探火风云 | 细说欧洲第一个火星探测器
2003年的6月与今年7月很相似，是一个令全球航天界、天文界乃至整个科技界及其爱好者兴奋不已的月份，因为在那个月里，欧洲和美国分别发射了各自的火星探测器。这不是什么巧合，而是由于2003年8月27日火星与地球的相对距离最近（约5000多万千米，该距离每5万年才遇到一次），这意味着在6月份发射可使火星探测器的飞行路线最短，到达火星的时间最短。所以，欧洲和美国纷纷在这个月里发射了各自的火星探测器，其中欧洲火星探测是“大姑娘上轿头一回”。
欧洲“火星快车”探火示意图
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开往火星的快车
2003年6月2日，欧洲航天局用俄罗斯联盟-FG火箭发射了它的第1个火星探测器——“火星快车”，率先拉开了新一轮火星探测的热潮，并成为继苏联、美国和日本之后世界第4个发射深空探测器的国家或组织。
“火星快车”计划的最大特点是“节俭”、“合作”与“多能”。此次计划的成本是历次人类火星探测计划中费用较少的，为3.35亿美元。这个火星探测器之所以没用自己的“阿里安”火箭发射，就是因为用“阿里安”的发射费用要比用“联盟”火箭高出许多。此外，该探测器上安装的立体相机也是1996年俄德联合发射失败的火星-96探测器上所用装置的改进型，所以没有另外付出太多费用。
欧洲“火星快车”探测器由1个方形轨道器和1个71公斤的猎兔犬2号着陆器组成，其中轨道器设计寿命为2年，猎兔犬2号着陆器的寿命为2个月。
它们在大约6个月后抵达火星轨道，主要任务是在火星上寻找生命的痕迹。飞行了1个多月后，“火星快车”曾“抽空”给地球和月亮拍了1张“全家福”，并完成了第1轮测试。然后，继续以大约10000千米/小时的速度向火星进军。
2003年12月20日，“火星快车”上的猎兔犬2号着陆器与轨道器分离后，在着陆火星过程中与地球失去联系。
“火星快车”轨道器释放猎兔犬2号着陆器示意图
“火星快车”轨道器于2003年12月25日进入环火星轨道，成为世界第3个成功探测火星的国家和组织。它于2004年1月28日成功到达测绘轨道开展工作，目前仍在超期服役。
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性能优异的平台
比家用冰箱大不了多少的“火星快车”轨道器主体结构为长方体，尺寸为1.5米×1.8米×1.4米 ，发射质量为1223千克，其中推进剂质量427千克，有效载荷质量116千克。探测器侧面安装有高增益天线及仪器。
其前440天，运行在远火点11560千米、近火点259千米、轨道倾角86°、轨道周期7.5小时的环火星轨道上；440天后，运行在远火点10107千米、近火点298千米、轨道倾角86°、轨道周期6.7小时的环火星轨道上。
轨道器的推进分系统采用双组元推进剂，装有1个400牛推力主发动机和8个10牛推力器。其电源分系统采用对称分布的双太阳电池翼，翼展12米，在火星轨道上的总功率为650瓦。其姿控分系统包括2个星敏感器、6个激光陀螺仪、2个粗太阳敏感器、加速度计和反作用轮。
“火星快车”轨道器平台分解图
在离开地球不远处，探测器采用40厘米的低增益天线进行S频段通信。远离地球时，采用1.6米直径的碟型高增益天线与地球进行X频段和S频段通信。
探测器上大多数单元的温度由仪器箱集中控制（10～20℃）。探测器的星上计算机装有容量为12Gbit的固态大容量存储器。
为了节约费用，欧洲还用这一轨道器平台建造、发射了“金星快车”。
“金星快车”的主要科学任务是
获得火星表面分辨率为10米的图像、以2米的分辨率对选定区域进行拍照、绘制分辨率为100米的矿物成分图；
测绘大气成分，并确定火星全球环流情况；
确定火星表面几千米深度内的表层构造；
确定火星大气对火星表面的影响；
探测火星大气与太阳风的相互作用。
它还为在火星着陆的探测器提供信息中继服务，曾在美国凤凰号着陆器和“火星科学实验室”等探测器着陆火星期间为它们提供数据中继服务。
进入火星轨道的“火星快车”
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眼观六路三主力
为了完成科学目标，“火星快车”轨道器携带了7种科学探测仪器。
重21.2千克的高分辨率彩色立体相机用以提供详细准确、色彩完整的火星表面和大气的图像。它能获取整个火星表面的高分辨率、彩色和三维的图像。由于“火星快车”环火星轨道运行的高度是变化的，所以它有高分辨和超分辨两种成像分辨率，前者分辨率为10～30米，用于对火星表面和大气现象，如云覆盖和尘暴的测绘；后者分辨率为2米，用于对火星表面特别感兴趣的地区成像。
高分辨率彩色立体相机
该相机已完成了对整个火星表面的高分辨率全彩色立体成像，以及对1%火星表面的超分辨率成像。它提供的遥感图像数据不但可以制成火星表面地形图，用于寻找可能曾经存在的“河流”和“海洋”遗迹，以及为火星登陆器选择着陆点，还可以结合其他观测手段用于对火星内部构造、气候及地质演变的研究。
重29千克的可见光与红外矿物探测光谱仪由光学镜头、探测器和光谱分析装置组成，有2个通道，1个是可见光和近红外通道（0.5～1.0微米）；另一个是短波红外通道（1.0～5.2微米），用以探测火星表面的结构。
其原理是应用不同物质在不同波长上产生吸收和辐射现象，来测量和分析火星表面对太阳光的吸收和再辐射，从而获取火星表面的成分分布。此外，它还通过表面冷状态下热红外辐射波长的测量获取物质成分的信息。由于从火星表面到该光谱仪的辐射必须通过火星大气，所以可见光与红外矿物探测光谱仪也能探测到某些大气成分，特别是尘埃和气溶胶的吸收波长，从而获取这些大气成分的信息。
最值得关注的亚表面探测雷达/高度计重约12千克，它由天线和数据处理单元组成，用以查找火星的地下水。因为它是一部穿透火星地表的雷达，为了探测火星表面以下深至5千米范围内是否有水，该仪器工作频率很低，只有1.3～5.5兆赫兹，但其天线长达40米。因为频率越低，穿透性越强。
“火星快车”展开长长的低频天线
它同时发射2个不同频率无线电波，能通过对回波的分析得到反射界面的电特性，进而得到关于物质成分的信息，这是由于地下水和周围岩石的电特性有很大不同。因为无线电波可在任何界面上反射，所以它还可揭示火星表面以下物质成分的更多信息，例如可能探测到散布着冰的岩层、沙层等。
一般对表层以下的探测选在火星夜间进行，因为此时火星电离层活动最弱。在火星白天，电离层活动很强，低频无线电波被反射，亚表面探测雷达/高度计可以通过对反射电磁波的测量获取电离层中电子密度的信息，从而定量得到由太阳风产生的带电粒子对高层大气的影响。
“火星快车”上的科学探测仪器
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其他四种也不软
“火星快车”轨道器上的其他4种探火科学仪器也各有所长。
高能中子分析仪用以检测太阳风对火星大气的侵蚀与擦损。它重约8.9千克，由4台遥感器组成，其中1台是中性粒子成像仪，用于探测与太阳风相互作用的高层大气中的高能中性原子及其运动，并形成图像；另1台遥感器是中性粒子探测仪，可以提供单个原子的信息，能够探测具有0.1～10电子伏特的氢原子和氧原子；另外2台遥感器分别是1台离子质量分析仪和1台电子光谱仪，前者用于测量来自任何方向离子的通量和质量，后者用来测量能量范围在1～20000电子伏特的电子通量，提供低于“火星快车”轨道高度空间内发生电离情况的有关信息，还可以提供在火星大气中特殊位置和特殊时间上的“快照”。
重约31.4千克的行星傅里叶光谱仪用以研究火星大气结构。它由干涉仪、控制单元、电源和指向装置等4部分组成，用于探测火星大气的成分及其随时间和空间的变化、温度和压力廓线、全球环流图、尘埃在大气中的含量和运动规律以及对火星天气的影响等。
行星傅里叶光谱仪
它是通过在1个很宽的波长范围（1.2～45微米）内，测量分子吸收太阳光的波长和分子辐射红外的波长，从而对分子进行识别，以获取所需信息的。为了探明极低含量的成分，必须大大提高信噪比，从而提高测量精度，这需要对尽量多的测量数据进行平均，每条轨道记录约500～600次测量的数据。这样的数据量是相当大的，必须先在火星上进行快速傅里叶转换处理，以大大减小向地球传送信息的数据率。它还能获得火星大气环流图，记录到大气中尘埃的谱，从而可以揭示尘埃的成分。
紫外与红外大气光谱仪用以测定火星大气的臭氧和水蒸气，研究其电离层。它由2个遥感器组成，1个工作在紫外谱段（118～320纳米），另1个工作在红外谱段（1.0～1.7微米），它也是通过测量火星大气对太阳光的吸收波长探测大气成分的。其中紫外遥感器由星下点指向模式、恒星或太阳掩星模式、临边指向模式3种不同模式进行测量。
紫外和红外大气光谱仪
火星无线电科学实验件用以研究火星大气的电离层和引力变化。它是充分利用了“火星快车”与地球地面设备之间传送数据和指令的无线电信号，对火星电离层、大气、地表、甚至内部进行探测的。由于该项科学试验不需要另外的专门仪器，被称为是“免费的”。
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获得丰硕的成果
“火星快车”上的这些科学仪器对火星全球进行了10米分辨率的摄影地质学测绘；对所选择的地区进行了2米分辨率的摄影测绘；以数百米至千米级的分辨率对火星全球表面进行了矿物学测绘。
探测了火星大气环流特性和大气成分；
探测了火星地表下数千米至永久冻土层的结构特性；
对于火星大气与地表及行星际介质间的相互作用进行研究；
利用探测器上火星无线电科学实验件对火星内部、大气和环境进行研究；
开展火星表面“地球化学”和外空生物学的研究。
“火星快车”探测到火星南极下埋藏的水
其上的亚表面探测雷达/高度计发现了火星南极冠有水冰，在火星南极高原的冰盖下1.5千米深处存在直径为20千米的湖泊，确定火星极冠有85%的干冰和15%的水冰。这项发现表明火星表层深处可能存在更多稳定的液态水，即火星拥有适合微生物等生命体生存的条件。
“火星快车”还在火星大气层内发现了甲烷和氨，这预示火星上生物或地质作用活动仍存在；发现火星上存在水合硫酸盐、硅酸盐等多种造岩矿物；在火星的艾奥利斯桌山群拍摄到了板块运动的特征。
2014年11月19日“火星快车”拍摄的火星照片，图像上出现了像液态水的深色沉积物
最后说一下英国猎兔犬2号着陆器。它外型像一个蛤蜊，功能如一只小鼹鼠，装有气体色谱仪与质谱仪、样品处理系统、机械臂与挖掘机、望远镜、全景广角相机、X射线光谱仪和环境敏感器等设备。猎兔犬2号原定降落在火星赤道附近1个叫伊希迪斯的平坦的大型沉积盆地，这里有可能保存有生命的痕迹。然后像花瓣一样打开，伸出4个像唱片一样的太阳能电池板。
猎兔犬2号着陆器示意图
但它在与“火星快车”轨道器分离后就失踪了，这是为什么呢，欧洲航天专家一直百思不得其解。10余年后，猎兔犬2号着陆器被美国“火星勘察轨道器”拍到了，发现其引导伞仍连着着陆器，主降落伞散落在附近，太阳电池板没有完全展开。这一结果表明，猎兔犬2号着陆是成功的，但着陆后由于太阳电池板没有完全展开，所以没有电，因而无法与地球联系。不过，猎兔犬2号只承担此次欧洲火星探测任务的10%，其他90%的任务由“火星快车”轨道器完成。
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作 者 | 庞之浩
编 辑 | 石磊