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ExoMars

ExoMars計劃（ExoMars、Exobiology on Mars，又譯火星生物學）是由歐洲空間局和俄羅斯航天國家集團合作推出的非載人火星探索計劃[6]，該計劃的主要目標是尋找火星上過去和現存生命的跡象[7]。執行探測火星進行太空生物學和地質學研究的任務，並驗證歐洲太空總署未來火星採樣返回任務所需的新型技術[8]。

ExoMars專案
火星探測計劃 TGO，夏帕瑞麗和漫遊車
所屬組織歐洲空間局和俄羅斯航天國家集團
主製造商軌道部：泰雷茲阿萊尼亞宇航公司、OHB（英語：OHB）

漫遊車：空中巴士國防航天

登陸部：俄羅斯航天國家集團
任務類型軌道器，2艘登陸器和漫遊車
入軌時間2017年和2022年
發射時間2016年3月和2022年[1]
發射手段兩艘質子火箭
任務時長斯基亞帕雷利EDM登陸器：4 sols
漫遊車：≥6 個月
軌道器：數年
官方網站ExoMars programme
質量TGO：3,130公斤kg[2]
斯基亞帕雷利EDM登陸器：600公斤[3]
蘇聯登陸器：〜1800公斤[4]
漫遊車：〜300公斤[5]
功耗TGO：太陽能
斯基亞帕雷利EDM登陸器：電池
漫遊車：太陽能
蘇聯登陸器：TBD

該計劃包含兩次發射任務[9]。第一次發射任務被命名為火星生物學2016（ExoMars-2016），於2016年3月14日執行，歐洲太空總署與俄羅斯航天局聯合研製的火星微量氣體任務衛星與斯基亞帕雷利EDM登陸器搭乘俄羅斯質子號運載火箭成功升空[9]，但後期陸器火星着陸失敗[9]。第二次發射任務將會發射兩個火星車至火星進行探索[7]，該任務原定2018年執行，但兩度延期後改於2022年執行[10][11]。2022年3月，歐洲太空總署宣佈受2022年俄羅斯入侵烏克蘭影響，歐方暫停與俄方合作、暫停原定於2022年9月的第二次發射任務[12]。

歷史

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2001年，歐洲空間局啟動了致力於探索火星的曙光女神計劃，火星生物學就是該計劃的一部分[13]。2002年，歐洲空間局開始就ExoMars計劃展開研究討論，並最終於2005年12月決定正式開展ExoMars計劃[14]。該計劃的目的是確定火星上是否存在生命，並為21世紀20年代的火星樣本取回任務做好技術鋪墊[15]。其首次發射任務將採用俄羅斯的聯盟號運載火箭於2011年5月至6月發射，科學有效載荷為着陸站和火星車，此次任務代號為ExoMars 2011[16]。

2007年，英國的軍工系統與航天系統研發公司Astrium公司選中加拿大航天技術公司麥克唐納•迪特維利聯合有限公司（英語：MDA_(company)）為合作對象，以一億歐元的價格將火星漫遊車底盤的合約設計、製造工作交由麥克唐納•迪特維利聯合有限公司（英語：MDA_(company)）負責[17]。

2008年6月，歐洲空間局發佈公告，表示因資金不足，該計劃的首次發射時間推遲至2016年[18]。2009年，因發射任務中新增加火星微量氣體任務衛星這一有效載荷，使其重量超過聯盟號運載火箭的運載能力[19]，同年7月，歐洲空間局與美國太空總署簽署了聯合探測火星倡議（英語：Mars_Exploration_Joint_Initiative），改用運力更強的擎天神5號運載火箭執行發射任務[20]。火星微量氣體任務衛星和火星天體生物學發現-收集者（英語：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）也被納入到ExoMars的首次發射任務中[21][22]。

2009年8月，歐洲空間局和俄羅斯航天國家集團簽署了一項合約，該合約為兩國在ExoMars計劃上的合作打下基礎。其中俄羅斯方面參與該計劃的主體為福布斯-土壤。具體來說，歐洲太空總署獲得俄羅斯的質子運載火箭做為火星探測計劃漫遊車的一個"備用發射器"，其中也包含了一些俄羅斯製造的零件[23][24]。

2009年12月17日，歐洲空間局正式批准了與美國太空總署合作，並將火星探測計劃列為兩個步驟進行完成，並承諾在2016年和2018年執行的計劃預算確定為8億5千萬歐元（12億3千萬美元）[25]。

2011年4月，由於預算危機，提案取消伴隨的火星天體生物學發現-收集者（英語：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）漫遊車，因而在2018年將只有一輛漫遊車與大型飛行器的概念[26]。一項建議是新的漫遊車將在歐洲建造，和攜帶歐洲和美國的儀器。美國太空總署將提供運載火箭將之送往火星，並且提供如同空中吊車着陸系統。儘管建議重新組合，但2018年的任務機會目標大致沒有改變[26]。

2012年2月，美國方面由於詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的成本超支，美國太空總署宣佈因預算削減，終止參與該項計劃[27][28]，ExoMars計劃因此被迫進行了大幅度修改[29][30]。

2013年1月25日，俄羅斯聯邦航天局支付了火星微量氣體任務衛星第一次飛行的全部科學儀器發展費用[31]。同年3月14日，歐洲太空總署宣佈與俄羅斯航天國家集團簽署協議，雙方將合作開展ExoMars計劃[32]。俄羅斯聯邦航天局將提供兩次任務的質子運載火箭和最上一節的Briz-M與發射的服務[33]，以及其它漫遊車在2018年任務進入、下降和着陸模組[32]，在該協議里俄方將承擔：[34]。

  1. 俄羅斯聯邦航天局將貢獻兩艘質子運載火箭，做為付款的合作夥伴關係。
  2. 火星微量氣體任務衛星的有效酬載應包括最初為福布斯－土壤開發的俄羅斯儀器[32][35]。
  3. 所有的科學成果必須是歐洲太空總署和太空俄羅斯聯邦航天局的智慧財產（即俄羅斯聯邦航天局將獲得完整的研究資料[36]）。
 
2015年在劍橋科學節展出的火星探測計劃漫遊車的原型。

儘管2016年的階段看起來是安全的，但在2016年1月宣佈，當前的財務狀況可能會使2018年的任務要延遲2年[37][38]。意大利對火星探測計劃的貢獻最大，英國是任務的第二大的金融靠山[39]。俄羅斯的火星探測計劃融資可以由福布斯－土壤損失的保險支付部分，大約是12億盧布（4070萬美金）[34]，和重新分配與調整用於Mars-NET和火星探測計劃的資金[40][41]。

到目前為止，最初歐洲太空總署已經挹注火星探測計劃10億歐元（13億美金），但是美國太空總署的撤出和合資企業的重組，隨後可能將添加數億歐元的支出，所以在2012年3月，該機構會員國的行政部門已經指示，看看要如何才可以弭補此一不足[42]。一個可能是歐洲太空總署的其他科學活動稍微退讓一下，使火星探測計劃獲得優先[43]。在2012年9月，歐洲太空總署宣佈它的新成員，波蘭和羅馬尼亞，將貢獻七千萬歐元資助火星探測計劃[44]。儘管是在一個相對次要的角色，歐洲太空總署並沒有排除美國太空總署重回2018火星探測計劃的可能性 [45][46]。

截至2014年3月，主導火星探測計劃漫遊車製造的空中巴士防務及航太公司英國分公司，已經開始採購關鍵的零件[39]。2018漫遊車一億歐元（1.38億美金）的資金仍然短少[39]，由加拿大太空局支付的車輪和懸吊系統現在已經開始在加拿大的麥克唐納•迪特維利聯合有限公司（英語：MDA_(company)）製造[39]。

ExoMars-2016發射任務執行前，因2015年質子M型運載火箭發射了100架次，有10次失敗的失敗率[47][48]，質子運載火箭發射的可靠性遭到質疑[49][50]。

ExoMars-2016發射任務

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2016年3月14日，執行ExoMars-2016發射任務的質子M型運載火箭成功點火升空（從08:30GMT直播）[1][51][52]，火星微量氣體任務衛星運行狀態良好[53]。2016年10月19日，火星微量氣體任務衛星抵達火星軌道，並於10月16日釋放了斯基亞帕雷利EDM登陸器[54]。此後，該着陸器着陸時與火星發生高速碰撞，造成登陸計劃失敗[9]。2016年10月21日，美國宇航局發佈了一張火星偵察軌道衛星的圖像，顯示了着陸器墜毀地點[55]。

ExoMars-2022發射任務

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2018年[56]與2020年[57]，歐洲空間局兩次延期了第二次的發射任務，並最後將發射時間定於2022年，任務代號ExoMars-2022。2022年3月，歐洲太空總署宣佈受2022年俄羅斯入侵烏克蘭影響，歐方暫停與俄方合作、暫停原定於2022年9月的第二次發射任務[12]。

任務目標

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科學的目標依優先順序如下[58]：

  • 尋找在過去或現在的火星生命可能的生物標記。
  • 確定火星淺層地表下火星的水和地球化學與深度相關的分佈狀態。
  • 研究表面環境並研判對未來載人火星任務的危害性。
  • 探討這顆行星表層和深層的內部，以更好的理解其演化和適居性。
  • 逐步實現最終將火星樣本取回的任務。

發展的技術目標是：

  • 增加登陸火星的酬載。
  • 在火星上利用太陽電力。
  • 利用鑽孔機能夠收集地下深度達到2米（6.6英尺）的樣品。這個深度的岩石不會受到紫外線、氧化與高能離子分解[59]。
  • 開發有地表勘探能力的漫遊車。

任務內容

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ExoMars包含兩次發射任務，代號分別為ExoMars-2016和ExoMars-2018[60]，ExoMars-2016的發射任務現已完成。ExoMars-2022的發射任務因2022年俄羅斯入侵烏克蘭的爆發，而被歐洲太空總署暫停[12]。

ExoMars-2016 ExoMars-2022
美國太空總署 運載火箭：質子M型運載火箭 發射載具：Atlas V 551
火星微量氣體任務 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（英語：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）探測車
歐洲太空總署RKA 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、下降和着陸系統（Entry, descent and landing system, EDL）

ExoMars-2016

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火星微量氣體任務

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火星微量氣體任務衛星
主條目：火星微量氣體任務

火星微量氣體任務衛星將搭載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[61]。

2016年3月14日，歐洲太空總署與俄羅斯聯邦航天局合作研發的火星微量氣體任務衛星成功發射，該衛星將分析火星大氣層，並將運載斯基亞帕雷利演示登陸器至火星進行登陸[62]。

 
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

固定式登陸測站

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參見：斯基亞帕雷利EDM登陸器

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）[63]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[64]。雖然目前和美國太空總署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歐洲太空總署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。

控制進場、下降和着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着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着陸[65]。

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）[65]。預定登陸地點是子午線高原，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。斯基亞帕雷利EDM登陸器於2016年10月19日登陸火星，但由於登陸器與火星高速碰撞，造成登陸計劃失敗。2016年10月21日，美國宇航局發佈了一張火星偵察軌道衛星的圖像，顯示了着陸器墜毀地點[55]。

ExoMars-2022

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目前的計劃建議使用美國太空總署開發的太空吊車控制進場、下降和着陸系統以將2台火星車一起送到火星表面[59]。

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、可能包含火星天體生物學發現-收集者（英語：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）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[59]。

羅莎琳德·富蘭克林號火星探測車

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主條目：羅莎琳·富蘭克林號

羅莎琳·富蘭克林號是一台六輪高自動化的越野車，重量約270公斤，比美國太空總署的精神號和機會號火星探測漫遊者重約100公斤[66]。暫定計劃考慮將重量降低至207公斤[67]。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[68]。

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着陸後，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[61]。

 
火星天體生物學發現-收集者（英語：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）

火星天體生物學發現-收集者火星探測車

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主條目：火星天體生物學發現-收集者（英語：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）

火星天體生物學發現-收集者（英語：Mars_Astrobiology_Explorer-Cacher）（又被稱為MAX-C火星車）在原計劃中將與ExoMars-2022一同發射[69][70]。若兩台火星車在火星同一個地點探測，可互為補充，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。2022年3月17日，歐洲航天局宣佈將無限期暫停與俄羅斯國家航天集團合作的ExoMars火星車任務[71]。

參見

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參考資料

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外部連結

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