希望號：火星的氣象衛星

文/ 松堂

即將出廠的“希望號”

7月20日，希望號火星探測器由日本的H-2A 火箭從種子島航天中心發射升空，開始了漫長的火星之旅。“希望號”在技術上并無首創之處，但是出資方兼冠名方卻讓人感慨萬千。這是一顆由阿拉伯聯合酋長國出資，阿聯酋航天局“主持”，美國科羅拉多大學博爾德分校具體負責研制的火星繞飛器。根據阿聯酋航天局發布的消息，“希望號”的主要任務，是全面探測火星大氣，為后續火星開發提供基本數據。

“希望號”與此前的各類火星繞飛器一樣，攜帶了各種各樣的相機和傳感器。但特殊之處在于，所有傳感器的名字前面都會加一個Emirates，和阿聯酋航空公司的拼寫一樣，意思就是“酋長國”，充分體現出這個海灣產油富國的做事風格。

對于這樣的一個型號，人們往往會問:阿聯酋是不是錢太多了要干這種事？阿聯酋人自己參加實際工作嗎?

“希望號”的由來

希望號火星探測器的阿拉伯語寫作Al-Amal，也被稱為“酋長國火星任務”（Emirates Mars Mission）。具體負責這項任務的，是穆罕默德·本·拉希德太空中心，實際承擔研制任務的是美國科羅拉多大學博爾德分校，亞利桑那州立大學和加州大學伯克利分校研制傳感器。這些探測器將研究火星上每天和季節性天氣周期、低層大氣中的天氣事件（如沙塵暴），以及火星不同區域的天氣變化。它將試圖回答一些科學問題，包括火星大氣中為什么沒有氫和氧，火星上為什么有如此劇烈的氣候變化。

阿聯酋官方宣布啟動火星探測項目

阿聯酋航天局負責人視察“希望號”研制現場

“希望號”計劃由阿拉伯聯合酋長國總統于2014年7月公布。它的星際轉移飛行時間大約是7～9 個月。它是西亞及阿拉伯國家中首個火星探測任務。

為實施“希望號”任務，阿聯酋副總統兼總理、迪拜統治者謝赫·穆罕默德·本·拉希德·馬克圖姆要求阿聯酋航天局與穆罕默德·本·拉希德航天中心（MBRSC）簽署協議，由阿聯酋航天局出資和監督，MBRSC 負責設計和制造。“希望號”產生的任務數據將與全球200 多個機構自由共享。

“希望號”的結構和任務

“希望號”采用緊湊的立方體構型，發射質量約1500 千克（含燃料），本體寬2.37 米、高2.90 米，裝有兩塊900 瓦的太陽能電池板，對地通信的高增益天線口徑為1.5 米。“希望號”還配有多種星敏感器，用于星際飛行過程中的導航。星上裝有6 個120 牛頓推力器和8 個5 牛頓的姿態控制推力器。

根據軌道設計，“希望號”將飛行6000 萬公里。抵達火星后，它將對火星大氣層進行為期兩年的研究，建立火星大氣的“整體模型”，特別是提供用來分析火星大氣向外層空間逃逸的數據。

測試中的“希望號”探測器

希望號探測器攜帶3 臺科學儀器：1 臺高分辨率彩色數碼相機；1 臺紅外光譜儀，用于檢測火星大氣的溫度、冰、水蒸氣分布；1 臺紫外光譜儀，將研究大氣層上部，以及進入太空的氧和氫的蹤跡。

阿聯酋航天局還在2019年與印度空間研究組織成立了一個聯合工作組。根據“希望號”火星任務小組的說法，它將是火星上的“第一顆真正的氣象衛星”。任務團隊分為7 個小組，包括航天器、后勤、任務運作、項目管理、科學教育和外聯、地面站和運載火箭。

任務團隊包括150 名阿聯酋工程師和200 名美國合作研究所的工程師和科學家，項目經理、副經理都由阿聯酋官員擔任。奇怪的是，科羅拉多邦德爾大學大氣與空間物理實驗室作為承制方對“希望號”的有關事務卻語焉不詳。這個實驗室從建立以來，從事了大量的空間探測器研制和運行、數據處理任務。“希望號”在這當中不算太突出，而且被放在實驗室主頁的“工程”欄目下，并沒有詳細介紹。

希望號探測器還將詳細研究火星大氣從能夠維持液態水到如今稀薄到只能以冰或蒸汽形式存在的原因，以及理解火星大氣層上下層之間的聯系。這些數據也將有助于模擬地球大氣層并研究其數百萬年來的演變。

“希望號”在科羅拉多大學大氣和空間物理實驗室總裝，然后運到日本發射。

由于新冠疫情的影響，很多測試工作無法像從前的發射任務那樣到發射場去完成，因此所有的關鍵檢查都是在探測器啟程前往日本之前完成的。4月初，阿聯酋航天局的11 名工程師和技術人員前往日本，隔離兩周后開展工作。2020年4月20日，“希望號”離開位于迪拜的穆罕默德·本·拉希德航天中心，用一架安-124 貨機運到日本名古屋，然后在2020年4月24日船運到種子島，在一個有效載荷處理設施潔凈室內完成最終測試。

“希望號”攜帶的3 臺儀器

酋長國勘探成像儀（EXI）

阿聯酋團隊見證“希望號”出廠

科研人員檢查“希望號”的相機

EXI 是一種多波段相機，使用由6個離散帶通濾波器組成的選擇輪機制來采樣光譜區域：3 個紫外波段和3 個可見光（RGB）波段。EXI 測量火星大氣中的水、冰、塵埃、氣溶膠和臭氧的性質。該儀器由科羅拉多大學博爾德分校大氣和空間物理實驗室與MBRSC 合作開發。EXI 是一種高分辨率多波段（可見光和紫外線）相機，安裝在面向火星的探測器本體外板上。主要的科學目標是估算塵埃、水冰云和臭氧柱的綜合光學深度，并發回火星表面的彩色圖像。EXI 是一款1260 萬像素的互補金屬氧化物半導體成像儀，成像寬高比為4:3（4096x 3072），5.5 微米/像素。系統具有12 位動態范圍。紫外線和可見光成像使用兩個獨立的透鏡系統和通道。紫外線系統有一個48 毫米的f/3.6鏡頭，視場為19.0 x 19.0 度，像素分辨率為23 弧秒。近似地表分辨率在近點為2.3 千米/像素，在遠點為4.9 千米/像素。這3 個紫外濾光片波段分別是UV1（205-235 納米）、UV2（245-275納米）和UV3（305-335 納米）。

“希望號”的熱真空試驗

“希望號”運送到日本

準備測試太陽電池的“希望號”

酋長國火星紅外光譜儀（EMIRS）

EMIRS由亞利桑那州立大學（ASU）和MBRSC 合作開發，用于探測大氣中的溫度分布、冰、水蒸氣和塵埃。EMIRS 是一臺傅里葉變換紅外光譜儀，安裝在面向火星一側的外板上。EMIRS的科學目標是對火星大氣中的塵埃和水冰云進行特征分析，跟蹤火星水循環，跟蹤火星大氣的熱狀態，并確定低層大氣的邊界條件。

FTIR光譜儀配有一個指向掃描鏡、一個化學氣相沉積金剛石分束器和一個3x3 線陣列探測器，總質量約為13 千克，包裝尺寸為50x30x30 厘米。它需要17 瓦的功率。航天器將以恒定速率旋轉，每一次完整的觀測需要15 到32分鐘，每個軌道大約進行20 次觀測。根據海拔高度提供100 千米～300 千米的空間分辨率，每4 秒獲得9 個干涉圖。

酋長國火星紫外光譜儀（EMUS）

EMUS 是一種遠紫外成像光譜儀，可測量100～170 納米光譜范圍內的輻射，以測量熱層、氫和氧日冕的全球特征和可變性。設計和開發由科羅拉多大學博爾德分校大氣和空間物理實驗室領導。該儀器包括一個望遠鏡反射鏡，為羅蘭圓成像光譜儀提供CsI 光電陰極探測器。該儀器可以探測100～170 納米的紅外波長。它有3 個狹縫設置，可以提供11 度、0.18 度、0.25 度的視野，光譜分辨率分別為1.3、1.8 和5.0 納米。

和中美的火星任務相比，“希望號”的懸念最小、任務最簡單，但它對阿聯酋甚至整個阿拉伯世界的意義都非同尋常。科學家們如果想要實現自己的夢想卻又短少銀兩，不妨去游說那些錢多得花不完的石油輸出國，一方得成果、一方得面子，創造一個雙贏的局面。