阿聯酋首個火星探測任務分析

王帥（北京空間科技信息研究所）

北京時間2020年7月20日，阿聯酋首個火星探測任務—“阿聯酋火星任務”（EMM）起航，名為希望號（Hope）的火星探測器搭乘日本H－2A火箭發射升空。探測器計劃于2021年2月，即阿聯酋成立50周年抵達火星，將研究火星天氣的每日變化和季節性變化，沙塵暴等低層大氣中的天氣事件，以及火星不同區域的天氣變化。如果探測器成功抵達火星，阿聯酋將成為首個訪問火星的西亞國家。

1 任務背景

EMM任務由阿聯酋總統于2014年7月宣布，計劃發射名為希望號的火星探測器，目的是豐富阿聯酋工程師的能力并增強人類對火星大氣的了解，任務定于阿聯酋成立50周年之前抵達火星。為實現此次任務，阿聯酋航天局（UAESA）與穆罕默德·本·拉希德航天中心（MBRSC）簽訂了一項協議，阿聯酋航天局將資助EMM任務并監督探測器的完整實施過程，穆罕默德·本·拉希德航天中心則受委托設計和制造希望號探測器。

該任務被視為對阿聯酋經濟和人力資本的投資。阿聯酋副總統曾在宣布任務時提及3個信息：一是告知世界，阿拉伯文明曾經在促進人類知識進步方面發揮了巨大作用，并將再次發揮作用；二是告知阿拉伯兄弟們，沒有什么是不可能的，而且我們可以在知識競賽中與最偉大的國家競爭；三是傳達給那些力爭達到最高峰的人們，不限制野心，你甚至可以到達太空。

迪拜酋長國酋長表示，之所以將探測器命名為希望號，是因為“它向數百萬年輕的阿拉伯人傳遞了樂觀的信息”。任務產生的數據將與全球200多個機構自由共享。2015年，任務團隊向阿拉伯國家征集探測器名稱，最終選定了希望號是因為該名稱描述了任務的核心目標。

在設計和制造希望號探測器時，阿聯酋航天組織穆罕默德·本·拉希德航天中心與美國科羅拉多大學博爾德分校（CU-Boulder）、亞利桑那州立大學(ASU)以及加利福尼亞大學伯克利分校(Berkeley)開展了合作。希望號探測器在科羅拉多大學博爾德分校的大氣與空間物理實驗室（LASP）建造。穆罕默德·本·拉希德航天中心負責對探測器的設計、開發和發射的各個階段進行執行和監督。三菱重工有限公司（MHI）為探測器的發射承包商，運載火箭為H－2A。

2 航天器基本信息

任務目標

EMM任務的科學目標是研究火星大氣和氣候，提供對火星大氣的全面了解,即通過表征火星低層大氣來了解氣候動態和全球天氣圖；通過將低層大氣條件與高層大氣相聯系，說明天氣如何改變氫和氧的逸出；了解高層大氣中氫和氧的結構及變化，并確定氫和氧為何會從火星逃逸至太空。

探測器將研究火星每日和整個季節的氣候，沙塵暴等低層大氣的天氣事件，以及火星不同地理區域的天氣。EMM任務團隊將探測器描述為火星上的“第一顆真正的氣象衛星”。任務將試圖回答火星大氣氫和氧逃逸至太空的原因，以及火星大氣層劇烈變化背后的原因。任務將對火星的氣候狀況進行清晰且全面的描述，這將使科學家對地球的過去和未來，以及火星和其他遙遠星球上的生命潛力有更深入的了解。

探測器將利用攜帶的3個科學儀器增進對火星低層和中層大氣環流及天氣的認知，結合對高層大氣的監測，將揭示能量和粒子向上傳輸的機制，以及大氣粒子從火星逃逸至太空的機制。

EMM任務團隊將與全球火星科學界共同研究其他任務尚未解決的關鍵問題；通過追蹤氫和氧的行為和逸出情況，研究火星為何會失去其高層大氣；研究火星大氣上下層之間的聯系；繪制關于火星大氣在每日以及季節變化的第一幅全球圖景；觀測沙塵暴等天氣現象，溫度變化以及大氣與地形之間的相互作用；揭示火星表面腐蝕的原因；搜索火星當今天氣與火星古代氣候之間的聯系。從任務中獲得的所有數據將實現知識共享。

EMM任務的戰略目標：通過不斷探索新發現來提高人類在地球的生活質量；鼓勵在火星探索方面開展全球合作，以展示阿聯酋在太空研究領域的領導地位；建立阿聯酋在行星際探索領域的能力；建立科學知識，因為可持續的、面向未來的經濟是基于知識的經濟；激發阿聯酋的青少年追求空間科學；建立阿聯酋作為阿拉伯地區“進步燈塔”的地位。

航天器設計

希望號探測器結構

希望號探測器發射質量約為1350kg，形狀為立方體，為鋁制蜂窩狀結構，寬度約2.37m，高約2.9m。探測器裝備有1.85m寬蝶形X頻段高增益天線與地球通信，地火距離最近時通信速率為1.6Mbit/s，最遠時250kbit/s，此外還攜帶了約翰霍普金斯大學3副低增益天線。探測器攜帶了約翰霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）的先進無線電深空轉發器，可以執行數據傳輸并支持深空測控。探測器裝備了6臺120N推進器用于控制速度，8臺5N反作用控制系統（RCS）推進器，以及1組反作用輪用于精確操作和姿態控制。探測器的星敏感器和太陽敏感器用于提供位置和方向信息。

探測器的有效載荷包括用于獲得高分辨率彩色圖像的“阿聯酋探索成像儀”（EXI），用于監測大氣中溫度分布、冰和水蒸氣的“阿聯酋火星紅外光譜儀”（EMIRS），以及用于研究火星高層大氣并跟蹤氧和氫擴散至太空的“阿聯酋火星紫外光譜儀”（EMUS）。3個儀器安裝在航天器面向火星的一側。

任務歷程

在阿聯酋工程師和科學家的幫助下，希望號探測器在大氣與空間物理實驗室中組裝完成，并于2020年2月交付至迪拜進行進一步的測試，測試原計劃持續到5月，之后移交至日本準備發射。

希望號探測器的有效載荷

希望號探測器有效載荷

EMM任務歷程

由于全球遭遇了新冠病毒，為了確保希望號探測器能夠按時發射，任務團隊決定將探測器提前運送至日本種子島航天中心（TNSC）。4月20日任務團隊開始了希望號探測器的轉運，4月24日希望號探測器抵達種子島航天中心。提前轉運導致了計劃中的一些測試被刪除，任務團隊只專注于關鍵測試。

2020年7月20日，希望號探測器搭乘H－2A運載火箭由種子島航天中心發射升空，將在飛行約200天后抵達火星。希望號探測器將運行在20000km×43000km的火星環繞軌道上，軌道周期55h，傾角25°，近火點位于赤道附近。EMM任務計劃從2021年5月開始進行為期1個火星年（687個地球日，約2個地球年）的科學運行，并且有可能將為其2年的科學研究時限擴展到2025年。

3 任務特點分析

目標層面：重點在于培養阿聯酋航天人才和激勵年輕一代

EMM任務是在阿聯酋航天局成立之后立項的，承載了阿聯酋發展航天的決心和希望。阿聯酋寄希望通過此次任務的實施，推動其基于知識的經濟發展戰略，促進經濟的多元化發展。EMM任務被描述為阿聯酋未來發展的新希望，將促進阿聯酋后石油經濟時代的發展。任務的開展將幫助培養阿聯酋航天管理人員、工程技術人員和科研人員，推動教育和學術部門的發展，同時任務的成功將激勵年輕一代對科學和創新的熱情，并且還將向世界傳達阿聯酋以及阿拉伯人民的雄心和能力。此外，設定在阿聯酋成立50周年抵達火星，也表明了其蘊含著深刻的政治意義。

EMM任務在重視其政治作用及社會影響的同時，也非常關注科學探索，將其視為一次科學任務而不是一次技術驗證任務，這一點與印度的“曼加里安”（Mangalyaan）、以色列的“創世紀”（Beresheet）存在較大不同。EMM任務團隊堅持“科學必須是獨特的”的理念，認為僅僅宣布到達火星并進行技術驗證并沒有多大意義。為了保障EMM任務成為一項可行的具有科學價值的任務，阿聯酋團隊聯系了NASA火星探測計劃分析小組（MEPAG），通過商討認為，人類在對火星大氣的完全理解上存在較大差距，對于火星全年的天氣系統沒有完全的理解，過去的任務盡管收集過火星天氣的信息，但缺少連續觀測，并且很多來源于火星表面的任務缺乏對火星全球的觀測。基于上述信息，阿聯酋團隊確定了任務的科學目標，即探索火星的天氣和大氣，對當前其他任務形成補充，以最大化科學收益，擴展人類知識。

EMM任務將幫助升級阿聯酋的科學設施和基礎設施，構建阿聯酋開展重大科研項目和任務的基礎。同時，阿聯酋還希望借助EMM任務傳達和平利用空間、共同分享知識的信息，任務的成果將提供給全球200所大學和研究機構，以推動科學知識的自由分享。

研制層面：整個火星探測器基本由美國研究機構幫助研制

EMM任務團隊包括150名阿聯酋工程師，以及200名來自美國合作伙伴的工程師和科學家。阿聯酋采用了一種新穎的研制方法，即與具有長期深空探測經驗的團隊進行合作，避免本土開發技術花費過長的時間，同時相比于直接購買，還可以培養本國的人才、快速構建深空探測能力。

阿聯酋具有一定的航天器研制能力，但尚處于初期階段，僅在近年來通過與韓國衛星技術研究中心開創公司（SI）合作發展了小型對地觀測衛星，即“迪拜衛星”（DubaiSat）系列。阿聯酋在研制迪拜衛星－1時處于完全學習狀態，而在研制迪拜衛星－2時，阿聯酋和韓國工程師合作開展工作，在研制“哈利法衛星”（KhalifaSat，即迪拜衛星－3）時，則由阿聯酋工程師主導完成，韓國SI公司提供平臺和咨詢服務。阿聯酋在研制希望號探測器時復刻了這一模式，阿聯酋與美國的研究機構開展了深度合作，穆罕默德·本·拉希德航天中心負責對探測器設計、開發和發射的各個階段進行執行和監督，而大氣與空間物理實驗室負責建造探測器，該實驗室和亞利桑那州立大學牽頭有效載荷的研制。

可以說，阿聯酋任務團隊全程深度參與了希望號探測器的設計與研制，以及后續的發射和運行。但很難說希望號探測器由阿聯酋自主建造，整個探測器以及核心的3個有效載荷全部由美國的研究機構研制，阿聯酋團隊通過參與研制得到了培訓和經驗。

合作層面：促進了阿聯酋與美國和日本在航天領域的合作

阿聯酋航天局的戰略目標主要是構建一流的國家航天部門、促進科學研究和創新、激勵和培養阿聯酋年輕人、建立和加強國際合作與伙伴關系。EMM任務非常契合以上內容，不僅有助于培養航天管理和研究人才，還將促進科學設施的建立，并推動阿聯酋的國際合作。阿聯酋在實施EMM任務的過程中，與美國和日本開展了廣泛的國際合作。

在EMM任務中，美國的科羅拉多大學博爾德分校、亞利桑那州立大學、加利福尼亞大學伯克利分校參與了研制。其中，科羅拉多大學博爾德分校的大氣與空間物理實驗室不僅負責建造探測器，還負責了其中2個載荷的研制。該實驗室的研究人員是NASA“火星大氣與揮發物演變”（MAVEN）任務的主研究員，并且實驗室負責研制MAVEN的成像紫外光譜儀（IUVS）和朗繆爾探針與波探測儀（LPW）。希望號與MAVEN任務都研究火星的大氣，兩者各有側重點，希望號將通過研究影響大氣逃逸率的更接近火星表面的動力學來填補MAVEN研究結果中的空白，聯合兩者的科學觀測成果將有助于全面了解火星大氣。希望號探測器由日本的H－2A火箭發射，阿聯酋與發射提供商三菱重工有限公司簽署的協議是阿聯酋與日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）簽署的更廣泛合作協議的一部分，此前阿聯酋的迪拜衛星－3就由H－2A火箭發射。

4 小結

阿聯酋首個火星探測任務是阿聯酋發展航天技術能力、推動基于知識的經濟發展戰略的重要一環。通過與國際合作伙伴的深度合作，阿聯酋實現了火星探測器的快速建設，幫助培養了阿聯酋航天人才，同時加強了與美國和日本的國際合作伙伴關系。此次任務非常注重政治作用及社會影響，將激勵年輕一代，向世界傳達阿聯酋的雄心與能力。任務重視科學探索，將彌補人類對火星大氣認知的部分空白，推動科學知識的共享。