獵兔犬-2 失而復得

獵兔犬-2 失而復得

美國“火星勘測軌道器”拍攝到的獵兔犬-2

2015年1月16日，英國航天局發(fā)布聲明稱，通過美國“火星勘測軌道器”（MRO）拍攝的高分辨率圖像，在火星表面發(fā)現(xiàn)了10余年前失蹤的英國獵兔犬-2（Beagle-2）火星著陸器。最新圖像顯示，獵兔犬-2降落在預定著陸區(qū)，它的引導傘仍連著著陸器，主降落傘散落在附近，太陽電池板沒有完全展開。這表明，歐洲首個火星著陸器獵兔犬-2已成功降落火星。同日，歐洲航天局局長多爾丹說，這一發(fā)現(xiàn)意味著“11年前被視為失敗的計劃事實證明并非完全失敗……至少在火星著陸”。

1　當年悲喜交加

2 0 0 3年6月2日，歐洲“火星快車”（M a rs Express）探測器由俄羅斯聯(lián)盟-FG火箭發(fā)射升空。它由歐洲“火星快車”軌道器和英國獵兔犬-2著陸器組成,其中，前者的設(shè)計壽命為2年，后者的設(shè)計壽命為2個月。

歐洲“火星快車”軌道器的任務是勘測火星地形、研究火星表面大氣及礦物成分，并以雷達探測火星的水資源存量。它攜帶了7種儀器，可對火星全球進行10m分辨率的攝影地質(zhì)學測繪；對所選擇的地區(qū)進行2m分辨率的攝影測繪；以數(shù)百米至千米級的分辨率對火星全球表面進行礦物學測繪；探測火星大氣環(huán)流特性和大氣成分；探測火星地表下數(shù)千米至永久凍土層的結(jié)構(gòu)特性；對于火星大氣與地表及行星際介質(zhì)間的相互作用進行研究；通過無線電科學試驗對火星內(nèi)部、大氣和環(huán)境進行研究；開展火星表面“地球化學”和外空生物學的研究。

獵兔犬-2著陸器的任務是繪制火星地圖，利用一部功能強大的雷達對火星表面進行探測，尋找火星上有水存在的證據(jù)等。該著陸器質(zhì)量45kg，外型像一個蛤蜊，功能如一只小鼴鼠。這個著陸器不僅能探測地表，甚至能鉆探到地表1m深處，分析土壤年齡、水及礦物含量，分辨出180種鹽分、礦物質(zhì)、水和有機物質(zhì)。此外，該著陸器還可記錄火星大氣溫度、氣壓和風速等有關(guān)數(shù)據(jù)，探測其中是否含有甲烷這一生命新陳代謝所必不可少的排泄物，并將收集到的信息發(fā)送回地球，從而找到火星上存在水的證據(jù)。它也能搜索火星上的碳同位素和水分子，甚至嘗試測算火星巖石的年齡。最吸引人的是，獵兔犬-2上的氣體分析儀能聞嗅火星上的大氣，探測火星生命的“呼吸”。該項目首席科學家皮林格(Pillinger）教授稱：“只要有生命在火星上吸收能量，它們就一定會排放出廢氣，事實上，獵兔犬-2甚至連火星生命放個屁都能偵測到……就算那些生物遠在1000km之外，但只要它們釋放出甲烷或其他氣體到大氣層，我們就會知道得一清二楚。”

獵兔犬-2上約9m長的機械臂用于探測周圍的天氣狀況，其上安裝的大部分儀器設(shè)備都在這個機械臂的末端并呈扇狀展開。安裝在機械臂里的微型光譜儀可利用γ射線探測火星上的金屬元素。根據(jù)探測結(jié)果，科學家能推算出火星上存在水的情況。其鉆頭可以深入火星表層之下，并在不受地表紫外線照射的情況下完成取樣，避免樣品受到污染而影響探測結(jié)果。這個登陸者還會施展一種鼴鼠般的能力，以0.17cm/s的速度在地表短距離爬行，挖掘地洞采集樣品。獵兔犬-2有別于以往其他火星登陸車之處在于,能夠直接檢測出是否存在有機碳，以驗證生命物質(zhì)核心的存在。

“火星快車”軌道器-獵兔犬-2著陸器組合體在接近火星時,即2003年12月19日分道揚鑣。其中歐洲“火星快車”軌道器于2003年12月25日，即圣誕節(jié)進入環(huán)火星軌道，然后開始探測工作，并超期服役至今。它已獲得了大量火星信息,成為歐洲的驕傲；而英國獵兔犬-2著陸器在與歐洲“火星快車”軌道器分離后就失去了聯(lián)系，一直沒有音訊,使英國乃至歐洲航天界百思不得其解。這一得一失，也讓歐洲航天喜憂參半。

目前仍在工作的歐洲“火星快車”軌道器

2　原定設(shè)想美好

歐洲獵兔犬-2著陸器原計劃降落在火星赤道附近一個名為伊希迪斯的大型平坦沉積盆地，這里可能保存有生命的痕跡。獵兔犬-2是在“火星快車”軌道器進入火星軌道的前5天與之分離，然后自由滑行進入火星大氣層。按照設(shè)計，它是先利用火星大氣層磨擦產(chǎn)生的阻力來降低速度；當降到距火星表面一定高度后打開降落傘，使其速度進一步減慢；最終借助氣囊緩沖著陸。如果獵兔犬-2著陸時方向不對，它會打開蓋子翻過個來朝向遙遠的太陽。如果方向正確，它只要打開蓋子，展開太陽電池板即可。

到達火星地面后，獵兔犬-2應像花瓣一樣打開，伸出4個像唱片一樣的太陽電池板，為它提供工作所需的能量。英國布勒樂隊的歌曲將作為成功降落的信號發(fā)回地球。

歐洲航天局為獵兔犬-2確定的著陸地點為一個橢圓型區(qū)域，長60km、寬10km，位于火星10°（N）、270°（W）處。該地區(qū)是一個沉積盆地，如果火星上確實存在過生命，那么生命的蹤跡就可能在此有所保留。到達火星表面后，獵兔犬-2計劃將向火星北部進發(fā)，獨自探索火星的表層，收集礦石標本，最終在一個事先設(shè)定的地點開始探尋生命痕跡的工作。

獵兔犬-2著陸器攜帶的科學儀器有氣體分析包、環(huán)境傳感器、2臺立體照相機、顯微鏡、X射線分光儀、γ射線分光儀、掘地器和巖芯取樣器/研磨器等。其中的立體照相機可用全景鏡頭和寬視場鏡頭來拍攝登陸地點的照片，從而為進一步的探索做出指引，并負責尋找特色巖石；顯微鏡能以很高的放大倍數(shù)，近距離地觀測巖石和土壤，揭示巖石的紋理；X射線和γ射線分光儀負責確定巖石的成分；在其機械臂探測范圍內(nèi)的巖石碎片都會被分析，以確定是否含有機物、水和水沉淀的礦物質(zhì)……其中的巖芯取樣器源于中國香港發(fā)明家兼牙醫(yī)伍士銓的牙科抓鉗工具的設(shè)計理念，這是中國人參與設(shè)計的儀器首次接觸外星土壤。它是一個多功能的太空輕巧用具，質(zhì)量370g，功耗只有2W，可作磨、鉆、挖和抓取土質(zhì)樣本之用。其設(shè)計融合了中國筷子的特性，使儀器可以更靈活地探取經(jīng)鉆磨的石塊樣本，因此獲得歐洲航天局的采納。

獵兔犬-2著陸器所收集到的信息通過“火星快車”軌道器發(fā)送回地面。研究人員希望這次火星探索能找到證明火星上存在水的證據(jù)。但是所有的美好設(shè)想都因為故障化為烏有，它與“火星快車”軌道器分離后就再也聯(lián)系不上了。

獵兔犬-2著陸器在火星著陸示意圖

3　著陸困難重重

火星歷來是一個危險的目的地。50多年來，世界各國先后向火星發(fā)射了40多個各類探測器，但約有1/2的火星探測器都以失敗告終，所以火星被稱為“探測器的墳場”或“死亡星球”。其中，在火星著陸最為危險，這一過程雖然只有6min，但被稱為恐怖的6min。

在著陸火星過程中，火星探測器必須切入火星軌道。其技術(shù)難點首先是要選擇適當?shù)那腥敫叨?。如果探測器離火星過遠，無法被火星引力捕獲，它會掠過火星；如果切入點離火星太近，則可能墜毀于火星大氣層。進入火星軌道的難度相當于從巴黎打一個高爾夫球，正好落到了日本東京的某個球洞里。然后是制動速度的大小和長短，太大或太小，太長或太短都會影響探測器準確進入預定的火星軌道。

在切入火星軌道后，如果要在火星表面著陸，一般是利用火星大氣的阻力作用，使探測器軌道的遠地點逐漸縮小，然后在適當?shù)母叨冗M入大氣層，到達火星表面。這個過程的技術(shù)難度更大。因為在探測器進入火星大氣時離地球很遠，遙測和遙控信號比較微弱，且延時較長。另外，當探測器運動到火星背面時，地球上無法準確地確定其軌道參數(shù)，這就給再入高度的選擇帶來困難。

進入火星大氣層后，探測器防熱措施如何？降落傘、氣囊等能否按程序工作都至關(guān)重要，必須非常精確。另外，火星上的一塊石頭或者一陣狂風都有可能破壞原有的計劃。所以，在火星上的著陸技術(shù)十分復雜，每個環(huán)節(jié)都不能有閃失，否則功虧一簣。

獵兔犬-2設(shè)計的著陸過程：①它在距火星表面120km高處時，以19000km/h的速度（相當于音速的16倍，子彈速度的8倍）沖入火星大氣層；②4min以后，依靠與火星大氣的劇烈摩擦，探測器的速度減為1600km/h，這時探測器的艙外溫度達1400℃，但采用燒蝕材料等技術(shù)可使艙內(nèi)溫度保持在20℃；③在離火星表面8.6km時，探測器打開降落傘，使探測器的速度降為321km/h；④在離火星表面1km時，探測器打開3個氣囊充氣，進行繭式包裝；⑤在離火星表面10m時，切斷探測器與降落傘之間的系繩，被氣囊包裹的探測器自由落到火星表面；⑥著地停穩(wěn)后氣囊放氣，探測器打開。

但是，獵兔犬- 2著陸器沒有闖過這恐怖的6min。此后，英國為搜尋獵兔犬-2成立了代號為“老虎”的專家小組，該小組分析了登陸器的預定著陸區(qū)、進入火星大氣層時的天氣狀況、與“火星快車”分離的過程及其獨自向火星行進的過程，認為失蹤的原因是獵兔犬-2在著陸過程中未及時打開降落傘而墜毀在火星表面。另外，獵兔犬-2似乎也缺乏一點運氣，因為在其著陸前幾天，火星上出現(xiàn)了一次嚴重的塵暴，結(jié)果導致大氣濃度降低?？茖W家認為，獵兔犬-2很可能因此無法借助足夠的大氣摩擦力，使著陸時的速度降低到一定程度，結(jié)果未能及時打開降落傘，從而墜毀在火星表面上。當時，美國“火星全球探測者”探測器拍攝到的圖片顯示，獵兔犬-2的預計著陸區(qū)內(nèi)有一些坑道和巖石。

為此，有人認為，獵兔犬-2也許根本沒著陸火星，而是被彈出了大氣層，進入了環(huán)日軌道。也有人認為，它可能在降落過程中被大氣燃燒殆盡，亦或是到達了火星表面，但卻撞到了超硬的物體。領(lǐng)導這一計劃的英國科學家皮林格教授說，最可能的是“天氣原因”導致火星大氣比預期的要稀薄，致使獵兔犬-2進入火星大氣層后下降過快，登陸器減速傘和緩沖氣囊沒有按計劃打開，或根本沒有打開，最終使獵兔犬-2墜毀火星表面，其氣囊破裂，儀器未正常工作，防熱板破損和天線受損等也可能是造成失去聯(lián)系的原因。另外，歐洲航天局和英國還曾把失敗原因歸咎于這一計劃的資金投入不足和項目管理不善。

雖然歐美尋找了很長時間，包括動用火星探測器、射電望遠鏡等一系列手段，卻始終沒有得到任何結(jié)果，由此認定獵兔犬-2計劃失敗，并引發(fā)一些爭議。在釋放獵兔犬-2時，歐洲“火星快車”拍下其分離時的最后一張照片，之后一切都成為謎團。

獵兔犬-2與“火星快車”軌道器分離示意圖

獵兔犬-2降落火星示意圖

獵兔犬-2項目主管希姆斯展示獵兔犬-2的太陽電池板

歐洲“火星生物學”漫游車著陸示意圖

4　今日柳暗花明

2015年1月16日，英國和歐洲航天局突然宣布，失蹤10余年的獵兔犬-2已經(jīng)被美國航空航天局的“火星勘測軌道器”找到了，它12年前就已經(jīng)成功登陸火星。獵兔犬-2項目主管希姆斯（Sims）說：“獵兔犬-2成功著落火星，我對此感到興奮。從2003年開始，每個圣誕節(jié)我都在想，獵兔犬-2究竟在哪里呢？”其實早在2014年3月，英國科學家就曾表示，獵兔犬-2可能已經(jīng)找到，因為他們從火星軌道器拍到的獵兔犬-2著陸的地方發(fā)現(xiàn)了4個白色的亮點，這顯然是著陸氣囊打開后展現(xiàn)的四個葉片。但當時還沒有定論，而且也有科學家懷疑，那四個白點很可能是拍照失誤造成的。

美國“火星勘測軌道器”拍攝的圖像顯示，該探測器成功在火星表面著陸，但是處于半展開狀態(tài)，所以導致其無法與地球取得聯(lián)系。只有其4個太陽電池板都完全打開時，獵兔犬-2著陸器才能夠展開天線，進而與地球進行聯(lián)絡。

希姆斯表示，如果“火星勘測軌道器”拍攝的確實是獵兔犬-2，就意味著其按計劃完成了復雜的進入、下降及著陸程序，其中包括用降落傘和氣囊減速著陸等。對于推測為什么獵兔犬-2在最初著陸并彈跳約500m后未能成功打開太陽電池板這一問題，希姆斯說：“最可能的是運氣太壞了?！?/p>

目前，人類共有5個探測器在火星軌道工作，那么，為什么花了10余年時間才發(fā)現(xiàn)獵兔犬-2著陸器呢？這主要是因為在長60km、寬10km的著陸區(qū)，想要定位一個僅2m寬的探測器實在是非常困難，這幾乎達到了所有火星軌道器拍照設(shè)備有效分辨率極限，故此10多年來沒有發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。只有“火星勘測軌道器”上分辨率為25cm的相機才可能找到它。著陸區(qū)內(nèi)有大量像該著陸器一樣大小的巖石，所以尋找獵兔犬-2的工作如同大海撈針。最后，所拍物體之所以被認定是獵兔犬-2著陸器，是因為其距離目標著陸中心的距離只有5km。同時其具有適當?shù)男螤?、大小、顏色及反射率，并且?guī)缀鯖]有影子。專家強調(diào)：“這并不是一堆巖石或沙丘，這完全是一個來自火星以外的物體?！?/p>

在找到獵兔犬-2后，該項目主管希姆斯認為,可能純粹是壞運氣，著陸后的大力反彈可能使著陸器的結(jié)構(gòu)變形，因為太陽電池板之間的間隙不大；或是降落傘或氣囊沒能與登陸器充分分離，阻礙了著陸器展開。

英國在一份聲明中說，由于只展開部分探測器，所以不可能重新與獵兔犬-2取得聯(lián)系或從中檢索數(shù)據(jù)，因為它的天線在太陽電池板下面。

歐洲航天局說，盡管目前還不能確定獵兔犬-2出的故障原因，但能得知它已成功著陸，這就為歐洲下一階段火星探測計劃注入了新的動力。歐洲計劃在2016年發(fā)射“跟蹤氣體軌道器”(TGO)以及“進入、降落和著陸”(EDA)演示器，并在2018年發(fā)射“火星生物學”(ExoMars)漫游車。

曉柯/文

Beagle 2 Found on Mars