ExoMars

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ExoMars
ExoMars prototype rover 6.jpg
2009年的ExoMars模型
所属组织 ESA, NASA
任务类型 軌道環繞衛星、登陸艇和兩台探測車
入轨时间 2017年和2019年
发射时间 2016年和2018年在美國佛羅里達州
发射手段 兩座Atlas V火箭[1]
任务时长 固定式登陸艇約數日[2]。ExoMars火星車至少6個月;MAX-C火星車1年。
官方网站 ExoMars programme
质量 TGM: 3,130 kg;[3] Lander: 600 kg;[4] Rover: 270 kg;[5] MAX-C rover: 65 kg.[6]
功耗 太陽能

ExoMarsExobiology on Mars)是一個由ESANASA進行的非載人火星探測任務。原計畫是一個火星車和固定式的研究站;原訂在2011年由聯盟號運載火箭發射[7]。後來在2009年7月NASA和ESA提出的火星探測聯合任務(Mars Exploration Joint Initiative, MEJI)計畫中,ExoMars推遲發射時間,並與另外兩個計畫合併成一個多探測器的計畫,將使用兩座Atlas V火箭發射[4]火星微量氣體任務(Mars Trace Gas Orbiter, TGM)被併入該計畫,該探測船將搭在一個固定在火星表面的觀測站在2016年發射。2018年ESA的火星車將發射,並可能會與體積較小的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[6]

背景與任務歷史[编辑]

該計畫自2000年代早期開始就碰上許多政治和財政上的問題。該計畫原始概念是ESA的旗艦任務-曙光女神計劃的一部份,是一台大型的機械探測車,且該計畫在2005年12月由歐洲的太空相關機構批准。該計劃原本在2011年發射,但該計畫重要成員國義大利因為財政因素造成了該計畫的第一次推遲。

2007年加拿大麥克唐納·迪特維利(MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd., MDA)宣布它們獲得一紙EADS Astrium的一百萬歐元合約為ESA進行將用於ExoMars火星車的底盤的開發[8]

2009年7月NASA和ESA同意進行新的火星探測聯合任務(Mars Joint Exploration Initiative),明顯改變了ExoMars任務的財政和技術狀況。同年6月19日,當該火星車仍計畫由火星微量氣體任務衛星背負發射時,報告表示ExoMars可能失去足夠的重量以配合與NASA的衛星一起用Atlas火箭發射[9]

2009年8月,俄罗斯联邦航天局和ESA公布將在兩個火星探測計畫進行合作:俄羅斯的福布斯-土壤和ESA的ExoMars。尤其ESA確定可在包含俄羅斯製造的酬載時使用質子號運載火箭作為ExoMars的備用的發射載具[10][11]

2009年10月,火星探測聯合任務(Mars Exploration Joint Initiative, MEJI)的一篇報告表示,該探測任務將分成兩部份:2016年先發射一台地面測站和一顆環繞衛星;2018年再發射一台火星車。NASA在這兩部分都扮演相當重要角色,其中包含了使用用兩座Atlas V火箭發射[1][12]。這初步計畫可能明顯地使技術和科學上的目標以及可支配預算達到妥協[12]

2009年12月17日,ESA正式批准了與NASA合作的分成兩部分的火星探測計畫,這個將分成兩部份在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)。另需要在2011年底或2012年初ESA的會議上請求批准1億5千萬歐元的預算以執行任務。但不同於一些ESA的計畫,ExoMars的預算將不含20%的保證金超支[13]

任務目的[编辑]

ExoMars主要的科學任務如下[14]

此任務必須發展的技術如下:

  • 登陸火星任務的更大酬載。
  • 在火星上利用太陽能。
  • 使用鑽孔機在火星表面下二公尺處收集岩石樣本,這個深度的岩石不會受到紫外線、氧化與高能離子分解[15]
  • 發展探測車在火星表面探索的能力。

任務架構[编辑]

在目前的計畫中[4][6][16][17],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 2018年發射計畫
NASA logo.svg 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
ESA logo.svg 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年發射計畫[编辑]

火星微量氣體任務[编辑]

火星微量氣體任務(Mars Trace Gas Mission, TGM)衛星預定在2016年1月發射[15],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[16]

固定式登陸測站[编辑]

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)[18]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[19]。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[2]

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[20]

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)[20]。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[2]

2018年發射計畫[编辑]

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[15]

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[15]

ExoMars探測車[编辑]

2006年柏林國際航太展(Internationale Luft- und Raumfahrtausstellung, ILA)中的ExoMars舊模型
另一台在2007年巴黎航空展中展示的ExoMars舊模型

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的精神號機會號火星探測漫遊者重約100公斤[5]。暫定計劃考慮將重量降低至207公斤[21]。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[22]

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[16]

MAX-C探測車[编辑]

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[6][23][24]。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[编辑]

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[17][25][26]

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[26]。備用的發射載具是質子號運載火箭[11];這是一款四級的火箭,曾用來發射禮炮6號禮炮7號和平號太空站國際太空站的部份組件。

登陸系統和候選登陸地點[编辑]

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[27]

File:Marwrth Vallis themis.JPG
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[28]

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[1]。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[29]。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[30]。探測車即可探測衛星判定的甲烷來源區。

ExoMars探測車儀器[编辑]

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[30]。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[31]

攝影系統[编辑]

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[32][33]。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[编辑]

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[34]

分析儀器[编辑]

以下ExoMars上的儀器將用來研究收集到的樣本[35]

  • 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。
  • 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[39][40][41]
  • 透地雷達,又稱為WISDOMWater 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[42]。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[43]
  • 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[44]

自動導航[编辑]

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[45]

參見[编辑]

參考資料[编辑]

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外部連結[编辑]