複雜而遺憾的火星96任務，蘇聯解體後俄羅斯的首次深空探測項目

作者 LM-51D-YZ4D2

1.1 蘇聯解體後的俄羅斯深空項目.

前蘇聯原計劃在兩次火衛一探測計劃之後進行火星地表研究項目，計劃於1992年發射。後來因為資金問題推遲到了1994年。該計劃需要在1994年發射兩個軌道器，每一個都會攜帶火星懸浮氣球並且向火星表面發送小型著陸器。隨後1996年的第二個窗口期內計劃向火星發射另外兩個軌道器，並且部署火星表面巡視器。最後在1998年發射火星採樣返回任務。

後來經過計劃修改，計劃被調整為1994年發射一個攜帶小型著陸器和穿透器的軌道器，1996年發射第二個軌道器，配備一個火星氣球和一個巡視器。按照計劃，它們分別被稱為火星-94（Марс-94）和火星-96（Марс-96）。

火星-96探測器執行MTI插入點火的效果圖

1991.12.25，蘇聯解體。隨著新生的俄羅斯陷入經濟危機，資金匱乏，1994年的計劃被推遲到了1996年，而1996年的計劃被推遲到1998年（所以原Марс-94變成了Марс-96，同理原Mapc-96變成了Mapc-98）。

這就是俄羅斯第一次深空探測工程：火星-96（編號M1 520）

1.2 從火衛一探測工程到火星96.

眾所周知，1988年的兩次火衛一探測計劃都以失敗收場。而這兩次任務本來就收穫了極大的國際關注，以至於整個計劃被受到高層的仔細審查。不過這兩次任務的失敗並沒有導致有人被槍斃——這倒是第一次，但是計劃因為經濟衰退預算嚴重削減而受到極大影響。

隨後IKI內部出現了是否在1992年復現兩次火衛一任務亦或設計一個新任務的爭論。

在兩次火衛一探測計劃進行的同時，後續計劃已經開發，並且被命名為「哥倫布」。計劃分別在1992和1994年發射火星巡視器。但是到了1989年，蘇聯政府沒有足夠資金來支持項目，於是計劃被推遲。改為1994年發射——正如1.1中提到的。1994年任務的第一筆研發資金在1990年4月到位，並且法德同意提供等價於1.2億美元的研發支持。

在1984年發射的兩個織女星多目標探測器任務中，都攜帶了前蘇聯和法國聯合研製的兩個金星懸浮氣球探測器。這兩個氣球探測器取得了極大成功，於是前蘇聯計劃在火星探測器上也部署這種氣球探測器。

同樣的，一種新型巡視器的也將用於該任務。該巡視器設計質量達到200kg，配備有RTG電源，極速可以達到500m/h，設計壽命1-1.5個火星年，設計漫遊行程500km。

按照計劃，該巡視器配備有以下科學研究設備：

• 4個全景攝像機，可以拍攝火星全景圖像

• 一個用於大氣分析的4級質譜儀

• 一個雷射懸浮微粒光譜儀

• 一個地表分析用可見光-紅外光譜儀

• 用於揭示土壤磁屬性的若干個磁體

• 一個用於探測地層結構的無線電探測器，最大探測深度達到150m

• 一個氣象探測器

• 一個機械臂，用於採集樣本，帶有土壤觀測攝像機，兩個光譜儀（其中一個用於分析土壤含鐵礦物）和一個氣體分析儀用於確定痕量氣體。

原計劃的火星-94，包括一個氣球和一個巡視器

然而，由於資金問題，這兩個令人激動的探測器被推遲到原計劃的1996年，並且降低1994年任務的複雜度——當時計劃僅攜帶一個類似Mapc-3的著陸器的縮小版著陸器和沃爾納德斯基研究所提供的新型穿透器。

然而，蘇聯解體後帶來的經濟衰退導致俄羅斯航天局（RSA）得不到足夠的研發資金，擔心1994年計劃的發射不夠順利的RSA於是將其推遲到1996年發射，而1996年計劃被推遲到1998年發射。RSA將其優先級提到最高，提供了全力支持——如果不是要承擔國際義務和西方資金的介入 該計劃原本可能被取消。

但是因為經濟低迷，俄羅斯政府還是不能提供承諾的全部資金。RSA從低優先級任務中抽調了一部分資金，西方合作方又提供了1.8億美元的資金。到1996年初期，RSA已經欠債8000萬盧布，為了完成火星-96的最終整合和測試。

最終，歷盡艱難之後，裝載著火星-96探測器和Fragat ADU的Proton K-Blok D-2火箭推到了發射臺。並於1996年11月16日拜科努爾當地時間20：48：53發射升空。

2.1 火星-96的任務目標.

火星-96探測器由六個部分組成：火星-96軌道器主體，兩個微型火星著陸器，兩個穿透器和Fregat ADU。計劃進行對火星當前狀態和過去演變的全面研究，包括研究大氣、地表及內部的物理和化學過程。

2.2 火星-96的任務序列和機動/著陸計劃.

火星-96採用類似兩個火衛一探測器的發射任務序列：由Proton K-Blok D-2火箭將火星-96探測器送入大橢圓軌道，Blok D分離後Fregat ADU點火將探測器送入地火轉移軌道。最優發射時間是1996.11.16。

10個月巡航後，1997年9月，Fregat ADU執行MOI（Mars Orbit Inject，火星軌道插入），隨後拋棄ADU。

在執行MOI前4-5天，兩個微型著陸器會與主體分離並轉入12rpm的自旋穩定。隨後ADU進行一次偏移機動拉正近火點。俄羅斯人為兩個著陸器選擇了三個著陸區：41.31°N，153.77°W的阿卡狄亞，32.48°N，163.32°的亞馬遜。備用著陸點則位於3.65°N，193°W。

MOI後火星-96軌道器會進入500km×52000km，傾角106.4°的環火星軌道，並且逐步降低到周期為43.09小時的7：4火星周期軌道。近地點為300km。

兩個穿透器會在抵達預定軌道後7-28天內部署，設計落點是阿卡狄亞和烏託邦平原。它們會進入75rpm的自旋穩定，分離後使用減速火箭再入。兩個穿透器分離後ADU被拋棄，軌道器使用一個小的發動機進行軌道維持。一個穿透器會部署在一個著陸器附近，另一個則會部署至少差90°的位置，來為測震儀提供良好的基線。

軌道器設計壽命為1個火星年。每個月進行一次1-2m/s的軌道修正。

2.3 火星-96探測器的布局.

火星-96探測器布局類似兩個火衛一探測器，軌道器在上，Fregat ADU在下。兩個著陸器位於軌道器上方，而兩個穿透器被布置在Fregat ADU上。

火星-96探測器三視圖

探測器高3.5m，寬2.7m，在太陽能板展開後寬度為11.5m。

發射質量：6824kg

軌道器幹質量：2614kg

穿透器：88kg×2

著陸器：120.5kg×2

連接機構：283kg

ADU幹質量：490kg

燃料：2832kg

姿控肼：188千克

3.1 火星-96軌道器的科學儀器及使命.

火星-96軌道器基於火衛一探測器的軌道器研發，仍然使用加壓平臺。計算機和用於科學研究的大多數航天電子設備、熱調節設備、通信設備、電池和電子設備被固定在環形加壓平臺上。加壓平臺之上是一個扁平的甲板，安裝了太陽能電池板，兩個著陸器進入系統和儀器。太陽能電池上還安裝有低增益天線和姿控系統。

環形加壓平臺上安裝有一對掃描平臺（一個三軸TPS和一個雙軸PAIS），可以精確調整攝像機和光譜儀的方向。結構一側安裝高增益天線，另一側安裝中增益天線。高增益天線不能控制指向，設計對地通信碼速率為130kbps。熱控、導航及星敏感器也安裝在環形加壓平臺之上。

因為火衛一探測器的前車之鑑，西方表示對它的計算機不信任並且由歐洲方提供了新的，更加強大的導航計算機。

火星-96軌道器有12個用於研究火星大氣和地表的儀器，7個用於研究等離子體、場、顆粒和電離層成分的儀器，以及5個進行太陽和天體物理研究的儀器。它們位於兩個掃描平臺（TPS和PAIS）和太陽能電池板上。ARGOS包和導航攝像機位於TPS上，而SPICAM、EVRIS、PHOTON

位於PAIS上。

研究火星大氣和地表的儀器：

• ARGOS HRSC多功能立體高解析度電視攝像機（德國［西德］-俄羅斯）

• ARGOS WAOSS廣角立體電視攝像機（德國［東德］-俄羅斯）

• ARGOS OMEGA可見光和紅外繪圖光譜儀（德國-俄羅斯）

• FPS行星紅外傅立葉光譜儀（義大利-俄羅斯-波蘭-法國-德國-西班牙）

• TERMOSKAN繪圖輻射計（俄羅斯）

• SYET高解析度繪圖分光光度計（俄羅斯-美國）

• SPICAM多通道光學光譜儀（比利時-法國-俄羅斯）

• UVS-M紫外分光光度計（俄羅斯-德國-法國）

• LWR長波雷達（俄羅斯-德國-美國-奧地利）

• PHOTON伽馬射線光譜儀（俄羅斯）

• NEUTRON-S中子光譜儀（俄羅斯）

• MAK四級質譜儀（俄羅斯-芬蘭）

HRSC由西德提供，WAOSS由東德提供，後來二者整合至統一項目之中。ARGOS包中每個儀器都是一個推掃式掃描器，採用5184像素的CCD平行線性陣列。窄角攝像機有9個陣列，用於多光譜、光度測量和立體成像，解析度12m。廣角攝像機擁有3個陣列，用於立體成像，解析度100m。

TPS平臺擁有一個稱為MORION-S的機載處理單元，重25.3kg，包括一個重21kg，和ESA合作製造的固態內存系統。容量為1.5GB，用於降低傳輸要求。同時TPS上還有一個重23.7kg的OMEGA，用於測量大氣成分和繪製地表成分。

重28kg的TERMOSKAN用於測量風化層的熱屬性。

12kg的SVET用來分析地表和懸浮微粒的光譜。

20kg的PHOTON用於繪製地表元素成分。

8kg的NEUTRON-S用來確定冰和水的豐度。

35kg的LWR用於探測近地表層，衡量垂直結構和冰沉澱。也可以測量電離層中的電子分布，以及電離層與太陽風的相互作用。

25.6kg的FPS用於繪製二氧化碳分布圖，並測量大氣溫度，風和懸浮顆粒。

46kg的SPICAM利用太陽和恆星掩星數據來得到水蒸氣、臭氧、氧和一氧化碳的垂直分布圖。

9.5kg的UYS-M用來繪製火星上層大氣中的原子氫、氘、氧和氦及其星際介質結構圖。

10kg的MAK用來測量上層大氣中的離子和中子的成分和分布

研究等離子體、場、顆粒和電離層成分的儀器：

• ASPERA-C能量-質量離子光譜儀和中子粒子成像器（瑞典-俄羅斯-芬蘭-波蘭-美國-挪威-德國）

• FONEMA快速全向非掃描能量-質量離子分析儀（英國-俄羅斯-捷克-法國-愛爾蘭）

• DYMIO全向電離層能量-質量離子分析儀（法國-俄羅斯-德國-美國）

• MARIPROB電離層等離子體光譜儀（奧地利-比利時-保加利亞-捷克-德國-匈牙利-愛爾蘭-俄羅斯-美國）

• MARENF電子分析儀和磁力計（奧地利-比利時-法國-德國-英國-匈牙利-愛爾蘭-俄羅斯-美國）

• ELISMA等離子體波儀表（法國-保加利亞-英國-歐洲空間局-波蘭-俄羅斯-烏克蘭）

• SLED-2低能帶電粒子光譜儀（愛爾蘭-捷克-德國-匈牙利-俄羅斯-斯洛伐克）

12.2kg的ASPERA用來測量離子和快速中性粒子的能量分布。

10.7kg的FONEMA用來測量上層大氣等離子體的動態和結構。

7.9kg的MARIPROB和7.2kg的DYMIO用於為以上儀器提供數據補充。

12.2kg的MARENF可以分析等離子體電子，其攜帶的兩個磁通量磁力儀可以用來測量星際間及火星軌道內的磁場。

12kg的ELISMA用來測量火星環境中的等離子體波，其配備有3個朗繆爾探測器和3個搜索線圈磁力儀。

3.3kg的SLED-2用來在星際航行及火星環境中測量低能宇宙射線。

進行太陽和天體物理研究的儀器：

• PGS精密伽馬射線光譜儀（俄羅斯-美國）

• LILAS-2宇宙和太陽伽馬射線暴光譜儀（俄羅斯-法國）

• EYRIS恆星振蕩光度計（法國-俄羅斯-奧地利）

• SOYA太陽振蕩光度計（烏克蘭-俄羅斯-法國-瑞士）

• RADIUS-M輻射劑量監控器（俄羅斯-保加利亞-希臘-美國-法國-捷克-斯洛伐克）

25.6kg的PGS用於在星際航行期間測量太陽耀斑，然後在火星軌道上測量伽馬射線輻射。

5kg的LILAS-2用於和地球軌道上的若干太空飛行器和Ulysses探測器共同進行太空伽馬射線暴定位。另外還計劃通過火星掩星觀測來研究其天體來源。

1kg的SOYA和7.4kg的EVRIS光度計分別用來進行日震和天體震動測量。

RADIUS-M用於獲取未來載人登陸火星計劃的相關數據。

3.2 火星-96著陸器的科學儀器及使命.

兩個著陸器或者說「小型站」被安裝在火星-96頂端，類似M-71和M-73（Mapc-2和Mapc-3）的著陸器。只不過要小的多。

火星-96著陸器地面試驗

著陸器尺寸：

直徑：60cm

質量：30.6kg

有效載荷：8kg

進入器總質量：120.5kg

前為「小型站」，左後為火衛一-2的DAS小型著陸器，右側為原計劃攜帶的火星巡視器

著陸器在MOI前4-5天分離，在100km高度開始進入火星大氣，速度為5.75kmps，進入角為11°-21°。開始EDL後大約180s，在19-44km高度，200-320m/s的速度下展開降落傘。10s後拋棄減速傘，通過一個130m的線束展開著陸器。在大約4-18km高度，20-40m/s的速度下著陸器氣囊充氣，來承受20m/s的著陸速度。著陸器撞擊地表瞬間降落傘被切斷，並且開始翻滾至停止。然後氣囊從接縫處裂開並且被分離。隨後著陸器4個三瓣式結構展開，其中三個可以通過彈簧把儀器部署到較遠的地方。

每個著陸器配備有兩個咖啡杯大小的RTG，每個RTG可以提供220mW的功率。對環繞器上行碼速率2kbps，下行碼速率8kbps，軌道器提供UHF中繼。為度過火星夜晚，著陸器配備有8.5W的加熱器，設計壽命為1個火星年。

著陸器配備科學儀器：

EDL階段：

• DESCAM下降成像器（法國-芬蘭-俄羅斯）

• DPI三軸加速計及用於溫度和壓力測量的傳感器（俄羅斯）

著陸後：

• PANCAM中央桅杆全景攝像機（俄羅斯-法國-芬蘭）

• MIS中央桅杆氣象儀表系統（芬蘭-法國-俄羅斯）

• OPTIMISM測震儀、磁力計和傾角儀（法國-德國-俄羅斯）

• APXα粒子、質子和X射線光譜儀（德國-俄羅斯-美國）

• MOX氧化劑傳感器（美國-俄羅斯）

「小型站」的科學儀器布局

DESCAM用於在著陸器底部拍攝圖像來為著陸後的全景拍攝提供背景。它帶有一個400×500像素的CCD，在氣囊分離的同時被拋棄。

DPI用於使用其配備的加速計、溫度及壓力傳感器來測量EDL期間的溫度，壓力和密度分布圖及著陸動態情況。

PAMCAM可以提供6000×1024像素的360°×60°全景圖。

MIS氣象包被安裝在可展開桅杆上方，用於測量火星表面的溫度、壓力、溼度、風和光學深度。其中的ODS光學傳感器能夠在270、350和550nm三個窄波段以及250-750nm的寬波段下可以測量天頂處的直射太陽光和散射光。DPI用於測量溫度和地表風速。APX自重僅0.85kg，用於研究氧化劑，來驗證Viking探測器著陸器所做的推斷：火星土壤富含氧化劑，不利於生命存活。

3.3 火星-96穿透器的科學儀器及使命.

穿透器由沃爾納德斯基研究所研製。被安裝在ADU側面。用來穿透火星土壤並且進行科學研究。

火星-96攜帶的穿透器設想圖

穿透器尺寸：

前體直徑12cm

後體直徑17cm

漏鬥狀尾部最大78cm

長2.0m

總重88kg

穿透器自重45kg

有效載荷4.5kg

火星-96的穿透器

穿透器與ADU分離後，一個固體火箭會在遠火點進行30m/s的減速，隨後被拋棄。穿透器以75rpm的速度自旋穩定，隨後給其柔性防熱減速系統第一階段充氣。在分離後21.5h進行EDL，速度為4.6-4.9kmps，進入角為12°。隨後給柔性防熱減速系統第二階段充氣使其充分展開，EDL開始後6min，穿透器會以約75m/s的速度撞擊火星表面，並且通過一個儲液罐來吸收約500G的衝擊。穿透器前體會與後體分離並且鑽入地下約6m，後體則剛好卡在火星表面，二者通過線圈型電纜連接。隨後，後體桅杆展開，部署實驗儀器。

火星-96部署穿透器

穿透器對環繞器碼速率為8kbps，其通過一個0.5W的RTG和150W•h的鋰電池供電，設計壽命為1火星年。

穿透器攜帶的科學儀器：

地表以上後體：

• TVS電視攝像機（俄羅斯）

• MEKOM氣象傳感器（俄羅斯-芬蘭-美國）

• IMAP-6磁力儀（俄羅斯-保加利亞）

地表以下後體：

• PEGAS土壤分析伽馬射線光譜儀（俄羅斯）

• TERMO測量熱流的溫度傳感器（俄羅斯）

前體：

• KAMERTON內部結構測震儀（俄羅斯-英國）

• GRUNT土壤力學測量加速計（英國-俄羅斯）

• TERMO測量熱流的溫度傳感器（俄羅斯）

• NEUTRON-P水檢測中子探測器（俄羅斯）

• ALPHA土壤分析質子光譜儀（俄羅斯-德國）

• ANGSTREM土壤分析X射線螢光光譜儀（俄羅斯）

穿透器的科學儀器布局

GRUNT用於在撞擊和穿透過程中測量地表屬性。

KAMERTON用於搜索火星活動。

TERMOZOND用於測量熱流，並提供關於熱擴散率和熱容量的數據。

TVS線性攝像機擁有2048個像素，可以拍攝現場全景圖像。

MEKOM用於監控溫度和風速。

IMAP-6用於測量本地火星磁場。

4.1發射.

1996年11月16日，Proton K-Blok D-2在LC-200/39發射升空，當時是拜科努爾當地時間20：48：53。前三級工作正常。按照計劃，Blok D-2第一次點火將把探測器送入一個低停泊軌道，隨後第二次點火進入一個大橢圓軌道。

然而，Blok D-2的第一次點火沒有執行或者僅執行了20s就提前關機，把Blok D-2扔在了80km×320km的軌道上，隨後Blok D-2自動分離，Fregat ADU點火將探測器送入了87km×1500km的軌道。11月17日，Blok D-2在復活節島到智利海岸間再入。11月18日，火星-96探測器化作一團流星在智利上空再入，被認為墜落在智利與玻利維亞接壤的安第斯山脈中。

通過搜索，沒有找到太空飛行器的碎片，也沒有找到其攜帶的，安裝在能夠承受高熱和撞擊的託盤上的RTG。

由於蘇聯解體，俄羅斯陷入經濟危機，大部分的遠洋航天測量船都被召回，隨後被賣掉，導致在關鍵的點火點沒有船隻測控，因而甚至無從而知究竟是Blok D-2故障還是太空飛行器發出了錯誤的關機指令，這是極難判斷的情況。

5.1對火星-96發射失利帶來的反思.

火星-96這個高度複雜且目標宏大的任務的失敗是行星探測歷史上的重大損失，其工程系統、觀測平臺、科學儀器和附屬飛行器都比以往的任何行星探測任務都要多，並且計劃進行大量的測量。如果成功，其帶來的數據和發現將是驚人的。另外，這種高度國際合作的，相當複雜昂貴的探測任務，一旦失敗，在其後的很多年都不會開展此類行星探測任務。火星-96的失敗使得俄羅斯的深空項目大傷元氣，直到2011年才開啟另一個火星探測計劃，這就是福布斯-土壤探測器。

從火星-96到福布斯-土壤，過了整整15年，可惜15年後，福布斯-土壤也化作另一道流星，燒毀在太平洋上空。