[科普中國]-火星勘測軌道器探測器

探測器概況

始于2002年的這次任務(wù)耗資7. 2億美元,其中探測器成本為4. 5億美元,是美國航空航天局(NASA)近30年來發(fā)射的最大、最復(fù)雜的火星探測器,也是NASA在21世紀(jì)頭10年內(nèi)發(fā)射的最后一個火星軌道器。因為財政緊張,已迫使NASA取消了一項原定在2009年發(fā)射的價值5億美元的火星軌道器。2

“火星勘測軌道器”攜帶了迄今為止最先進的太空探索裝備,其成像系統(tǒng)分辨率是以往其他系統(tǒng)的6倍。該探測器能進一步研究“火星全球勘測者”探測器已發(fā)現(xiàn)的可能有水的區(qū)域,并從火星荒蕪的表面為以后的探測工作選擇安全、有科學(xué)價值的著陸點,為今后10年發(fā)射的機器人探測器登陸火星做準(zhǔn)備。例如,科學(xué)家們希望探測器測繪出詳細(xì)的地圖,為分別于2007年和2009年開始的“鳳凰”火星著陸器和“火星科學(xué)實驗室”火星車確定安全的著陸點?！盎鹦强睖y軌道器”所收集的信息也可以幫助科學(xué)家們決定今后10年往哪里發(fā)射取樣器,以帶回火星巖石和土壤的首批樣本。2

同時,在成像任務(wù)完成之后它還將為火星著陸器中繼數(shù)據(jù),因為它配備有功能強大的高增益天線,此天線每分鐘所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是目前運行的“火星全球勘測者”、“奧德塞”和“火星快車” 3種火星軌道器所傳輸數(shù)據(jù)總和的10倍,是卡西尼號土星探測器、深空-1探測器、麥哲倫號金星探測器、“奧德賽”和“火星全球勘測者”所傳輸數(shù)據(jù)總和的3倍,甚至超過以往所有行星探測器所獲數(shù)據(jù)的總和。當(dāng)探測器與地球處在4. 2×108km最遠(yuǎn)距離時,其數(shù)據(jù)傳輸速率大于0. 5Mbit/s;當(dāng)探測器與地球處在9. 7×107km最近距離時,其數(shù)據(jù)傳輸速率大于3Mbit/s,即比目前一般的寬帶互聯(lián)網(wǎng)還快幾倍。2

其任務(wù)分2個階段完成: 2006年11月-2008年11月用于獲取火星的科學(xué)信息,即主要勘測火星表面和地下的水資源,尋找存在生命的證據(jù),并為未來的載人火星探測使命尋找合適的登陸點; 2008年11月-2010年12月用于數(shù)據(jù)中繼,即利用該軌道器把在火星表面工作的其他探測器所獲得的信息傳回地球。為了減輕質(zhì)量和節(jié)省能源,未來的一些火星著陸器將不配備大功率通信設(shè)備,因此難以向地球直接發(fā)送大量數(shù)據(jù),而“火星勘測軌道器”可以為火星著陸器與地球之間提供每天2次、每次5min的寬帶互聯(lián),并為這些火星著陸器提供導(dǎo)航定位和時間信號等支持。

這個探測器將于2010年結(jié)束使命,但科學(xué)家們稱它所攜帶的燃料使之足夠運行到2014年。

它也將試圖尋找2個因故障失蹤的火星探測器,即1999年11月在火星墜毀的美國“火星極地著陸器”和英國的獵兔犬-2著陸器。美國曾多次搜索“火星極地著陸器”,也發(fā)現(xiàn)了一些可能的目標(biāo),但都沒有得到最終確認(rèn)。用“火星勘測軌道器”上的高分辨率成像科學(xué)實驗儀(HiRISE)也許能夠找到“陣亡”的“火星極地著陸器”。2

主要性能參數(shù)探測器的發(fā)射質(zhì)量為2180kg，其中軌道器干噴量1031kg，肼燃料質(zhì)量1149kg。采用三軸穩(wěn)定，姿態(tài)信息由8個太陽敏感器(另有8個備份)、2個星跟蹤器和2個慣性測量單元提供推進系統(tǒng)共包括20個推力器，其中6個170N的單元肼發(fā)動機用于火星軌道進入。6個22N的推力器用于航向修正機動，8個0.9N的微推力器用于姿態(tài)控制。通信采用X和Ka頻段，其中主通信采用直徑3m的X頻段高增益拋物面天線，最大數(shù)據(jù)率為6Mbit/s；另一個是Ka頻段通信試驗包．用于驗證深空Ka頻段的通信性能，采用2個低增益天線進行。此外，探測器還攜帶有UHF頻段通信包，可為著陸器和漫游車提供通信中繼支持。電源系統(tǒng)采用功率1000W的太陽翼(面積約19m2)和2個50A·h/32V的氫鎳蓄電池。探測器的主計算機是133MHz、32bit的RAD750抗輻射計算機，閃存160Gbit。熱控采用表面涂層、多層隔熱材料，輻射器、百葉窗以及加熱器等。1

探測器攜帶了8種有效載荷，包括高分辨率成像儀、背景相機、火星彩色成像儀、緊湊型成像光譜儀、火星氣候探測儀、淺表雷達、引力場研究科學(xué)裝置和大氣結(jié)構(gòu)探測加速度計。

主要任務(wù)MRO將對火星表面進行高分辨率的測量,可對20～40cm大小的物體成像,以便進行科學(xué)觀測,并為未來航天器在火星表面著陸選擇合適的地點。同時,它還將為后續(xù)的火星探測任務(wù)提供通信和導(dǎo)航中繼。其主要任務(wù)計劃包括:

·發(fā)射 2005年8月10日從卡納維拉爾角空軍基地的第41號發(fā)射臺發(fā)射。

·巡游 2005年8月-2006年3月,飛向火星的航程。

·火星軌道 2006年3月進入環(huán)繞火星的軌道。

·減速 2006年3-11月,在火星大氣層內(nèi)減速,軌道器降低到火星圓形極軌道,以便采集科學(xué)數(shù)據(jù)。

·獲取科學(xué)信息 2006年11月- 2008年11月,根據(jù)探測器每日的活動收集火星信息。

·通信傳輸 2008年11月- 2010年12月,利用該軌道器與其他探測任務(wù)進行通信。3

主要有效載荷“火星勘測軌道器”載有HiRISE、背景成像儀(CTX)、火星顏色成像儀(MARCI)、CRISM、MCS和SHARAD共6套十分先進的科學(xué)儀器來探測火星。它們可分為4類, HiRISE、CTX和MARCI屬相機類; CRISM屬光譜儀類; MCS屬輻射計類, SHARAD屬雷達類。其中3臺相機和1臺光譜儀負(fù)責(zé)拍攝火星表面的全方位圖片:配有迄今直徑最大鏡頭的HiRISE能拍下火星表面的高精度照片,用于捕捉更為具體的火星特征; CTX能夠記錄寬30km以上的地形帶變化; MARCI可以覆蓋整個星球,跟蹤記錄火星表面和大氣層的每分鐘變化; CRISM將搜尋與水有關(guān)的礦石,在房屋大小的區(qū)域內(nèi)測定火星表面的構(gòu)成成分,其精確度大約是火星軌道上其他任何裝置的10倍。探測器上的MCS用于分析火星大氣塵埃、水蒸氣以及溫度, SHARAD用于探測火星地下水。2

其設(shè)計壽命5年半,其中不少是新型科學(xué)儀器,但也有2臺是從失敗的“火星觀察者”和“火星氣候軌道器”所帶的儀器改進而來的。

(1)高分辨率成像科學(xué)實驗儀(Hi-RISE)

其主要任務(wù)是根據(jù)“火星全球勘測者”、“奧德賽”火星探測器的探測結(jié)果所選定的地區(qū)拍攝圖像,其分辨率超過以往的任何火星探測器。

它由亞利桑那大學(xué)月球與行星實驗室和鮑爾公司聯(lián)合研制,重66kg,造價高達4000萬美元,創(chuàng)下所有太空儀器之最。HiRISE是一個高分辨率可見光數(shù)碼相機,相機圖像感應(yīng)器有8× 108個像素。通過它對火星表面類似巖漿流動現(xiàn)象進行高分辨率成像,可以弄清溶巖噴發(fā)物的成分;用它對火星極區(qū)的沉積層成像,有助于揭示火星氣候的歷史。對火星不同的層成像,可回答關(guān)于這些層產(chǎn)生的過程。分析它所獲得的數(shù)據(jù),能深入了解各層的物理性質(zhì)和年代關(guān)系,以便確定分層是怎樣形成的,水和氣候變化對層的形成起什么作用。2

該相機配有一個高清晰度望遠(yuǎn)鏡鏡頭,這個鏡頭可對火星表面數(shù)百處地點拍攝有史以來最高分辨率的照片。它工作在可見光譜段,幅寬在紅色譜段大于6km,在藍(lán)-綠及近紅外譜段大于1. 2km。利用近紅外譜段觀測主要是獲取礦物組分信息,并結(jié)合其他科學(xué)儀器提供的信息,尋找未來火星著陸器的合適著陸地點。

其分辨率隨軌道器的軌道高度不同而不同。當(dāng)“火星勘測軌道器”的軌道高度在200km時分辨率可達到0. 3m,軌道高度為400km時分辨率為0. 6m。高分辨率觀測對研究分層物質(zhì)、沖擊溝、河道等很有利,對確定著陸場也有好處。2

(2)背景成像儀(CTX)

CTX是裝有廣角鏡頭的數(shù)碼相機。雖然其分辨率不高,但具有較大視野,幅寬比HiRISE、CRISM都大,可達40km,用于為科學(xué)家在研究某具體巖石或者小地區(qū)的高分辨率圖像時,更好地顯示出這些物體所處的環(huán)境背景。

該儀器由馬林(Malin)太空科學(xué)系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)研制, MARCI也是該公司研制的。2

(3)火星顏色成像儀(MARCI)

其任務(wù)是對火星進行全球成像,區(qū)分出火星表面每天、每個季節(jié)和每年之間的氣候變化,對火星的每日天氣進行記錄。

該儀器是一種專門記錄某幾種光譜圖像的數(shù)碼相機,有4個可見光譜段和2個紫外譜段。在可見光譜段能對火星的塵暴和極地冰帽變化進行觀測,對云、霧和沙塵暴等一些大氣現(xiàn)象,繪制分辨率為千米尺度的圖形;在紫外線譜段能對火星大氣中的臭氧、塵埃、二氧化碳進行觀測,定量地表征大氣臭氧豐度和分布,觀測尺度為數(shù)十千米。

其實, MARCI曾在“火星氣候軌道器”和“火星極地著陸器”等其他火星探測器上裝配過,可惜它們都因故障而失落在太空。2

(4)小型火星勘測成像光譜儀(CRISM)

由馬里蘭州的約翰霍金斯大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)實驗室(APL)建造的CRISM,是在NASA火星任務(wù)中采用的第1個裝有掃描鏡頭的可見光-紅外光譜儀。

其主要任務(wù)是尋找組成水存在的礦物殘余物和礦石,以及有可能存留有水的遠(yuǎn)古溫泉、火山口、湖泊和池塘。

該儀器對大氣層的探測能覆蓋其他5臺儀器沒使用過的譜段,所以還用于提供精確的水蒸氣和一氧化碳體豐度,監(jiān)測塵埃和冰云的圖形。

CRISM使用可見光和紅外譜段對塵埃堆積的火星表面進行成像,能確定火星表面很寬范圍的礦物。它將以空前的清晰度從300km的高度對最小尺度為18m的物體進行觀測,繪制火星表面地圖;記錄火星地物反射陽光所產(chǎn)生的數(shù)百種顏色的反光,從中檢出特定的礦石,特別是曾經(jīng)含有水的信息痕跡。它可分析從火星表面反射的560種顏色來確定地表的礦物特征,揭示像房子大小的地面巖層等沉積物特征。由于其光譜分辨力強,光譜覆蓋范圍寬,因此連最普通的礦物都能夠確定。2

專家認(rèn)為, CRISM能在火星勘測任務(wù)中起到非常重要的作用,所勘測的數(shù)據(jù)將鑒別最可能含水的地點,并為未來尋找化石甚至生命痕跡的火星任務(wù)選取最可能的著陸點。機遇號火星車已經(jīng)在其著陸點———火星赤道附近的大平原Meridian Planum地段內(nèi)發(fā)現(xiàn)液態(tài)水的痕跡,但這僅僅是未來航天器可能著陸的數(shù)百個著陸點中的一個。

這臺可見光-紅外成像光譜儀能分辨560種顏色(“火星探路者”只能分辨3種顏色)。通過用孔徑10cm的望遠(yuǎn)鏡進行勘測,使CRISM具有更強的光譜分辨率,超過了已送往其他行星的類似儀器。它的最大分辨率是此前所用紅外譜段探測火星的20倍左右。2

CRISM安裝在一個方向節(jié)上,在“火星勘測軌道器”經(jīng)過火星表面目標(biāo)上空時,它就可以跟蹤該目標(biāo)。該儀器先花費幾個月的時間以每個像素100～ 200m的分辨率繪制火星地圖,尋找可能的研究點。然后以每個像素18m的分辨率(幅寬11km)對重點區(qū)域繪制高分辨率地圖。其所具有的高空間分辨率和高光譜分辨率能對上千個可能地點進行詳細(xì)測量。它還將監(jiān)控大氣中灰塵和冰粒子的周期性波動,補充衛(wèi)星其他設(shè)備收集的數(shù)據(jù),并提供火星氣候的新線索。專家認(rèn)為, CRISM將極大地改進當(dāng)前火星軌道器的繪圖技術(shù)。

(5)火星氣候探測器(MCS)

MCS是一種無線電波輻射儀,用來了解火星的氣候和天氣,以及可能發(fā)生的變化。它從軌道高度觀測火星地平線方向,并把火星大氣垂直分成多個5km厚的層逐一觀測,測量大氣溫度的變化和成分隨高度的變化。這些剖面測量結(jié)果與每日所觀測的火星晝夜三維全球氣象圖結(jié)合,能顯示出火星大氣中不同層的溫度、壓力、濕度和塵埃量。2

(6)淺地面雷達(SHARAD)

該儀器由意大利航天局(ASI)、羅馬大學(xué)和華盛頓大學(xué)聯(lián)合研制,主要任務(wù)是在火星的淺地表下查找水的存在,最大探測深度可以達到1km。

它用工作頻率為15～ 25MHz的雷達波掃描火星表面,獲取不同深度的圖像,并根據(jù)雷達回波可判斷出該深度上的物質(zhì)形態(tài),例如,巖石、沙或者水。這是因為水和高密度巖石都會引起強雷達回波;同時,其他淺地表物質(zhì)的特性也能在回波中表現(xiàn)出來。2

相關(guān)新聞?chuàng)教靺⒖?016年3月10日報道，時值美國火星勘測軌道器（MRO）在軌運行10周年紀(jì)念日，NASA在其官網(wǎng)正式發(fā)文，紀(jì)念這顆具有杰出功勛的火星軌道器。在過去的10年中，MRO取得了前所未有的科學(xué)成果，為科學(xué)家們解開了困擾長達數(shù)世紀(jì)之謎。其中最顯著的科學(xué)成果是發(fā)現(xiàn)火星表面有液態(tài)水的證據(jù)。早在2011年，MRO搭載的 高 分辨率成像儀（HRISE）就拍攝到火星表面或亞表層存在季節(jié)性斜坡紋線（RSL）。斜坡紋線不僅呈現(xiàn)季節(jié)性變化，而且1天之內(nèi)也會有明顯變化。后經(jīng)光譜分析表明，季節(jié)性斜坡紋區(qū)域的礦物是溶于水后再沉淀富集而成，這個結(jié)果提供了現(xiàn)今火星上存在液態(tài)水的有力證據(jù)。2015年9月28日，NASA召開記者發(fā)布會，正式宣布確認(rèn)火星表面存在季節(jié)性液態(tài)水。4