火星生命的尋找者ExoMars

歐洲宇航局的ExoMars火星探測是極光探測計劃的第一步，由ESA歐洲宇航局和俄羅斯宇航局合作開發，ExoMars計劃在2020年把歐洲的漫遊者火星車和俄羅斯的地面平臺送到火星表面。俄羅斯宇航局質子火箭將被用來進行發射任務，到達火星需要9個月的旅程。ExoMars的漫遊者將漫步火星表面尋找生命跡象，它將使用鑽頭收集樣本，並用新一代儀器進行分析。ExoMars將是第一個結合火星表面移動探測和深度研究能力的任務。

歐洲宇航局ExoMars火星漫遊者和地面平臺著陸過程

在發射和巡航階段，歐洲宇航局的一個運載艙將在護罩內運送地面平臺和漫遊者。在到達火星大氣層之後不久，下降艙將與運載火箭分離。在下降階段，隔熱罩將保護有效載荷免受嚴重的熱流影響。降落傘、推進器和阻尼系統將降低速度，允許在火星表面進行受控著陸。

ExoMars火星漫遊者

ExoMars計劃的科學目標是：

•尋找火星上過去或者現在生命的跡象

•研究淺地下深度的水源，確定有沒有水，無論是液態還是其他形態

上述活動將按照歐洲航天局的行星保護政策進行，該政策符合宇宙空間行星保護建議。ExoMars計劃的另一個目標是通過TGO跟蹤氣體軌道器為火星表面的著陸器提供資料中繼服務，直到2022年底。

俄羅斯宇航局和歐洲宇航局的合作任務，ExoMars火星車和地面單位組合在一起

2.9噸SCC航天器複合材料由義大利泰利斯·阿萊尼亞航天公司根據歐洲宇航局合同研製。俄羅斯宇航局將提供的CM運載模組和2噸DM下降模組，下降模組將攜帶歐洲宇航局提供的350公斤火星探測器模組。

著陸器是一個用於研究著陸地點火星環境的表面平臺。著陸器計劃壽命為2個地球年，將包括12個儀器：TSPP4部攝影機，mtk氣象套件，rat-m輻射計，maigret磁強計，SAM檢波器，勞拉火星測地學儀器，pk塵埃研究儀器，m-dls大氣鐳射光譜儀，微量氣體傅立葉光譜儀，mgak火星氣體分析元件，adron-em微塵分析光譜儀，溼度及輻射感應器。

在著陸工作穩定後，歐洲宇航局負責的火星車將離開地面單位ExoMars 2020火星車漫遊者有效載荷

ISEM ，ExoMars紅外光譜儀

ISEM是一種可以使用鉛筆粗細光束探測的紅外光譜儀，它將在近紅外範圍內測量太陽輻射，對ExoMars漫遊者附近的地表礦物學進行大致環境評估。該儀器將安裝在漫遊者的桅杆上，並將與全景相機PanCam、高解析度相機HRC等科學載荷一起操作。ISEM將研究探測器附近火星表面的礦物學和岩石學組成，並與其他遙感儀器相結合。

ExoMars科學載荷分佈，ISEM在桅杆上安裝

科學家對含水礦物特別感興趣，如層狀矽酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽巖等礦物。儀器可以覆蓋1.15至3.30之間的光譜範圍。ISEM光學頭安裝在桅杆上，其電子盒位於漫遊者體內，另外ISEM的品質為1.74公斤。

ISEM與PanCam高解析度相機還有廣角相機WAC一起安裝在漫遊者的桅杆上。通過桅杆的平移和傾斜結構，ISEM可以在方位角和仰角上指向特定的方向。在正常操作中，視場為37°x 37°的PanCam和WAC將成像一個大的全景圖，而視場為5°x 5°的PanCam HRC將在這個全景圖中以高解析度成像幾個目標。

ExoMars全載荷雙角度分析

ISEM的主要科學目標是：

•尋找和研究含有氫氧根或水的礦物

•對火星表面最上層礦物和岩石進行地質調查和研究

•識別和繪製著陸地點的任何水蝕跡象的結構

•對選定區域的地表成分進行實時評估，以支援識別和選擇最有前景的鑽井地點

•在有限的觀測週期內，儘可能地研究大氣塵埃特性和大氣氣體的組成變化。

ExoMars富蘭克林著陸器桅杆結構的科學載荷

Ma_MISS，火星多光譜地下研究成像儀

Ma_MISS實驗是由ExoMars 2020富蘭克林探測車鑽機系統承載的可見近紅外VNIR小型化光譜儀。Ma_MISS將執行紅外光譜反射率在0.4至2.2µm的調查範圍，礦物學特徵挖掘鑽孔壁的深度介於1釐米至2米。儀器狹縫利用鑽柱的運動特性，可以對鑽柱進行掃描，建立井眼的高光譜影象。Ma_MISS儀器的主要目標是研究火星的地下環境。在ExoMars 2020著陸點，地下沉積物可能含有並儲存著水冰和水化物質，這將有助於我們了解水在火星上的資訊。

Ma_MISS在富蘭克林漫遊者的鑽頭之內

Ma_MISS光譜範圍和取樣能力已經仔細選擇過了，以便在收集樣品之前就地研究礦物和其他物質。Ma_MISS位於ExoMars富蘭克林漫遊者的鑽頭內，是與火星表面最接近的儀器。Ma_MISS將成像該鑽孔機為研究火星礦物學和岩石形成而形成的井壁。這將為研究地下土壤和岩層提供有價值的資料。與水有關的礦物的分佈和狀態，這也將有助於描述火星的物理環境。

Ma_MISS可以通過位於鑽具上的一和視窗照亮洞的圓柱形壁。它將捕獲反射光，分析其光譜，並將孔層學的資料傳輸到漫遊者計算機上，進行進一步的分析並傳回地球。

這張圖片是在義大利帕多瓦大學空間研究與活動中心CISAS中拍攝的，為我們展示了帶有藍寶石MA_MISS視窗和光學頭的鑽具工程模型

ADRON-RM，中子輻射自主探測器

ADRON-RM是一個俄羅斯專案，被歐洲航天局選定作為聯合著陸任務。俄羅斯宇航局設計了一種緊湊的無源中子星光譜儀ADRON-RM，用於研究沿著ExoMars探測器行走路線的水和中子元素。

在探測器上，ADRON-RM將測量火星表面中子通量的空間變異性。該儀器還將對輻射背景的中子成分進行持續監測，並增加我們對火星表面輻射的了解，這將為今後人類前往火星的任務提供資訊。

出發前進的富蘭克林火星漫遊者

ADRON-RM科學調查的主要目標包括：

•測量固定平臺位置和漫遊者沿線的體積氫含量分佈。

•評估固定平臺位置和漫遊者導線沿線主要土壤中子吸收元素的體積組成。

•監測自然輻射背景的中子成分，估算來自GCRs宇宙射線和SPEs太陽粒子事件的火星表面中子輻射程度。

ExoMars地面工作臺

ADRON-RM是一個整合模組，其原理和設計來自於NASA 2011年MSL漫遊者任務上的DAN中子動態反照率儀器。當年DAN由探測器兩側整合的兩個獨立單元組成，分別是脈衝中子發生器和探測單元。DAN可以在主動和被動測量模式下工作，在主動模式下，DNA/ PNG脈衝中子發生器產生2µs脈衝高能中子。

CLUPI，特寫成像儀

CLUPI成像儀特寫鏡頭

ExoMars火星車搭載的CLUPI是一個功能強大的高解析度彩色相機，專為近距離觀察而設計，另外它在可移動鑽機上有很多種角度可以選擇。該儀器的科學目標是根據結構和顏色對岩石進行地質特徵描述，並尋找潛在的生物特徵。CLUPI將通過勘測地質環境，獲取岩石的近距離影象，鑽孔頂部等資料。

該相機系統將以非常精細的方式拍攝岩石和鬆散物質的影象，解析度為幾十微米到幾釐米不等。這些影象將幫助科學家確定環境，比如水環境、火山環境等等。

ExoMars近距離成像儀Clupi在歐洲航天局位於荷蘭的技術設施進行了最後的校準測試

CLUPI的另一個非常重要的目標是在岩石上尋找形態生物特徵。可能存在於火星上的原始微生物型別非常小，都不到一微米或不超過幾微米，但它們的菌叢集和生物膜要大得多。這些特徵的痕跡可能以碳殘留物的形式儲存在火星岩石中。CLUPI還是一個成像器，具有從10釐米到無限遠的聚焦能力。為了給彩色影象，相機有三層畫素，也就是紅、綠、藍。

MOMA，火星有機分子分析儀

MOMA儀器在無塵真空室GSFC的特寫鏡頭

搭載在漫遊者上的MOMA儀器的目的是分析火星表面和地下沉積物中揮發性和難降解的有機化合物。MOMA必須先揮發有機化合物，這樣才能被質譜儀MS檢測到。如何揮發有機材料呢？有兩種操作模式：分別是蒸發誘導或熱化學分解揮發。

MS及其驅動電子裝置，以及主要電子裝置，是由美國宇航局戈達德太空飛行中心GSFC，密歇根大學空間物理研究實驗室和巴特爾工程公司共同開發的。鐳射驅動電子學是在MPS上建立的，而鐳射頭LH是在漢諾威鐳射中心LZH設計和建立的。另外，MOMA是ExoMars漫遊者中最大的儀器。

MicrOmega影像系統

MicrOmega是一種可見的近紅外高光譜顯微鏡，設計用於研究表徵火星樣本的結構和組成，這些樣本會被放在ExoMars小型分析實驗室儀器上。光譜範圍大約是0.5至3.65µm，光譜取樣範圍是0.95至3.65µm。MicrOmega已經可以對大多數礦物成分進行識別。

MicrOmega特寫鏡頭

MicrOmega主要用於在顆粒尺度上識別火星樣品的礦物和分子組成。MicrOmega連同剛才提到的MOMA和RLS分光計將對收集到的樣品進行特徵分析，特別是其中可能含有的有機物。這些儀器的組合資料對於描述火星過去和現在的地質過程、氣候和環境，特別是幫助確定碳或水存在的證據，將是至關重要的。

PanCam，全景照相機

歐洲宇航局工程師看著PanCam科學載荷

PanCam可以和其他科學載荷合作，為該任務建立地表地圖地貌背景。PanCam的設計包括一對立體廣角相機WACs，每個廣角相機都有11個位置的濾光輪和一個高解析度相機HRC，用於遠距離岩石紋理的高解析度調查。攝像機和電子裝置被安置在一個光學實驗臺上，為漫遊者桅杆和行星保護屏障提供機械介面。

PanCam的整合工作和檢測工作進行時拍攝到的圖片

PanCam還將支援其他漫遊者儀器的科學測量。它將捕捉難以進入的高解析度地點的影象，比如火山口或巖壁。它還可以監測鑽取的樣本，然後將樣本攝入並在漫遊者內壓碎進行分析。

RLS，拉曼鐳射光譜儀

拉曼光譜儀是基於入射單色光物質的非彈性散射而發展起來的一種著名的分析技術，在實驗室和工業上有許多應用，但在空間應用的比較少。

RLS拉曼鐳射光譜儀特寫鏡頭

ExoMars 2020的拉曼儀器由三個主要單元組成：耦合到CCD探測器的透射光譜儀，電子盒，包括控制儀器功能的鐳射器，除此之外具有自聚焦功能的光學頭，用於照明和收集被測點的散射光儀器。

拉曼儀器為礦物和生物標誌物的最終鑑定和表徵提供了強有力的資料。拉曼光譜對任何礦物或有機化合物的組成和結構都很敏感。這種能力提供了火星現存或過去生命特徵的直接資訊，以及有關火成岩、變質岩的沉積過程。

RLS透射光譜儀特寫鏡頭

拉曼還將通過將其光譜資訊與其他光譜和成像儀器（如MicrOmega紅外光譜儀）相關聯來支援科學測量。此外，拉曼儀器能夠在幾分鐘內測量樣品，以便釋放選定的樣品供其他ExoMars儀器（例如MOMA儀器）進一步分析。

WISDOM智慧，水冰地下沉積觀測雷達

尋找火星上過去或現在生命存在的證據是ExoMars漫遊者任務的主要目標。在哪裡可以找到這樣的證據呢？很可能是在地下，那裡的有機分子不受電離輻射的破壞。

富蘭克林在火星的模擬圖

所以智慧探地雷達設計可以提供從3到10米的垂直解析度（解析度是3釐米），這取決於風化層的介電效能。這一深度範圍對於了解地質演化地層學、地下水的分佈和狀態至關重要。同時智慧探地雷達也為尋找生命和確定最佳鑽探地點提供了重要線索。

智慧雷達將通過探測火星地表上層，提供其淺層地下結構的詳細檢視。與傳統的成像系統或分光儀不同，傳統的成像系統或分光儀僅限於研究可見光表面，智慧探地雷達可以提供漫遊者所覆蓋地形的三維地質背景圖。

智慧雷達天線飛行模型

智慧將利用超高頻探地雷達的雷達脈衝（500兆赫到3兆赫的頻率範圍）遠端研究地下結構的性質，繪製地下層圖。它將提供高解析度的測量，垂直解析度為3釐米，深度為3米，與探測車鑽頭2米的長度互補。該儀器可以通過安裝在漫遊者背面的兩個小天線收發訊號。智慧測量將通過確定潛在目標的性質、位置和大小來確定最佳的鑽探地點。

明年的主角之一，ExoMars

其實看到這裡大家就明白了，ExoMars無論是什麼科學載荷都是圍繞著尋找有機物或者火星生命而來的。確實，火星到底有沒有生命，這是科學家們也是我們最想探究的問題。除此之外，ExoMars還需要研究淺層地下結構和地表結構，繪製一些專業地圖。這樣我們可以知道火星表面曾經有沒有河流存在的痕跡，也可以明白火星地下水是否存在。

新火星探測時代即將到來，中國的火星探測器，美國宇航局的火星2020探測器，還有歐洲宇航局和俄羅斯宇航局的ExoMars，都是非常優秀的任務。關切火星環境和火星生命，就是為未來人類的火星任務，甚至是為移居火星做準備。

火星殖民地渲染圖

多年的問題即將揭開，火星將成為繼月球以來，人類了解的最深的星球。加油，2020。