去火星 找甲烷
□ 迟惑
对“火星生命2016”的EDM进行总装集成与测试试验
飞行过程
“火星生命2016”实际上分为两个部分，首先是被称为跟踪气体轨道器（TGO）的主任务平台（以下简称“轨道器”）和被称为“再入、下降和着陆舱”（EDM）的着陆器，后者绰号为“斯基亚帕雷利”（以下简称“着陆器”）。二者组合在一起发射，并一起渡过地球到火星的飞行周期。
“火星生命2016”要在宇宙中飞行7个月，然后与火星交会。在进入火星顶部的三天前，着陆器从飞行联合体上分离，向火星直降而下。当抵达距离火星地面122.5千米时，着陆器进入激活状态，以2.2万千米每小时的速度冲进大气层，先靠短锥外形的气动阻力来减速，然后打开降落伞，最后在接近火星地表的时候用火箭发动机制动。在下降过程中，着陆器和轨道器之间保持着通信联系。着陆开展工作后，通信功能就移交给欧空局的“火星快车”和美国航宇局的某个火星中继轨道器。目前都在绕火星飞行。轨道器本身会进入一个高度为400千米的轨道，同样绕火星飞行。
在着陆器的正前方的扁圆锥体是前热防护罩，用来保护内部设备不受摩擦生热的破坏。着陆器要靠气动阻力下降到1千米高度才打开降落伞，此时速度为1650千米每小时，然后抛掉前热防护罩。降落伞其实就连接在后热防护罩上，不久着陆器会将后热防护罩和降落伞一起抛掉。这时着陆器要启动液体火箭发动机，把下降速度降低到7千米每小时，比人的步行速度略微快一点。距离地面两米时，发动机关闭，着陆器直接掉落到地上，撞击速度11千米每小时。在地球上，两米高度的坠落足够破坏科学仪器了。火星上的重力加速度虽然只有地球上的三分之一强，但直接掉下去也不行。因此着陆器的仪器舱下方设有溃缩机构，可以吸收坠落时的冲击能量，保护仪器舱安全。着陆区是一片古老的赤铁矿平原。在地球上，这样的地形上几乎一定有水，火星会不会遵从同样的规律？值得期待。这处平原上的岩石尺寸不超过40厘米，坡度不超过12.5度，适合着陆器这样的固定探测器。
轨道器的任务和设备
轨道器的主要任务，是在火星大气中寻找与生命相关的气体，例如甲烷及其降解物。轨道器的探测任务拟从2017年12月正式开始，持续探测5年。“火星生命”2018发射后，轨道器还要为它提供通信中继服务。
轨道器也是史上第一次由两个航天局合作发射火星探测器——欧空局和俄罗斯航天局。火星大气中只有不到1%的甲烷。从此前的地基观测和空间观测来看，火星大气中的甲烷分布随着区域和季节变化而变化。考虑到甲烷的稳态只能保持有限的时间，这种变化意味着火星上有现存且活跃的甲烷来源。然而，人们还不知道这些甲烷是生物产生的，还是地质化学过程产生的。在地球上，生物在消化营养时会放出甲烷，不过一些纯粹的地理化学过程也会产生甲烷，例如某些矿石的氧化过程。轨道器的任务就是采集数据，帮助人们进行研判。此外轨道器还携带了多种仪器，用来探测水蒸汽、氧化氮、乙炔等成分，据说精度比之前的探测器高三个数量级。
轨道器将考察火星大气成分和温度随季节的变化情况，来建立并优化精细的大气模型。轨道器还能对火星浅地表下深至1米的氢含量进行测绘制图。这项探测的意义在于发现沉积在火星地表下的水冰。如果有所发现，再结合其他火星资源探测的成果，将为后续任务、特别是载人探索任务的着陆点选址提供依据。
轨道器的外形和通信卫星非常相似，有两只太阳电池帆板和一副抛物面天线。轨道器基本情况见表1
（1）火星天底点和掩星观测器（NOMAD）。负责单位为比利时天文研究所。
这是一个由三台辐射计构成的综合探测仪器，用于在红外、紫外和可见光三个频段观测，以此分析出火星大气的成分，特别是一些低浓度成分，还能绘制出这些成分的分布图。在观测的时候，NOMAD有三个模式，掩星模式是躲在火星的阴影区，观测穿过火星大气的阳光；边缘+天底点+掩星模式则是要综合考虑火星地面特征和阳光反射、透射；紫外和可见光模式主要针对某些感兴趣的成分，例如臭氧、硫磺酸和气溶胶。
（2）大气化学组件（ACS）。负责单位为俄罗斯科学院空间研究所。
ACS由三个频谱仪组成，分别覆盖近红外、中红外和远红外，可以探测火星大气中的水、甲烷等其他低浓度成分，以此研究火星大气的结构和其他光化学内容。ACS有三个模式，分别是掩星模式、天底点模式和边缘模式，前两者分别观测直接透过火星大气的阳光和从火星大气反射回来的阳光，边缘模式对准火星地平线，观察从那里散射的阳光。
（3）彩色立体表面成像系统（CaSSIS）。负责单位为瑞士伯尔尼大
学空间研究与行星科学部。
CaSSIS用来描述可能有重要气体来源的地区，研究动态的表面过程，例如升华、侵蚀、火山活动，这些都会对大气成分产生影响。这个设备还可以用来描述地形、演示和其他可能发生的灾害。
科学家们可以通过CaSSIS 获得的彩色和立体图像，了解某些气体的来源或沉降与地质过程是否有所联系，区分所关心的甲烷等气体是由生物过程还是地质活动产生的。CaSSIS装在轨道器面向火星的一面，这就带来了一个问题。轨道器采用电火箭发动机，为了保持足够的供电，可能要根据飞行位置的改变而改变姿态，确保太阳翼正对太阳，但在某些时候，这可能会导致阳光干扰CaSSIS的观测。因此，欧空局为CaSSIS设计了一种补偿机构，抵消轨道器姿态改变对CaSSIS指向的影响。
（4）FREND ，全名高分辨率超热中子探测器。负责单位为俄罗斯科学院航天研究所。
FREND用来测量火星表面的中子通量。由于宇宙射线持续不断轰击火星表面，与岩石、土壤发生反应。宇宙射线轰击物质的原子，释放出高能量中子，然后部分中子又被附近物质的原子核吸收。然而相当多中子就此游离出来，成为FREND的观测对象。考虑到氢原子对中子吸收的影响很大，因此通过对中子通量的分析，可以发现某处是否有氢元素存在，进而发现是否有水。
着陆器的任务和设备
着陆器以意大利天文学家斯基亚帕雷利 (1835 - 1910)命名。他曾经观察到火星表面布满一些显著的直线并称之为Canali (意大利文“沟渠”的意思)。后人在把他的著作翻译成英文时，误将“沟渠”译为“运河”(Canals)，一些天文学家误以为他观察到了火星上存在智能生物。
着陆器的再入过程将全面验证欧洲自主研发的火星再入、下降和着陆技术，与此前的欧洲火星着陆任务相比，着陆器的特点是再入方向和速度都受到一定的控制。实际上，着陆器是目前为止整个火星生命计划的技术成就集大成者，包括特种防热材料、降落伞系统、雷达多普勒高度计系统、液体发动机制动系统。不过与美国的火星探测器不同，着陆器没有发电能力，没有太阳能电池也没有同位素电源，它只能靠自己携带的电池工作2个～8个火星日。
“火星生命2016”的TGO和EDM联合震动试验
“火星生命2016”的TGO进行总装集成与测试试验
另外还有一些辅助性的设备，包括：
（1）复合气动加热和无线电高度计敏感器设备包（COMARS+）
这个设备用来在着陆器穿过大气层并向火星地表降落时，测量其外表面的变化，这对于解读火星再入、下降和着陆的机理有着重要的意义。CMARS+安装在着陆器的后背部位，三个直径22毫米的敏感器并排安装在里面，再加上一个宽带无线电高度计和一个电子设备盒。整套设备重1.73千克，功耗4.5瓦。这些敏感器可以同步测量着陆器后部外壳的气压、表面温度、热传导率以及空气的热辐射总量。COMARS+中还有两个窄带的无线电高度计，称为ICOTOM。飞行数据的测量和记录不但有助于更好地理解着陆器的飞行性能，还能监视其飞行健康。测量过程从进入火星大气层开始，到1200米高度防热罩与仪器舱分离时结束。COMARS+由德国宇航中心负责研制。
TGO与EDM分离的想象图
（2）着陆器下降相机（DECA）
这是一个起备份作用的可见光相机。它的质量只有600克，是一个9厘米边长的正方体。DECA用来在着陆器接近火星表面时拍摄地面影像，来确定火星大气的透明度，也能用来为火星地形3D建模服务。DECA要在着陆器抛掉防热大底之后才会暴露出来，开始工作。它将以1.5秒的间隔拍摄15张照片，存储在相机内部。当着陆器着陆几分钟后，计算机读出数据并且发回地球。着陆后，DECA就不再工作了。DECA由欧空局设在比利时的精密仪器研究所负责研制。
（3）着陆-漂移反射器研究设备（INRRI）。
它是由一组立方体激光角反射器组成的球体，安装在着陆器的天顶点部位。其他绕火星飞行的探测器可以通过发射激光来确定INRRI的位置。由于它是被动工作的，即使在着陆器停止工作后，也能继续发挥作用，例如用来研究火星测地学或者广义相对论。阿波罗计划期间，美国航天员也在月球上放置了一个类似设备，一直在发挥作用。INRRI还能用来进行激光通信试验、激光雷达试验，通过测量它的反射能力，还能研究火星尘埃的聚散情况。这个设备非常小，直径只有54毫米，质量只有25克。INRRI的负责单位是欧空局设在意大利的国家核物理研究所-弗拉斯卡蒂国家实验室。
眼下，“火星生命”2016正在奔赴火星途中，后续规模更大、技术水平更高的“火星生命”2018正在研制，将在2018年发射升空。这将是人类火星探测史上的又一个高峰。