阿联酋火星任务？一起来看看！

2020年7月14日开始，地球上的准一类太空文明，人类，又迎来了一次火星探索发射的窗口期。在这次窗口期之中，共计有三个火星项目发射升空，包括我们最熟悉的中国火星探测任务“天问一号”，以及美国的“火星2020”计划（包括火星车和火星直升机），还有阿联酋的火星任务。

从1964年的水手3号开始，美国这几十年间已经执行过近20次成功的火星探测任务，是火星探测的熟手了，宣传方面成熟且大力。中国，我们的祖国，天问一号作为我们迈进深空的里程碑，也是近一个月来媒体重点宣传的对象。相比起来，阿联酋的火星计划则笔墨寥寥，很少有人去介绍宣传。那么今天，我们就通过网上的公开信息，来分析分析，阿联酋火星任务的大概内容。

阿拉伯联合酋长国，简称阿联酋。阿联酋的火星任务名字很直白，就叫Emirates Mars Mission，酋长国火星任务，简称EMM（这个名字Emmmm）。任务包含一个火星轨道器，经过广泛的征名活动，它获得了一个同样直白的名字——Hope，希望（阿拉伯语：مسبار الأمل）。如果任务成功，Hope号火星探针，将会成为整个中东地区的第一个，整个阿拉伯世界的第一个，所有以穆斯林为主的国家之中的第一个，火星探测器。

Hope是阿联酋与美国、日本等国深度合作的项目。在开始讲述更多细节之前，我希望申明，火星探测是人类共同的科学事业，任何一个国家和组织加入火星探测的家庭，并以科学为主要目的探索火星，我们都应该支持和鼓励。

一、任务目标和意义提到阿联酋，我们往往会想到遍地的黑色黄金，建筑科幻且奢靡的迪拜，样式各异的超级跑车、豪华别墅，填海造陆的奇迹棕榈岛，一页纸都写不下的王子名单，以及中东特有的，与我们迥异的风俗和信仰。在很多人的字典里，阿联酋总的来说就是土豪的代名词，不求最好，但求最贵。

▲图注：朱美拉棕榈岛，迪拜三座棕榈岛中最早的一座，也是最小的，建于21世纪初。上面布满了私人领地和度假酒店。为了建造这个岛，阿联酋购买了当时全世界唯一一枚私人卫星，用以提供能媲美美国间谍卫星的精确定位规划。

然而我们也应该知道，刻板印象不可取。阿联酋明显有着多方面的雄心壮志，也意识到了资源型单一经济潜在的危险，希望发展高新产业。

Sheikh Mohammed bin Rashid Al Maktoum（谢赫·穆罕默德·本·拉希德·阿勒马克图姆），阿联酋副总统兼总理在发表EMM的任务规划时提到，EMM是为了向世界发出三个信息：

1.对于整个世界发出信息：阿拉伯文明曾经在人类历史上扮演过重要的角色，贡献了大量的知识，如今，又要再次扮演这样的角色了；

2.对于所有的阿拉伯同胞发出信息：这世界上没有什么不可能的，在知识的竞赛中，我们同样可以和那些最强大的国家同台竞技；

3.对于任何勇攀高峰的人发出信息：不要为你的雄心设立限制，你甚至能够进入太空。

这三条信息乍一看是空话套话，但如果放在阿联酋所处的环境下，语言中流露出来的雄心壮志，就十分直白了。

▲图注：阿联酋相关人员与Hope合影。右一即为穆罕默德·本·拉希德·阿勒马克图姆。

而Hope这个名字，据阿联酋官方声明，也认为其很好地表达了上面的三条信息，因此而被选中。

说完政治，来看科学，Hope的科学任务相比起同期的中美两国的探测器的任务要简单很多。其任务的最主要目标，就是对火星大气层，包括低层大气和高层大气，做一次完整的成像。

▲图注：Hope的科学任务，即第一次真正的、全球化的火星大气层图像研究。

Hope对火星大气的观察，包括了气候的日变化、季节变化，和各种各样的气象事件及其分布。用阿联酋方面的话来说，就是，“这将是火星的第一颗真正的气象卫星”。

▲图注：Hope进入火星轨道之后的科学轨道规划，为周期大约55小时的椭圆轨道。Hope将会帮助科学家理解火星大气层的剧烈变化——火星是怎么从过去那个富含液态水的星球，变成如今的干旱、荒芜的世界的？氢原子和氧原子是如何从火星的大气逃逸的？火星高层大气和低层大气是通过什么样的机制相互作用的？更进一步的，能不能从火星大气的变迁，推导建立出地球未来大气变迁的模型？

▲图注：火星失去了磁场，变得荒凉死寂，地球会不会也变成这样？

这些任务是相对专一的，需要对大气层做深入的观察，因此也就要求Hope携带专业的成像设备。接下来，我们就来看一看Hope所携带的科学设备。

二、卫星科学载荷如果要描述美国或者中国本次火星任务的各个科学载荷，可能需要很多篇文章论述——毅力号火星车和天问一号火星车都属于综合科学平台，针对多种多样的科学实验目标，装备了各式各样功能不同的仪器，各自有非常复杂的工作原理。

Hope的科学目标相当专一，所以只携带了三台科学仪器，分别是多光谱相机、紫外光谱仪、红外光谱仪。

▲图注：Hope及其上搭载的主要仪器。注意，概念图和最终实际的设计是有区别，外形从六棱柱变成了四棱柱，太阳能电池板也变成了两组。①1.5m直径高增益天线；②900瓦太阳能电池板，两组共1800瓦（概念图与实际有差别）；③星敏仪；④8组5N推力的姿态控制推进器；⑤EXI多光谱相机；⑥EMUS紫外光谱仪；⑦EMIRS红外光谱仪；⑧六组120N推力主推进器。

1.多光谱相机

Hope的多光谱相机被称为Emirates eXploration Imager (EXI)，酋长国探索相机。它拥有6组由机械结构控制的、分立的带通滤波器，来过滤不同的光谱。简单来说，就是可以通过机械切换“镜头（滤光片）”，来改变其敏感的光谱区域。这六组滤光片包括三组可见光波段（也即红绿蓝三基色），以及三组紫外光波段的滤光片。

▲图注：EXI组件就位于图片偏上的位置。

可见光波段的三种颜色合成起来，就可以显示出人眼能直接观看的真实色彩图片。紫外光则可以补充我们看不到的细节。这套相机将会拍摄和测量水、冰、沙尘、气溶胶、臭氧层空洞等等。

EXI组件是由美国科罗拉多大学波德分校（University of Colorado - Boulder）下属的大气与空间物理实验室（LASP）与阿联酋默罕默德·本·拉希德太空中心（MBRSC）合作研制的，MBRSC正是以我们前面说到的，以阿联酋副总统的名字命名的。

2.紫外光谱仪

Emirates Mars Ultraviolet Spectrometer (EMUS)，酋长国火星紫外光谱仪。名字简单易懂，这是一台紫外光谱仪。

▲图注：开发人员正在检查EMUS

紫外光频率很高，波长很短，因此穿透力差，但是方向性好。对于飞行在太空的Hope来说，EMUS将用来解析火星高层大气的特征，尤其是火星大气层热层和氢原子、氧原子。在100nm-170nm的发射光谱波长范围内，研究他们的全球特征和地区变化。

换言之，在之前提到的众多科学目标中，EMUS将专注于研究氢、氧原子的逃逸，高层大气的特征和物理过程。试图解读火星大气逃逸的物理机制，构建火星水环境变迁的模型。

EMUS也是由LASP主持研制的。

3.红外光谱仪

Emirates Mars Infrared Spectrometer (EMIRS)，依然是一个直白的名字，酋长国火星红外光谱仪，看来阿联酋科学家们的起名能力远远不如美国科学家——美国科学家们总是能想出一些生搬硬套的稀奇古怪的名字。

红外光，相对来说，与紫外光的特征正相反，波长很长，因此穿透力好，但能量低，方向性也稍逊。EMIRS的主要任务，区别于EMUS，是提供火星中层和低层大气的视野。

▲图注：工程师们正在对Hope进行测绘。红圈之内，就是被防尘罩保护的EMIRS。在前两张图中也可以看到。

红外线是我们非常熟悉的物理实体，我们知道红外线与温度息息相关，高于绝对零度的各种物体时刻在向外辐射红外线，辐射特征正是依赖于温度。红外光谱仪的首要任务，就是通过观察火星辐射的红外线，测量中低层大气的温度特征。

由温度推广出去，不同的介质对于红外线的折射/反射特征也不同，因此水冰、水汽、尘埃、气溶胶等等介质也能通过EMIRS来分析。

EMIRS是亚利桑那州立大学（ASU）在MBRSC的支持（简言之就是赞助）下主持开发研制的。

可以看到，这一系列的三组科学载荷，主要就是为了研究火星的大气层，包括气候和气象事件。所以称之为“气象卫星”确实也名副其实。

三、整体设计Hope探测器整体发射质量共1350kg，干重（即不含燃料）550kg，宽2.37米，长2.9米，总的来说，与一辆小轿车差不多，发射质量是同期的三套探测器中最小的。其主天线是一套1.5米直径的高增益天线，在通讯时必须正对地球。其身上携带的其他天线，功率都不足以完成与地球的直连通讯。

▲图注：图中的Hope显然还没有包裹防辐射的金属膜，我们可以清楚看到其框架结构以及天线等

之前我们说到过，Hope的外观和结构设计相比于概念图有很大的出入。概念图中，是一个六棱柱，对称安装三组太阳能电池板，每组额定600瓦功率。但是实际设计中，主体结构变成了四棱柱，也即一个长方体。对称安装三组太阳能电池板也明显不可能了，变成了对称安装两组，每组900瓦。

Hope的姿态调整任务，主要由一套共8个RCS（Reaction Control System）喷口控制，每个喷口的推力是5牛顿。这个喷口在飞船和卫星上很常见，咱们的神舟飞船上那些指向四面八方的，会间歇地喷气的喷口就是RCS。此外，Hope还携带了动量轮，借助角动量守恒的原理来控制飞船姿态，让其高增益天线能始终指向地球。

Hope的定姿任务，是由星敏仪来完成。星敏仪其实由是一组至少两个，视场非常狭窄（一般是10°左右）的相机组成。星敏仪观察天空，寻找特定的星座，再与太阳的位置做对比，得到当前探测器的姿态信息。姿态如果不正常，则让前面所说的RCS和动量轮来调整。

▲图注：Hope上两个凸起的四棱锥，就是星敏仪的遮光罩，星敏仪的本体——窄视场相机就会安装在其根部。此外，这张照片拍摄的方向恰好是众多科学载荷所在的面，可见科学载荷都还没有安装，数据线缆裸露在外。

Hope在发射之后的变轨、减速等动作，都会由其尾部的6组各120牛顿推力的主发动机完成（一些精细变轨工作也会交由RCS喷口）。主发动机并非越多越好，这个在我国的嫦娥计划中也有所提及。之所以用多台发动机，通常可能是由于两个原因，第一是单台发动机推力不够，第二是发动机的推力无法精确控制，只能靠关闭部分发动机来取得较小的推力。

火星探测任务绝非是探测器可以自主完成的，它是一项复杂的工程，不仅需要探测器自身的仪器设备满足需求，还需要地面遥测和太空信息网络提供支持。阿联酋不是航天大国，当然不可能有完善的深空网络和遥测网络，做不到全天候、24小时对Hope的测控导航。所以实际上，阿联酋的测控导航，也是委托了美国亚利桑那州谭蓓（Tempe Arizona）的KinetX Aerospace公司，以及美国NASA的深空网（Deep Space Network，DSN）。

▲图注：正在转运Hope。注意，底部的圆锥并非推进器喷口，而是与火箭连接的安装平台。

此外，众所周知，阿联酋火星任务EMM，是通过日本的H-IIA火箭发射的。今年受疫情影响，Hope要进入日本，也是困难重重。为了能够按期发射，Hope削减了很多次要的测试内容。Hope在阿联酋组装完成之后，雇佣了安-124运输机运送到日本，随机的11名工程师和技术人员统一隔离了14天，才投入到工作中去。

EMM任务作为阿联酋的第一次火星探索任务，意义非凡，我们不应该抛开政治，单纯去看其科学意义。EMM任务包括了150名阿联酋方面的工程师、技术人员和科学家，以及超过200名合作单位的工程师和科学家。其项目组成员合影中，女性研究和行政人员的比例其实让我眼前一亮。

▲图注：项目组大合影，注意，黑衣的都是女性。

包括EMM的副主管（实际上是常务主管），Sarah Amiri，阿联酋科学理事会主席，也是一位女性。联系之前的一些相关新闻，我们可以认为，这是阿联酋在争取女性权利方面的一些进展或者倡议，也是阿联酋女性在自我价值实现方面的可喜成就。

▲图注：火星在等待着

如果一切顺利，包括阿联酋的EMM任务，中国的天问一号，美国的火星2020任务，都将于2021年2月抵达火星。这些探测器都是人类最尖端技术的结晶，都是人类对于璀璨星空探索的勇敢尝试，都是人类科学进步的坚实一步，都是人类命运共同体的可贵成就。我们衷心希望，这三组勇敢奔向火星的战士，能够一路平安！

参考资料及图片来自维基百科、EMM任务官方网站、MBRSC官方网站等。

美编：徐海潮

校对：张 崧

来源: 中科院地质地球所