火星上是否存在生命是當前重大科學問題之一。為了實現這一重要目標，歐洲航天局(ESA)建立了ExoMars計劃，計劃調查火星環境，應用最新科學技術，為人類在火星表面採樣並順利返回奠定基礎。目前歐洲航天局有22個成員國家，其中包括法國、德國、意大利、西班牙、英國、比利時、丹麥、荷蘭、瑞典、瑞士、愛爾蘭、挪威、奧地利、芬蘭、葡萄牙、希臘、匈牙利、波蘭、羅馬尼亞、愛沙尼亞、盧森堡和捷克。

ExoMars源自歐洲航天局“曙光女神計劃”的一部分，最初設計是採用一台大型機械探測車，於2011年由火箭攜載升空，但是重要成員國意大利由於財政問題，導致該計劃第一次推遲。2009年7月，歐洲航天局與美國宇航局建立合作關係，同意開展新的火星探測聯合任務，希望解決ExoMars任務曾出現的財政和技術問題，計劃聯合發射一個環火星軌道運行的探測器和一輛火星車，前者是火星微量氣體探測任務，但最終美國宇航局由於預算受限等問題，最終“被迫”退出了聯合探測任務。

隨後，歐洲航天局繼續尋找其他航天機構的合作，2013年3月14日，歐洲航天局局長多爾丹和俄羅斯聯邦航天局局長波波夫金在歐洲航天局總部簽署了期待已久的”外空火星”探測項目合作協議。這一太空項目涉及兩次發射,2016年將發射歐洲的一個通信與微量氣體軌道器,而2018年將發射歐洲的一輛漫遊車。兩次發射都將使用俄方提供的質子號火箭。

圖：屢次延期的ExoMars任務。

第一階段: ExoMars 2016任務

ExoMars計劃的第一個任務包括微量氣體軌道器和進入、下降和著陸演示模塊，即“夏帕雷利(Schiaparelli)”著陸器。該任務主要目標是尋找甲烷和其他可能是活躍生物或地質過程特徵的大氣微量氣體證據，同時測試一些關鍵技術，為隨後的火星任務做準備。

2016年3月14日，微量氣體軌道器和“夏帕雷利”著陸器一起由質子火箭攜載升空飛向火星。利用地球和火星的定位優勢，巡航階段被限定在7個月左右，計劃於2016年10月抵達火星。10月16日，在到達火星大氣層的前三天，“夏帕雷利模塊”由人造衛星發射到火星表面。“夏帕雷利模塊”向目的地滑行，以每小時21000公里的速度進入火星大氣層，並使用空氣製動和降落傘進行減速。“夏帕雷利”著陸器滑行接近火星表面時，一直與微量氣體軌道器、火星快車探測器保持通訊。10月19日，微量氣體軌道器進入火星橢圓形軌道，之後2017年1月，該軌道器進行多次角度調整，將相對赤道的飛行角度從2016年10月到達時的7度調整至74度，這將提供最佳表面覆蓋勘測。

在火星大氣中搜尋生命標誌性氣體

微量氣體軌道器是歐洲航天局和俄羅斯宇航局聯合執行的第一次火星任務，該任務的關鍵目標是更好地了解甲烷和其他大氣氣體，儘管這些氣體濃度很低(不足大氣的1%) ，但可能是生命存在或者地質活動的證據。

空基和陸基觀測數據表明，火星大氣中存在少量甲烷氣體，並且甲烷氣體濃度隨地點和時間的不同而變化。由於甲烷在地質時間範圍內非常短暫，它的存在意味著存在一種當前活躍的甲烷源。雖然當前並不清楚甲烷源是生物基礎還是化學基礎，通常情況下，地球生物在消化養分時會釋放甲烷氣體，但同時一些地質活動也會釋放甲烷氣體，例如某些礦物質的氧化作用。

微量氣體軌道器攜帶的科學載荷可以解決氣體探測問題，即探測和描述火星大氣層中的氣體，在位於400千米的高空中，微量氣體軌道器儀器設備可探測到甲烷、水蒸汽、氮氧化物、乙炔等，比之前測量精確度提高了3個數量級。

氣體軌道器負責監測火星大氣成分和溫度季節變化，從而便於創建和完善大氣模型。此外，相關儀器還能探測到火星表面1米以下的氫氣，與之前的測量相比，該軌道器的空間分辨率也有所提高。這可能揭曉隱藏在地表之下的水冰沉積物，並能確定微量氣體源，未來對載人著陸地點選擇具有重要意義。

火星通信

微量氣體軌道器和“夏帕雷利”著陸器一起抵達火星，當它們接近火星時，進入火星大氣層，然後著陸在火星表面。當部署完成之後，微量氣體軌道器在火星滑行過程中監測到“夏帕雷利”著陸器釋放的超高頻傳輸信號，同時，它還幫助“夏帕雷利”著陸器測量的重要數據進行實時傳輸。

無法逃避的恐怖7分鐘！

微量氣體軌道器順利進入火星軌道，但是原計劃於2016年10月19日軟著陸在火星表面的“夏帕雷利”著陸器就沒有那麼幸運，所有著陸火星表面的探測器，均要經歷“恐怖7分鐘”的考驗，它們必須穿過熾熱的火星大氣層，然後順利地打開降落傘，按照預定方式將速度從6公里/秒逐步降至零速度，最終才能平穩落地，即不被燒毀，也不會粉身碎骨。在這短短7分鐘裡，著陸器必須完成數千個程序步驟，一旦出錯就徹底失敗。

但是“夏帕雷利”著陸器未能順利闖關，在最艱險的“恐怖七分鐘”最後階段失聯。幾天之後，美國宇航局“火星勘測軌道飛行器(MRO)”找到了該著陸器的墜落地點，以及隔熱罩、降落傘等殘骸，最終確認著陸失敗。

圖：無法跨越的恐怖7分鐘。

第二階段：ExoMars 2018任務

ExoMars太空計劃由兩階段構成，第一階段是探測器結合地面著陸器，2016年，微量氣體軌道器和“夏帕雷利”著陸器一起由質子火箭攜載升空，但“夏帕雷利”著陸器最終未逃離恐怖7分鐘的命運；第二階段則是以一台小型探測車為主，由俄羅斯設計著陸硬件設備，由歐盟提供導航系統和電子儀器，著陸之後探測車搭載的科學儀器主要進行生物化學分析和土壤採集。然而，近年來俄羅斯工程師在設計著陸架構方面遇到了技術瓶頸，歐盟研製科學儀器方面也出現了問題，因此原定2018年發射推遲至2020年。

ExoMars退出2020“火星賽季”

事實上，這是ExoMars任務第六次延期，大約每隔26個月，會有一段很短暫的時期(大概十幾天)適合從地球發射探測器抵達火星，科學家將這段時期稱為“火星發射窗口”。最近的“火星發射窗口”在去年，也就是2020年7月中旬，如果推遲則必須等待兩年多。

ExoMars 2020又被迫再次延期至2022年發射，歐洲航天局具體理由是：一是還需要更多時間進行測試；二是2020年新冠疫情在歐洲大爆發嚴重影響了設計進度；三是降落傘問題未解決，據悉，由於著陸器和火星車的質量不斷增加，最終歐洲航天局採取一種非常複雜的降落傘設計。

圖：ExoMars火星車設計存在缺陷，或許2022年是最後發射機會。

ExoMars火星車設計存在缺陷， 2022年或是最後發射機會。

依據該降落傘方案，探測器進入火星大氣層之後先打開第一套副傘，下降一段距離就丟棄，然後再打開第一套主傘，下降一段丟棄；再打開第二套副傘，不丟棄，再打開第二套主傘。其中最大的主傘直徑為35米，是迄今最大的火星降落傘。

專家指出，無論是降落傘的設計複雜度，還是存在巨大部署難度，此項任務存在一定的困難和不確定性。如果著陸器反沖發動機動力充足，或許僅需要一個主降落傘即可。2018年3月，該降落傘1.2公里低空測試時非常成功，但是2019年5月，研究人員進行29公里的高空測試時完全失敗，這與降落傘的設計有直接關係。

對此，歐洲航天局前往完成8次火星著陸任務的美國宇航局噴氣動力實驗室學習經驗，通過分析記錄數據，研究人員發現降落傘袋存在設計缺陷，降落傘自身沒有任何問題，也就是說讓降落傘能順利從傘袋中釋放，而不會出現摩擦撕裂的現象。目前，歐洲航天局順利完成了兩個主傘低速釋放試驗(每小時120公里)，以及第一個主傘的首次高速釋放試驗（每小時200公里）。

除了降落傘設計存在缺陷之外，推遲ExoMars 2020任務的主要原因還包括硬件和軟件方面的問題。目前， ExoMars2022任務將攜帶火星車於2022年8-10月發射，2023年4-7月抵達火星。

目前微量氣體軌道器已進入火星軌道3年半，保守估計該軌道器的設計壽命只有7年，這意味著該軌道器在2022年火星發射窗口是最後一次作為通訊中繼端，ExoMars 2022任務或許再沒有機會延期了。

圖：除了降落傘設計存在缺陷之外，推遲ExoMars 2020任務的主要原因還包括硬件和軟件方面的問題。

ExoMars 2022任務負責尋找生命跡象

ExoMars 2022任務將歐洲航天局“羅莎琳德•富蘭克林”著陸器和俄羅斯“哈薩恰克”著陸平台發射至火星表面，發射任務將使用質子火箭，經過9個月的飛行將抵達火星表面。著陸器將穿越火星表面尋找潛在的生命跡象，用鑽頭採集樣本，並用新一代儀器設備進行研究分析。這是第一個兼具穿越火星表面、研究一定地下深度的研究任務。

一旦順利著陸後，探測車將離開“哈薩恰克”著陸平台，展開科學任務。主要目標是讓探測車在一處極可能找到保存完好有機物質的地點著陸，能夠研究分析火星早期歷史。探測車可以確定火星地下樣本的物理和化學屬性，這些樣本更有可能包含著生物標記，因為稀薄的火星大氣層對地表輻射和光化學作用的保護微乎甚微。

鑽頭可從不同深度提取樣本，最深處可達到兩米，它包括一個紅外光譜儀來勘測鑽孔中的礦物特徵，一旦收集到樣本，就會送到月球車的分析實驗室，測定礦物的化學性質，尤其是探索相應的有機物質，預計該探測車在火星表面可以行駛數公里。

印度的火星探索

印度是亞洲第一個擁有火星探測器的國家，當前火星軌道有7個空基探測器正在運行，5個屬於美國，1個屬於歐洲，1個屬於印度。印度空間研究組織(ISRO)是迄今世界上第4個抵達火星的航天機構，其他3個分別是：美國宇航局、歐洲航天局和俄羅斯航天局。

亞洲第一：印度首顆火星探測器MOM成功入軌

2014年9月24日10點30分，依據傳回的無線信號，印度第一顆火星探測器“MOM”已順利進入火星軌道，同天，美國宇航局局長查爾斯•博爾登祝賀印度火星探測器順利升空，他說：“這是一項令人震驚的太空任務，我們非常歡迎印度加入研究火星的國際大家庭，我們期待MOM探測器進一步拓寬人們對火星的認知。”

據悉，該探測器於2013年11月5日從印度薩迪什達萬航天中心發射，由印度國產極軌衛星運載火箭(PSLV)攜載升空。發射升空之後，火箭大約在1個月的時間裡先後6次進行軌道提昇機動，最終於2013年11月11月30日進入火星轉移軌道。

圖：2014年9月24日10點30分，依據傳回的無線信號，印度第一顆火星探測器“MOM”已順利進入火星軌道。

依據印度空間研究組織官方報導，MOM探測器的主要任務是：驗證印度設計並實現行星際探測任務的能力，研究人員從地面進行遙控勘測，在太空安全飛行300多天，最終進入火星軌道並執行後續科學觀測，在此期間檢驗印度探測器的深空通信、測控導航系統、任務規劃和管理方面的多項能力。

MOM探測器的成功部署證實了印度掌握強大的深空觀測能力，據悉，在MOM任務中技術驗證和工程設計可行性是第一位的，太空觀測能力是次要的。但專家指出，如果該探測器一切順利運行，將觀測到火星表面地貌、勘測表面礦物結構以及大氣屬性。

圖：MOM探測器拍攝的圖像是奧斐峽谷(Ophir Chasma),位於火星赤道部分，照片拍攝於7月19日。

MOM探測器面臨的重大考驗

在進入火星軌道之前，印度MOM探測器在太空中飛行了10個月，如果它成功進入火星軌道，必須猛踩剎車。因此MOM探測器在進入火星軌道前點燃了反向火箭，否則就會直接進入火星大氣層，或者迷失在太空深處。

美國宇航局噴氣推進實驗室任務設計師喬·吉恩(Joe Guinn)稱，這是“一次性”事件，必須一次成功完成，這是一個重要的挑戰！點燃反向火箭存在一定誤差，軌道燃燒並不是完美有效的，通常這樣的發射要持續30分鐘左右，並且執行大約95%的燃燒就能成功進入軌道。其他火星探測器在進入火星軌道時並非每次都成功，1993年8月，美國宇航局“火星觀測者號”探測器即將抵達火星時失聯。吉恩表示，在對飛船制動引擎增壓測試時發生洩漏也可能導致爆炸，使任務擱淺。

當然，正確啟動制動引擎並非航天器進入火星軌道所面臨的唯一挑戰。吉恩表示，地球和火星之間的巨大距離導致火星探測器與地面控制中心存在嚴重的通信延遲，依據行星軌道排列的差異，單程延遲可達到24分鐘。這意味著火星探測器潛在的問題無法立即確定，雙程延遲至少是48分鐘，更不必說立即解決了。

火星任務發射機會相對較少也帶來另一個困難，火星和地球的距離必須足夠近，每隔26個月進行一次相對快速高效的太空飛行，這是難得的火星發射窗口。因此，將航天器送入火星軌道並非完全是例行公事，將著陸器降落在火星表面則更加困難。吉恩稱，著陸任務必須在前往火星的最後階段實現精確飛行，在火星軌道部署探測器，需要將探測器發射至距離火星表面50公里之內區域，目標鎖定在火星上空某個高度，如果實現探測器著陸火星表面，探測器距離火星表面10公里之內進行精確評估計算。

成功拍攝火星和火衛一彩照

2015年7月，印度MOM探測器拍攝到火星一處巨大峽谷的3D圖像，揭示火星表面侵蝕力形成的溝壑。MOM探測器拍攝的圖像是奧斐峽谷(Ophir Chasma),位於火星赤道部分，照片拍攝於7月19日，分辨率達到96米。該圖像呈現山丘、小碰撞坑和山體滑坡形成的溝壑，印度空間研究組織在聲明中稱，峽谷壁有許多層，谷底有大量層狀物質。該峽谷是連接水手峽谷最北端的山谷，大約有4000公里長，圖中可見的懸崖很可能是由於山體滑坡造成，斷層隨著時間的推移而不斷地崩塌。除此之外，MOM探測器的火星彩色相機還拍攝了火星一些區域，例如：蓋勒隕坑、以及火星最大火山蒂勒赫納斯蒙斯火山。此外，MOM探測器還成功拍攝到火衛一彩色照片。

自2014年MOM探測器成功進入火星軌道之後，一直環繞火星大橢圓軌道運行。由於印度政府僅是通過MOM探測器驗證太空飛行可行性方案，因此僅制定了為期6個月的探測計劃。5年過去了，該探測器仍不斷地向地球傳回勘測數據，期間探測器的科學儀器和通信天線未出現任何故障。目前，印度空間研究組織工程師綜合評估稱，過去5年的軌道飛行相對穩定，探測器節省了大量燃料，截至2019年10月，該探測器還剩餘幾公斤燃料，至少還能維持一年。（卡麥拉）