欧空局火星车痛失座驾第7次延期若选择天问一号将是上上之策

每一个有实力的航天实体都有一个“火星梦”，欧空局自然也不例外，按照计划该局负责的“罗莎琳德·富兰克林号火星车”将于今年9月踏上奔火旅程，然而事与愿违的是，由于地区局势问题导致欧空局不得不暂停发射计划，使得由拉沃奇金设计局研发的“哥萨特号着陆下降模块”不得不退出该火星车发射计划，一同退出的还有“质子M运载火箭”。

ExoMars-2022火星探测器

结果到头来这辆火星车不仅没有了发射用的火箭，甚至连登陆火星的座驾也没有了，这就很尴尬……

实际上富兰克林号的尴尬纪录又何止这一个，该火星任务被冠名为“ExoMars-XX”，“XX”指的是年份，发射日期一变再变使得任务名称也是一变再变，从ExoMars-2009到ExoMars-2022足足变了7次，就往后形势来看还将继续“变”下去。

延期原因五花八门，技术问题、资金问题、合作问题等等，每一个问题都足以让富兰克林号火星车胎死腹中，归根结底是独立自主能力的缺失，这是最核心的问题。

罗莎琳德·富兰克林号火星车

比如，此前詹姆斯-韦伯空间望远镜的一再延期导致的资金消耗甚至可以直接影响ExoMars火星任务的进度。昔日NASA也曾是该任务的合作伙伴，人家一退出，欧空局顿时就没了主心骨。

全球化时代“合作”是需要的，然而如果将合作作为唯一选择，那么也就走向了另一个极端。

一位智者曾说过这样一句话：以斗争求和平则和平存,以妥协求和平则和平亡。套用过来就是“以独立自主求合作则合作存，以妥协求合作则合作亡”。

ExoMars-2022作为欧空局的旗舰级火星任务，它究竟是一个什么样的火星探测器？

ExoMars-2016（前端锥体结构是“斯基亚帕雷利号着陆器”，其余部分则是“火星痕量气体轨道飞行器”）

ExoMars计划实际上包含了两次发射任务，第一次是2016年实施的“ExoMars-2016”火星痕量气体轨道飞行器，该探测器旨在探测火星大气中的甲烷和其他微量气体，而这些气体可能是生物活动的证据。

ExoMars-2016携带有“斯基亚帕雷利号着陆器”，这是一款简化配置的火星着陆器，它甚至没有配备可充电的太阳翼，意味着寿命很短（探测器设计火面生存时间是4个火星日），因为其首要使命是验证火星大气进入技术。遗憾的是此项任务最终失败，如果算上小猎犬2号，这就是欧空局第二次失败的火星登陆任务（以成功登陆火星并正常开展工作为标准判定）。

MRO火星侦察轨道器拍摄着陆失败的“斯基亚帕雷利号着陆器”

虽然斯基亚帕雷利号着陆器登陆火星任务失败，但是主探测器“痕量气体轨道飞行器”却是成功的，当前该探测器正运行在轨道高度约400公里的火星圆轨道上，除了科学探测任务，它还有一项使命，就是作为欧空局火星车的中继通信卫星。

ExoMars计划第二次发射任务便是“ExoMars-2022”，原本该探测器计划与毅力号、天问一号、希望号一道于2020年火星任务窗口一道奔火，无奈最终因降落伞技术问题被迫延期，然而这一次延期之后等待它的却是又一个“遥遥无期”。

ExoMars-2022降落伞测试

ExoMars-2022火星探测器发射质量约2.697吨，由“承载模块”与“下降模块”两个舱段组成，该探测器的主要使命是登陆火星并释放“罗莎琳德·富兰克林号火星车”，开展着陆平台原位探测，以及火星车巡视探测任务。

承载模块也被称为巡航模块，主要担负地火转移飞行期间的姿轨控任务，靠近火星时也不需要实施近火制动操作，而是分离承载模块直接进行火星登陆任务。

巡航模块

下降模块发射质量约2吨左右，由隔热罩、降落伞、着陆平台、火星车组成，如果成功这将是人类迄今为止最大规模的采用着陆腿机构进行火星软着陆的探测器。

下降模块

隔热罩属于双锥体气动构型，主要负责着陆巡视组合体的隔热与气动减速任务；由欧空局抓总负责的降落伞模块设计则颇为“奇葩”，他们标新立异地选择了双主伞设计，加上两个引导伞，降落伞数量就是4个。

ExoMars-2022探测器下降模块复杂的开伞步骤

第一级主伞直径15米，开伞速域是超音速飞行阶段；第二级主伞直径35米，开伞速域为亚音速飞行阶段。后者刷新了人类火星登陆任务的主伞直径纪录，比毅力号火星车的21.4米主伞直径还要大得多。

ExoMars-2022探测器下降模块高空开伞测试

为什么要选择如此复杂的降落伞设计方案？

火星登陆任务的首要使命就是“减速”，要让进入大气时近两万公里时速降为零，而减速目标是通过逐级接力减速实现。

ExoMars-2022探测器的哥萨克号着陆平台动力减速能力很弱，因此才不得不在降落伞减速阶段“绞尽脑汁”，归根结底是因为“根基不牢”。

富兰克林号火星车与哥萨特号着陆平台合体

如果一切顺利，最终该探测器会在着陆腿支撑的缓冲下实现火面软着陆，从而终结欧空局与苏俄关于火星八字不合的历史。

着陆火星后，着陆平台会向前后两个方向展开3.1米长的坡道，供罗莎琳德·富兰克林号火星车驶下着陆平台，具体选择哪个方向取决于登陆的地形。与其他火星车登陆任务不同，其着陆平台也将具备原位探测能力，因此也配置有太阳能电池阵与45公斤规模的科学探测载荷。

富兰克林号驶离着陆平台效果图

虽然ExoMars-2022计划一路走来有太多的磕磕绊绊，但如果最终可以实现，也不失为国际协作的典范，可以作为所谓科学无国界的教学案例。然而客观世界的发展并不以人的意志为转移，最终富兰克林号火星车还是痛失了登陆火星的唯一门票——俄方设计研制的下降模块（进入舱 着陆平台）将不再为该火星车服务。

没有了座驾的“罗莎琳德·富兰克林号火星车”还有哪些其他选择？

早期该火星车曾设想过使用NASA的气囊缓冲着陆方案，然而340公斤级的火星车不同于百公斤级的勇气号与机遇号，需要研制匹配更大规模的气囊，技术难度较大。

富兰克林号火星车采用气囊缓冲着陆的效果图

最适合该火星车的仍然是动力减速方案，而纵观NASA现存的火星着陆用动力减速产品有两类，一类是好奇号与毅力号使用的天空起重机，然而天空起重机自身并不能充当探测器，意味着NASA提供该产品的方式只能是交易，这将意味着高昂的资金投入，对于欧空局而言是难以接受的。

天空起重机效果图

另一类就是类似洞察号探测器的动力减速着陆腿缓冲平台，然而此类产品的承载能力非常有限，富兰克林号依旧无法选择。

洞察号火星探测器全景自拍

放眼世界，能够成功登陆火星并开展巡视探测的除了NASA，那就是中国航天，我们已于去年通过天问一号探测器任务一步实现了对火星的“绕、落、巡探测工程目标”，该型探测器的下降着陆模块与富兰克林号火星车是高度匹配的。为什么这么说呢？

富兰克林号火星车重340公斤，天问一号探测器的火星车祝融号则是240公斤，二者虽然有百公斤重量差别，但这并不能代表天问一号的火星着陆能力上限。

火星上的祝融号（左）与地球上的富兰克林号（右）

前面说到，ExoMars-2022下降着陆模块选择极为复杂的4个降落伞的伞系减速设计是因为其着陆平台“哥萨克号”动力减速能力的羸弱，有多弱呢？

该着陆平台原本设计配置8台CHT-400型发动机作为反冲减速动力，总推力3200N，后来拉沃奇金设计局的设计方案是配置4台11d458M发动机，该型动力是运载火箭产品微风M上面级的配型动力，总推力进一步下降至1568N。

ExoMars-2022任务“哥萨克号着陆平台”底部视角，4台反推发动机清晰可见。

与之对比，天问一号探测器着陆平台就不同了，该着陆平台的主减速发动机是1台7500N变推力发动机，该型动力最大推力可达8250N，可实现5:1推力调节，最大推力是哥萨克号着陆平台的5倍有余，除此之外还有多台250N推力级别的姿控发动机在必要时也可参与动力减速任务，较大的动力冗余表明，该着陆平台完全有能力承运比祝融号更重的火星车。

成功着陆火星的天问一号探测器着陆平台

充盈的减速动力配置意味着不需要像欧空局ExoMars-2022那样选择可靠性极低的双主伞方案，而是只需要一部主减速伞即可满足降落伞减速任务需求，且该伞具备在2倍音速速域内的超音速开伞能力。

富兰克林号火星车如果选择天问一号的下降着陆模块，后者只需要适当放大进入舱即可满足需求。

天问一号火星探测器进入舱

有一些航天爱好者经常喜欢用玄学来解释航天任务的成败之谜，比如将欧空局与苏俄在登陆火星探测任务中的屡战屡败归咎为“运气不好”，然而火星从来不相信“运气”。

以NASA火星登陆任务为例，维京一号首次登火即成功，后来维京二号与旅居者号火星车更是实现了三战三捷。连战连捷的背后有赖于NASA对于火星探测任务的科学管理，以及计划制定节奏的稳扎稳打，通过飞越探测、环绕探测、着陆探测、巡视探测一系列必要的过程逐步消除认知与知识盲区。

NASA的旅居者号火星车

而当这种科学管理的模式被打破，失败也就是必然。比如NASA极地登陆者号登火失败的核心原因就是质量管理的疏漏，该探测器着陆平台关机敏感器错误的在距离火星表面还有40米高度时判断已经登陆火星，导致动力减速发动机提早关机，最终探测器砸在了火星表面。

登火失败的NASA“极地登陆者号”

反观我们的天问一号探测器第一次独立自主实施火星探测任务，就设定了一步实现绕、落、巡火星工程目标，看上去比NASA更为激进，这是因为我们急于求成吗？当然不是。

一线参研人员对天问一号着陆火星任务的评价就是一个词“完美”。这里的完美既是战略完美，也是战术完美。嫦娥探月工程与载人航天工程为这两个“完美”的实现添上了最强注脚。

通过嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号等任务的实施，我们不仅锻炼出了一大批成熟且年轻的科研队伍，更孵化了一大批先进成熟的货架产品可供选用。

佳木斯深空测控站

比如服务深空探测的深空测控网，这张网的测控最远触达距离已经可以直抵太阳系边际的冥王星。

还有在嫦娥系列登月任务中屡战屡胜的7500N变推力发动机，这是一款不可多得的地外天体登陆用金牌动力，在火星任务中该型动力得到了进一步升级，其7500N工况比冲优于298s，而承载毅力号火星车的天空起重机的火星着陆发动机MR-80B的推力仅为3100N，比冲也没有超过223s。

由此可见，我国7500N变推力发动机是当今世界现存推力最大、比冲最优的地外天体着陆发动机，以此为基础未来若想拓展多发并联设计的天空起重机类型着陆平台，其承载能力将大大超过毅力号任务。

天问一号探测器着陆平台部分结构，画面中间的喷管便是7500N变推力发动机。

在嫦娥五号T1任务中，我们在全球范围内率先揭示了降落伞尺寸效应机理，使得降落伞能够以最小尺寸重量满足任务需求，降落伞重量的缩减进一步利好探测器的整器优化设计，天问一号进入舱降落伞系统也得益于此。

天问一号着陆巡视器34米直径主减速伞在火星上空展开

在火星登陆任务中最先经受考验的是进入舱的隔热材料，天问一号进入舱外壳应用的是“超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料”，该型材料具有质量轻、隔热性能好等性能优势，还有一次成形的工艺优势，材料灌注周期仅需一周左右时间，而NASA毅力号任务的防热大底则需要数月。天问一号能有此优势则主要得益于载人航天工程的技术突破。

天问一号探测器进入舱防热大底

火星大气的大量不确定因素以及探测器自身可承受的过载值、热流值、开伞时机、抛背罩时机等诸多因素不仅会影响着陆精度，更是制约任务成败的关键所在。

为此天问一号设计了一体化自适应规划制导与控制系统，该系统可根据多种约束条件自主决策各关键事件的操作，进而极大程度提高了任务成功率以及最终的落点精度，此项技术具有典型的世界领先特征，即便毅力号火星车当前都不具备。同类技术此前已经在我们更早的新一代载人飞船试验船首飞任务中进行了成功的应用，天问一号则将此项技术在火星任务中进一步升级。

天问一号火星探测器整器合照

火星登陆任务全程只有八九分钟，整个过程分为：气动减速、降落伞减速、动力减速、缓冲着陆四个阶段，每个阶段环环相扣，任何一个阶段的失误都将导致任务失败。其中降落伞减速被认为是最复杂的一个环节，因为降落伞打开后会出现喘振现象，进而导致进入舱处于一个高动态的状态继而丢失导航信息，欧空局ExoMars2016火星登陆任务失败的原因就是在此环节出了问题。天问一号为此设计了快速重构算法，进而根治了这一问题。

在最后的动力减速与避障段，天问一号着陆平台继承并发展了嫦娥系列登月着陆器的基于机器视觉避障理念的激光三维成像技术，同时还加持了融合多个波束的相控阵避障雷达，探测器可在火星上空实现悬停，进而选择安全着陆点，之后缓速避障下降。

天问一号着陆巡视器悬停成像选择安全着陆点

由此可见，天问一号一步实现绕、落、巡火星绝非巧合，而是一步一个脚印占领技术高地，最终到达了一览众山小的高峰。

俄航天负责人罗戈津表示，如果欧空局接下来自行研发着陆下降模块，最保守的时间预测是六年，甚至需要更长时间。而富兰克林号火星车是很难等待这么长时间的，六年对于我们这个世界而言还会发生很多事情，所以如果欧空局愿意迈出与我们合作的这一步并不是不能预期。比如去年早些时间，欧空局火星快车号探测器就充当了祝融号火星车的中继卫星，双方成功实施了中继通信试验。

欧空局火星快车号与祝融号火星车成功实施了中继通信试验

两家在火星登陆任务中的合作无非是两个选项，第一个选择是向我们直接提出采购需求；第二个选择是基于互利的合作模式，我们可以将着陆平台改造成可以在火星表面原位探测的着陆器，并共享富兰克林号火星车所获得的所有探测数据。

前不久，欧空局内部也在极力呼吁发展独立自主的载人航天能力，而富兰克林号火星车原本就属于多年前旨在实现载人航天能力的“极光计划”。当前，欧空局宇航员也在争取能够进入我们的天宫空间站，如果他们能够顺应世界潮流做出正确的战略选择，相信也会有一个不错的未来。

富兰克林号火星车任务的发展现状，以及欧空局对外合作现状，进一步表明谁才是撕裂世界阻碍人类进步的祸源，而要根除美洲大陆上的这一祸源仍然需要我们发挥更大的作用。