希望号：火星的气象卫星

文/ 松堂

即将出厂的“希望号”

7月20日，希望号火星探测器由日本的H-2A 火箭从种子岛航天中心发射升空，开始了漫长的火星之旅。“希望号”在技术上并无首创之处，但是出资方兼冠名方却让人感慨万千。这是一颗由阿拉伯联合酋长国出资，阿联酋航天局“主持”，美国科罗拉多大学博尔德分校具体负责研制的火星绕飞器。根据阿联酋航天局发布的消息，“希望号”的主要任务，是全面探测火星大气，为后续火星开发提供基本数据。

“希望号”与此前的各类火星绕飞器一样，携带了各种各样的相机和传感器。但特殊之处在于，所有传感器的名字前面都会加一个Emirates，和阿联酋航空公司的拼写一样，意思就是“酋长国”，充分体现出这个海湾产油富国的做事风格。

对于这样的一个型号，人们往往会问:阿联酋是不是钱太多了要干这种事？阿联酋人自己参加实际工作吗?

“希望号”的由来

希望号火星探测器的阿拉伯语写作Al-Amal，也被称为“酋长国火星任务”（Emirates Mars Mission）。具体负责这项任务的，是穆罕默德·本·拉希德太空中心，实际承担研制任务的是美国科罗拉多大学博尔德分校，亚利桑那州立大学和加州大学伯克利分校研制传感器。这些探测器将研究火星上每天和季节性天气周期、低层大气中的天气事件（如沙尘暴），以及火星不同区域的天气变化。它将试图回答一些科学问题，包括火星大气中为什么没有氢和氧，火星上为什么有如此剧烈的气候变化。

阿联酋官方宣布启动火星探测项目

阿联酋航天局负责人视察“希望号”研制现场

“希望号”计划由阿拉伯联合酋长国总统于2014年7月公布。它的星际转移飞行时间大约是7～9 个月。它是西亚及阿拉伯国家中首个火星探测任务。

为实施“希望号”任务，阿联酋副总统兼总理、迪拜统治者谢赫·穆罕默德·本·拉希德·马克图姆要求阿联酋航天局与穆罕默德·本·拉希德航天中心（MBRSC）签署协议，由阿联酋航天局出资和监督，MBRSC 负责设计和制造。“希望号”产生的任务数据将与全球200 多个机构自由共享。

“希望号”的结构和任务

“希望号”采用紧凑的立方体构型，发射质量约1500 千克（含燃料），本体宽2.37 米、高2.90 米，装有两块900 瓦的太阳能电池板，对地通信的高增益天线口径为1.5 米。“希望号”还配有多种星敏感器，用于星际飞行过程中的导航。星上装有6 个120 牛顿推力器和8 个5 牛顿的姿态控制推力器。

根据轨道设计，“希望号”将飞行6000 万公里。抵达火星后，它将对火星大气层进行为期两年的研究，建立火星大气的“整体模型”，特别是提供用来分析火星大气向外层空间逃逸的数据。

测试中的“希望号”探测器

希望号探测器携带3 台科学仪器：1 台高分辨率彩色数码相机；1 台红外光谱仪，用于检测火星大气的温度、冰、水蒸气分布；1 台紫外光谱仪，将研究大气层上部，以及进入太空的氧和氢的踪迹。

阿联酋航天局还在2019年与印度空间研究组织成立了一个联合工作组。根据“希望号”火星任务小组的说法，它将是火星上的“第一颗真正的气象卫星”。任务团队分为7 个小组，包括航天器、后勤、任务运作、项目管理、科学教育和外联、地面站和运载火箭。

任务团队包括150 名阿联酋工程师和200 名美国合作研究所的工程师和科学家，项目经理、副经理都由阿联酋官员担任。奇怪的是，科罗拉多邦德尔大学大气与空间物理实验室作为承制方对“希望号”的有关事务却语焉不详。这个实验室从建立以来，从事了大量的空间探测器研制和运行、数据处理任务。“希望号”在这当中不算太突出，而且被放在实验室主页的“工程”栏目下，并没有详细介绍。

希望号探测器还将详细研究火星大气从能够维持液态水到如今稀薄到只能以冰或蒸汽形式存在的原因，以及理解火星大气层上下层之间的联系。这些数据也将有助于模拟地球大气层并研究其数百万年来的演变。

“希望号”在科罗拉多大学大气和空间物理实验室总装，然后运到日本发射。

由于新冠疫情的影响，很多测试工作无法像从前的发射任务那样到发射场去完成，因此所有的关键检查都是在探测器启程前往日本之前完成的。4月初，阿联酋航天局的11 名工程师和技术人员前往日本，隔离两周后开展工作。2020年4月20日，“希望号”离开位于迪拜的穆罕默德·本·拉希德航天中心，用一架安-124 货机运到日本名古屋，然后在2020年4月24日船运到种子岛，在一个有效载荷处理设施洁净室内完成最终测试。

“希望号”携带的3 台仪器

酋长国勘探成像仪（EXI）

阿联酋团队见证“希望号”出厂

科研人员检查“希望号”的相机

EXI 是一种多波段相机，使用由6个离散带通滤波器组成的选择轮机制来采样光谱区域：3 个紫外波段和3 个可见光（RGB）波段。EXI 测量火星大气中的水、冰、尘埃、气溶胶和臭氧的性质。该仪器由科罗拉多大学博尔德分校大气和空间物理实验室与MBRSC 合作开发。EXI 是一种高分辨率多波段（可见光和紫外线）相机，安装在面向火星的探测器本体外板上。主要的科学目标是估算尘埃、水冰云和臭氧柱的综合光学深度，并发回火星表面的彩色图像。EXI 是一款1260 万像素的互补金属氧化物半导体成像仪，成像宽高比为4:3（4096x 3072），5.5 微米/像素。系统具有12 位动态范围。紫外线和可见光成像使用两个独立的透镜系统和通道。紫外线系统有一个48 毫米的f/3.6镜头，视场为19.0 x 19.0 度，像素分辨率为23 弧秒。近似地表分辨率在近点为2.3 千米/像素，在远点为4.9 千米/像素。这3 个紫外滤光片波段分别是UV1（205-235 纳米）、UV2（245-275纳米）和UV3（305-335 纳米）。

“希望号”的热真空试验

“希望号”运送到日本

准备测试太阳电池的“希望号”

酋长国火星红外光谱仪（EMIRS）

EMIRS由亚利桑那州立大学（ASU）和MBRSC 合作开发，用于探测大气中的温度分布、冰、水蒸气和尘埃。EMIRS 是一台傅里叶变换红外光谱仪，安装在面向火星一侧的外板上。EMIRS的科学目标是对火星大气中的尘埃和水冰云进行特征分析，跟踪火星水循环，跟踪火星大气的热状态，并确定低层大气的边界条件。

FTIR光谱仪配有一个指向扫描镜、一个化学气相沉积金刚石分束器和一个3x3 线阵列探测器，总质量约为13 千克，包装尺寸为50x30x30 厘米。它需要17 瓦的功率。航天器将以恒定速率旋转，每一次完整的观测需要15 到32分钟，每个轨道大约进行20 次观测。根据海拔高度提供100 千米～300 千米的空间分辨率，每4 秒获得9 个干涉图。

酋长国火星紫外光谱仪（EMUS）

EMUS 是一种远紫外成像光谱仪，可测量100～170 纳米光谱范围内的辐射，以测量热层、氢和氧日冕的全球特征和可变性。设计和开发由科罗拉多大学博尔德分校大气和空间物理实验室领导。该仪器包括一个望远镜反射镜，为罗兰圆成像光谱仪提供CsI 光电阴极探测器。该仪器可以探测100～170 纳米的红外波长。它有3 个狭缝设置，可以提供11 度、0.18 度、0.25 度的视野，光谱分辨率分别为1.3、1.8 和5.0 纳米。

和中美的火星任务相比，“希望号”的悬念最小、任务最简单，但它对阿联酋甚至整个阿拉伯世界的意义都非同寻常。科学家们如果想要实现自己的梦想却又短少银两，不妨去游说那些钱多得花不完的石油输出国，一方得成果、一方得面子，创造一个双赢的局面。