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ExoMars

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ExoMars专案
火星探测计画 TGO，夏帕瑞丽和漫游车
所属组织欧洲空间局和俄罗斯航天国家集团
主制造商轨道部：泰雷兹阿莱尼亚宇航公司、OHB（英语：OHB）

漫游车：空中巴士国防航天

登陆部：俄罗斯航天国家集团
任务类型轨道器，2艘登陆器和漫游车
入轨时间2017年和2022年
发射时间2016年3月和2022年[1]
发射手段两艘质子火箭
任务时长斯基亚帕雷利EDM登陆器：4 sols
漫游车：≥6 个月
轨道器：数年
官方网站ExoMars programme
质量TGO：3,130公斤kg[2]
斯基亚帕雷利EDM登陆器：600公斤[3]
苏联登陆器：〜1800公斤[4]
漫游车：〜300公斤[5]
功耗TGO：太阳能
斯基亚帕雷利EDM登陆器：电池
漫游车：太阳能
苏联登陆器：TBD

ExoMars计划（ExoMars、Exobiology on Mars，又译火星生物学）是由欧洲空间局和俄罗斯航天国家集团合作推出的非载人火星探索计划[6]，该计划的主要目标是寻找火星上过去和现存生命的迹象[7]。执行探测火星进行太空生物学和地质学研究的任务，并验证ESA未来火星采样返回任务所需的新型技术[8]。

该计划包含两次发射任务[9]。第一次发射任务被命名为火星生物学2016（ExoMars-2016），于2016年3月14日执行，欧空局与俄罗斯航天局联合研制的火星微量气体任务卫星与斯基亚帕雷利EDM登陆器搭乘俄罗斯质子号运载火箭成功升空[9]，但后期陆器火星着陆失败[9]。第二次发射任务将会发射两个火星车至火星进行探索[7]，该任务原定2018年执行，但两度延期后改于2022年执行[10][11]。2022年3月，欧空局宣布受2022年俄罗斯入侵乌克兰影响，欧方暂停与俄方合作、暂停原定于2022年9月的第二次发射任务[12]。

历史

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2001年，欧洲空间局启动了致力于探索火星的曙光女神计划，火星生物学就是该计划的一部分[13]。2002年，欧洲空间局开始就ExoMars计划展开研究讨论，并最终于2005年12月决定正式开展ExoMars计划[14]。该计划的目的是确定火星上是否存在生命，并为21世纪20年代的火星样本取回任务做好技术铺垫[15]。其首次发射任务将采用俄罗斯的联盟号运载火箭于2011年5月至6月发射，科学有效载荷为着陆站和火星车，此次任务代号为ExoMars 2011[16]。

2007年，英国的军工系统与航天系统研发公司Astrium公司选中加拿大航天技术公司麦克唐纳•迪特维利联合有限公司（英语：MDA_(company)）为合作对象，以一亿欧元的价格将火星漫游车底盘的合约设计、制造工作交由麦克唐纳•迪特维利联合有限公司（英语：MDA_(company)）负责[17]。

2008年6月，欧洲空间局发布公告，表示因资金不足，该计划的首次发射时间推迟至2016年[18]。2009年，因发射任务中新增加火星微量气体任务卫星这一有效载荷，使其重量超过联盟号运载火箭的运载能力[19]，同年7月，欧洲空间局与美国国家航空航天局签署了联合探测火星倡议（英语：Mars_Exploration_Joint_Initiative），改用运力更强的擎天神5号运载火箭执行发射任务[20]。火星微量气体任务卫星和火星天体生物学发现-收集者（英语：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）也被纳入到ExoMars的首次发射任务中[21][22]。

2009年8月，欧洲空间局和俄罗斯航天国家集团签署了一项合约，该合约为两国在ExoMars计划上的合作打下基础。其中俄罗斯方面参与该计划的主体为福布斯-土壤。具体来说，欧洲航天局获得俄罗斯的质子运载火箭做为火星探测计画漫游车的一个"备用发射器"，其中也包含了一些俄罗斯制造的零件[23][24]。

2009年12月17日，欧洲空间局正式批准了与NASA合作，并将火星探测计画列为两个步骤进行完成，并承诺在2016年和2018年执行的计画预算确定为8亿5千万欧元（12亿3千万美元）[25]。

2011年4月，由于预算危机，提案取消伴随的火星天体生物学发现-收集者（英语：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）漫游车，因而在2018年将只有一辆漫游车与大型飞行器的概念[26]。一项建议是新的漫游车将在欧洲建造，和携带欧洲和美国的仪器。NASA将提供运载火箭将之送往火星，并且提供如同空中吊车著陆系统。尽管建议重新组合，但2018年的任务机会目标大致没有改变[26]。

2012年2月，美国方面由于詹姆斯·韦伯太空望远镜的成本超支，美国国家航空航天局宣布因预算削减，终止参与该项计划[27][28]，ExoMars计划因此被迫进行了大幅度修改[29][30]。

2013年1月25日，俄罗斯联邦航天局支付了火星微量气体任务卫星第一次飞行的全部科学仪器发展费用[31]。同年3月14日，欧洲航天局宣布与俄罗斯航天国家集团签署协议，双方将合作开展ExoMars计划[32]。俄罗斯联邦航天局将提供两次任务的质子运载火箭和最上一节的Briz-M与发射的服务[33]，以及其它漫游车在2018年任务进入、下降和著陆模组[32]，在该协议里俄方将承担：[34]。

  1. 俄罗斯联邦航天局将贡献两艘质子运载火箭，做为付款的合作伙伴关系。
  2. 火星微量气体任务卫星的有效酬载应包括最初为福布斯－土壤开发的俄罗斯仪器[32][35]。
  3. 所有的科学成果必须是欧洲航天局和太空俄罗斯联邦航天局的智慧财产（即俄罗斯联邦航天局将获得完整的研究资料[36]）。
2015年在剑桥科学节展出的火星探测计画漫游车的原型。

尽管2016年的阶段看起来是安全的，但在2016年1月宣布，当前的财务状况可能会使2018年的任务要延迟2年[37][38]。义大利对火星探测计画的贡献最大，英国是任务的第二大的金融靠山[39]。俄罗斯的火星探测计画融资可以由福布斯－土壤损失的保险支付部分，大约是12亿卢布（4070万美金）[34]，和重新分配与调整用于Mars-NET和火星探测计画的资金[40][41]。

到目前为止，最初欧洲航天局已经挹注火星探测计画10亿欧元（13亿美金），但是NASA的撤出和合资企业的重组，随后可能将添加数亿欧元的支出，所以在2012年3月，该机构会员国的行政部门已经指示，看看要如何才可以弭补此一不足[42]。一个可能是欧洲航天局的其他科学活动稍微退让一下，使火星探测计画获得优先[43]。在2012年9月，欧洲航天局宣布它的新成员，波兰和罗马尼亚，将贡献七千万欧元资助火星探测计画[44]。尽管是在一个相对次要的角色，欧洲航天局并没有排除NASA重回2018火星探测计画的可能性 [45][46]。

截至2014年3月，主导火星探测计画漫游车制造的空中巴士防务及航太公司英国分公司，已经开始采购关键的零件[39]。2018漫游车一亿欧元（1.38亿美金）的资金仍然短少[39]，由加拿大太空局支付的车轮和悬吊系统现在已经开始在加拿大的麦克唐纳•迪特维利联合有限公司（英语：MDA_(company)）制造[39]。

ExoMars-2016发射任务执行前，因2015年质子M型运载火箭发射了100架次，有10次失败的失败率[47][48]，质子运载火箭发射的可靠性遭到质疑[49][50]。

ExoMars-2016发射任务

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2016年3月14日，执行ExoMars-2016发射任务的质子M型运载火箭成功点火升空（从08:30GMT直播）[1][51][52]，火星微量气体任务卫星运行状态良好[53]。2016年10月19日，火星微量气体任务卫星抵达火星轨道，并于10月16日释放了斯基亚帕雷利EDM登陆器[54]。此后，该着陆器着陆时与火星发生高速碰撞，造成登陆计划失败[9]。2016年10月21日，美国宇航局发布了一张火星侦察轨道卫星的图像，显示了著陆器坠毁地点[55]。

ExoMars-2022发射任务

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2018年[56]与2020年[57]，欧洲空间局两次延期了第二次的发射任务，并最后将发射时间定于2022年，任务代号ExoMars-2022。2022年3月，欧空局宣布受2022年俄罗斯入侵乌克兰影响，欧方暂停与俄方合作、暂停原定于2022年9月的第二次发射任务[12]。

任务目标

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科学的目标依优先顺序如下[58]：

  • 寻找在过去或现在的火星生命可能的生物标记。
  • 确定火星浅层地表下火星的水和地球化学与深度相关的分布状态。
  • 研究表面环境并研判对未来载人火星任务的危害性。
  • 探讨这颗行星表层和深层的内部，以更好的理解其演化和适居性。
  • 逐步实现最终将火星样本取回的任务。

发展的技术目标是：

  • 增加登陆火星的酬载。
  • 在火星上利用太阳电力。
  • 利用钻孔机能够收集地下深度达到2米（6.6英尺）的样品。这个深度的岩石不会受到紫外线、氧化与高能离子分解[59]。
  • 开发有地表勘探能力的漫游车。

任务内容

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ExoMars包含两次发射任务，代号分别为ExoMars-2016和ExoMars-2018[60]，ExoMars-2016的发射任务现已完成。ExoMars-2022的发射任务因2022年俄罗斯入侵乌克兰的爆发，而被欧空局暂停[12]。

ExoMars-2016 ExoMars-2022
NASA 运载火箭：质子M型运载火箭 发射载具：Atlas V 551
火星微量气体任务 登陆系统：火星科学实验室的太空吊车
65 kg火星天体生物学发现-收集者（英语：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）探测车
ESARKA 火星微量气体任务（TGM）卫星 270 kg ExoMars
600 kg固定式气候测站
控制进场、下降和著陆系统（Entry, descent and landing system, EDL）

ExoMars-2016

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火星微量气体任务

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火星微量气体任务卫星
主条目：火星微量气体任务

火星微量气体任务卫星将搭载1台ExoMars固定式登陆气象测站，并将绘制出火星甲烷和其他气体来源地图，以协助选择2018年发射的ExoMars火星车登陆地点。火星大气层出现甲烷激起许多人的兴趣，因为这可能是火星至今仍有生物活动或地质活动的证据。火星车于2018/2019年到达后，卫星将改用低轨道，并增加资料传输中继卫星的用途。该卫星也许可以进行延伸任务至2020年代[61]。

2016年3月14日，欧洲太空总署与俄罗斯联邦航天局合作研发的火星微量气体任务卫星成功发射，该卫星将分析火星大气层，并将运载斯基亚帕雷利演示登陆器至火星进行登陆[62]。

2006年柏林国际航太展（Internationale Luft- und Raumfahrtausstellung, ILA）中的ExoMars旧模型
另一台在2007年巴黎航空展中展示的ExoMars旧模型

固定式登陆测站

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参见：斯基亚帕雷利EDM登陆器

最初计划中的固定测站是会使用11个仪器组成的“洪堡酬载”（Humboldt payload）[63]以进行火星内部深处的地球物理调查，但在2009年第1季的复审后被要求向下修正，因此洪堡地球物理组件全数遭到取消[64]。虽然目前和NASA合作并通过新的酬载复审，决定将使用两座火箭发射所有系统元件；但复审中决定先发射使用ESA技术的降落与登录系统技术登陆测站，使酬载量将受到明显限制。

控制进场、下降和著陆示范模组将使欧洲国家拥有在火星表面降落时进行可控制定向著陆与接地速度的技术。进入火星大气层之后该模组的杜卜勒雷达高度计和惯性测量单元会使模组展开降落伞和启动一连串的定向、导航与控制系统以完成登陆。之后该系统将以on-off模式启动多个推进器控制阀使液压推进系统进行半软式的著陆[65]。

该登陆测站被预期将在火星表面以电池的多馀电力使用短时间（约8个火星太阳日）[65]。预定登陆地点是子午线高原，因为当地地形相当平坦，并无许多岩石，是使用气囊系统进行登陆的理想地点。斯基亚帕雷利EDM登陆器于2016年10月19日登陆火星，但由于登陆器与火星高速碰撞，造成登陆计划失败。2016年10月21日，美国宇航局发布了一张火星侦察轨道卫星的图像，显示了著陆器坠毁地点[55]。

ExoMars-2022

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目前的计画建议使用NASA开发的太空吊车控制进场、下降和著陆系统以将2台火星车一起送到火星表面[59]。

如果有2台火星车在火星表面同一地点，将可在科学研究与仪器上进行互补，以减少资源重复。在同一地点操作两台火星车的优点如后：两台火星车互相拍摄、类似地质探测目标交叉分析、可能包含火星天体生物学发现-收集者（英语：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）火星车上的低频透地雷达和接收ExoMars上的WISDOM透地雷达以建立火星车之间地下构造图、MAX-C也许可以从ExoMars取得和收集最有科学研究价值的地下土壤样本[59]。

罗莎琳德·富兰克林号火星探测车

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主条目：罗莎琳·富兰克林号

罗莎琳·富兰克林号是一台六轮高自动化的越野车，重量约270公斤，比NASA的精神号和机会号火星探测漫游者重约100公斤[66]。暂定计划考虑将重量降低至207公斤[67]。酬载仪器将包含一个10公斤的“巴斯德酬载”（Pasteur Payload）和一个2公斤的钻孔机[68]。

ExoMars的运送模组将在太空吊车登陆系统能够以高准确度进行软著陆后，以双曲线轨道传送降落模组到火星。当安全登陆火星表面后，火星车将以太阳能进行为期180个火星太阳日（6个月）的任务。为了解决因为通讯延迟造成的遥控上的困难，EoxMars将使用视觉地形导航的自动控制程式，该系统从安装在柱子顶端的全景摄影机和红外线摄影机取得压缩的立体影像，并有独立维持功能。该系统可以从一对导航用的立体相机建立数位地读，并可自动找寻路线。避免近迫碰撞的摄影机系统则是用来确保火星车的安全，可使火星车每日行进约100公尺。在登陆艇被释放以及登陆火星表面以后，火星微量气体任务卫星将作为火星车的通讯中继卫星[61]。

火星天体生物学发现-收集者（英语：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）

火星天体生物学发现-收集者火星探测车

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主条目：火星天体生物学发现-收集者（英语：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）

火星天体生物学发现-收集者（英语：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）（又被称为MAX-C火星车）在原计划中将与ExoMars-2022一同发射[69][70]。若两台火星车在火星同一个地点探测，可互为补充，组成双基式雷达（bistatic radar）。MAX-C火星车将收集、分析以及储存最有研究价值的资料以作为未来将样本取回地球之用。2022年3月17日，欧洲航天局宣布将无限期暂停与俄罗斯国家航天集团合作的ExoMars火星车任务[71]。

参见

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参考资料

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外部链接

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