号轨道探测器和“小猎犬2”号登陆器。尽管这对好伙伴在历经6个月的旅程后成功抵达火星，但是各自的结局却大不一样：“火星快车”2003年12月25日成功进入火星轨道，随后在次年1月左右成功进入极地轨道（这意味着快车号能够覆盖火星全部范围）；而“小猎犬2”号因无线通讯天线无法展开，在降落至预定着陆点后就和地球失联。自此，“火星快车”成了欧洲人唯一的希望。

失去伙伴的“火星快车”确实没有让人失望，不久之后就给了人类一个大礼：2004年1月23日欧空局宣布，科学家们通过分析“火星快车”收集的光谱数据，证实了火星南极冠存在水冰。

这是人类首次在火星表面发现水分子。在此以前，科学家们对于“火星有水”这一观点多停留于间接推论层面上，比如有专家分析火星上的一些地表景观和地球十分类似，它们可能由水流冲击侵蚀而成；此外2002年美国“奥德赛”号探测器在火星上发现了氢原子，部分专家也认为这些氢原子可能来自于水。而“火星快车”直接利用红外探测器（OMEGA）检测到了存在于南极冻土中的水分子。这一发现无疑打开了人们的想象：人类未来移居火星之时很有可能就地取材，直接收集利用红色星球上已有的水资源。

“火星快车”关于水的重大发现不止于此，2018年7月，意大利科学家利用火星快车号的“地下和电离层探测雷达仪（MARSIS）”，首次发现位于火星南极冰盖下的液态湖泊，其跨度约为20公里。这是火星上第一个已知的稳定水域。科学家们由此推测火星地表以下存在生命的可能性。但问题来了，火星南极地区年平均气温为零下60摄氏度，冰盖之下的湖泊为何没有结冰？科学家们解释可能此湖泊因为存在大量盐类物质降低了水的冰点。

“火星快车”取得不少探测成果

除了水，“火星快车”还发现了火星存在甲烷。2004年3月30日，“火星快车”迎来了另一个高光时刻：欧空局宣布“火星快车”在火星大气层中发现了甲烷。这一消息如同一颗重磅炸弹在天文学界掀起激烈讨论。

为什么是甲烷？它有什么特殊之处？作为最简单的有机物，地球大气中的甲烷大多是由各种生命物质分解释放出来的，例如牛的消化食物时排泄的气体。因此，火星甲烷的发现让科学家推测：这个星球上可能真的会有某种“牛”存在过。甲烷的特别之处还在于其挥发时间特别短，但是根据现在掌握数据来看，甲烷在火星上已经存在至少有300年，那么在这300年中到底是什么物质源源不断释放甲烷呢？也许火星不仅存在过生命，而且在一段时间内数量颇多。

如果把“火星快车”比喻为一个学生的话，那么这个学生不仅学习成绩好，而且还特别勤奋和乐于助人。说勤奋，是因为按照欧洲航天局一开始的计划“火星快车”在环绕火星一年（即687个地球日）后的2005年12月就可退役。但是作为“全村人唯一的希望”，欧空局硬是通过一顿操作把其寿命和任务延长到2026年，超期服役近20年。说助人为乐，是因为“火星快车”运行的这么多年来协助了不少其他国家火星探测设备。例如2008年，“火星快车”号在美国“凤凰”号探测器着陆过程进行实时跟踪，为地球上的科学家提供大量登陆数据。而在2012年，通过对火星地表观察的绘制，“火星快车”帮助美国“好奇”号火星车确定了最终着陆点。

可以这样说，服役多年的“火星快车”为人类火星探索事业立下了汗马功劳。它不仅在证明了此前人们对于火星的相关推论，还且开辟了后来者（如后来的痕量气体轨道器）分析研究的新课题。可以说，“火星快车”在21世纪初期的火星探索活动中起到了承上启下的作用。

与“小猎犬2”号登陆器一样，“斯基亚帕雷利”着陆器也未能顺利登陆火星。

一波三折的ExoMars

虽然“火星快车”号取得了不少探测成果，但并不会让欧空局感到满足，更何况此前的“小猎犬2”登陆火星的任务也难言成功。在此背景下，脱胎于2001年“曙光女神”项目的“火星生物学（ExoMars）”任务开始浮出水面。

今年3月，欧空局和俄罗斯航天局宣布原计划今年7月发射ExoMars推迟至2022年，这是该任务的第六次推迟，其最早计划在2009年发射。就火星探索而言，有一种各大国都十分追求的“全家桶”模式，即一套完整的火星探索计划需包含三个部分：轨道探测器，登陆器和火星车。ExoMars一开始只包含登陆器和火星车两个项目，ESA计划在2011由俄罗斯的“联盟”火箭承担ExoMars的搭载任务。从规划设计角度来说，这也和当时美国“漫游者”火星车任务（Mars Exploration Rover）的设计类似。

到了2006年，ExoMars任务进行了更改，增加一个“性价比很高”的轨道探测器，既可以在火星轨道执行探测任务，又可以作为中继通信的平台。因为“火星快车”在内的几个服役多年的轨道探测器寿命无法保障，因此发射新的探测器也就成了形势所需。

不过问题来了：三个项目合并一起后总重量大大增加，已经超过原先“联盟”火箭的承载能力，而能够满足其运载需求的其他火箭价格都很高昂（如欧洲的“阿里安”5火箭的价格就是“联盟”火箭的两倍）。之后欧空局将目光转向俄罗斯，2007年6月，欧空局提议为俄罗斯的火卫任务提供帮助，以换取同样价格的“质子”号火箭，但俄罗斯拒绝了此提议，任务只好延期。

俄罗斯制造的“哥萨克”号着陆器

2009年，美国宇航局伸来了援手，欧空局与其签订了火星探测联合倡议（MEJI），计划使用两枚“宇宙神”5火箭分次承担发射任务。与此同时，此前拒绝欧空局的俄罗斯态度也开始积极起来，经过协商确定将“质子”号作为火星车发射的备用火箭。作为回报，Exomars火星车上会装有俄制仪器，且ESA也会为俄罗斯的“福布斯-土壤”任务提供支持。

天有不测风云，到了2012年，因预算超支，美国宇航局单方面退出了火星探测联合倡议，使用“宇宙神”5火箭的计划也无疾而终。在此情况下，备用方案开始登场。“质子”号火箭最终正式成为ExoMars的运载火箭。这个时候，俄罗斯也刚好需要欧空局，因为“福布斯-土壤”探测器发射失败。在这样的情况下，欧空局和俄罗斯宇航局于2013年再次达成合作：一是俄罗斯提供两发“质子-M”火箭和所有发射服务；二是痕量气体轨道器TGO上携带2件俄罗斯本来搭载在“福布斯-土壤”号的仪器；三是所有科学数据共享。

根据欧俄协议，ExoMars任务将利用“质子-M”火箭分两阶段运送火星探测设备：第一阶段也叫ExoMars2016，欧空局发射“痕量气体轨道器”（TGO）和试验性的“斯基亚帕雷利”EDM着陆器。第二阶段也叫ExoMars2018。欧空局的“罗莎琳 德·富兰克林”火星车（Rosalind Franklin）和俄罗斯的“哥萨克”号登陆器（Kazachok）在2018年计划发射。

ExoMars任务的探测器都由俄罗斯“质子”火箭发射

历史总是惊人的相似。欧空局的“痕量气体轨道器”（TGO）于2016年抵达火星，2018开始扫描火星大气以寻找甲烷，其携带的掩日与天底点光谱仪（NOMAD）和大气化学光谱测量组合仪（ACS）可监测到低浓度甲烷。TGO重3.7吨，由俄罗斯“质子”火箭发射，其在火星轨道上工作时，光谱仪可观测火星地表，绘制出火星表面的甲烷热点地图；此外，它还可获得不同海拔高度上甲烷含量的详细信息。TGO携带有600千克重的着陆器“斯基亚帕雷利”号，它被看作是“小猎犬2”号的继任者。着陆器计划火星赤道附近的子午线高原着陆，登陆后将依靠电池在火星表面工作数天，但不幸的是，“斯基亚帕雷利”号着陆前失去信号。

而ExoMars的第二阶段也进展不顺。2016年5月，欧空局宣布因为设备仪器的制造问题，将ExoMars2018延期2年，ExoMars第二阶段改名为ExoMars2020。而在2020年3月12日，欧空局和俄罗斯宇航局再次决定将发射计划推迟到2022年，ExoMars2020再一次变成了ExoMars2022。考虑到不停延期的“传统”，ExoMars2022年能否真的按时发射，也要打上大大的问号。

总的来说，回顾欧空局这些年来的火星探索任务，虽然成果丰硕，但也“命运多舛”。不过回顾历史，人类的每一项太空探险活动又何尝不是“荣光”中夹杂着“伤痕”呢？