到火星去！這些「天問一號」中的上海科創元素，棒極了！

2020年7月23日12時41分，我國首次自主火星探測任務探測器「天問一號」搭載長徵五號遙四運載火箭在文昌航天發射場成功發射，正式開啟火星探測之旅！這趟奔赴火星的漫漫徵途，上海科創元素還真不少，中國科學院上海分院的多個院所都承擔了相關攻關工作，一起來看↓↓↓

神秘火星 我幫你看清

中國首次火星探測之旅，是2020年最令人期待的空間任務之一。火星上有什麼，是否有過生命的出現，是不是也像地球一樣蘊含礦物「寶藏」？由中科院上海技術物理研究所研製的兩大載荷：搭載在火星車上的火星表面成分探測儀，以及軌道器上的火星礦物光譜分析儀，將替我們到火星去尋找與發現。

火星礦物光譜分析儀實驗室測試照片

2020年是火星探測活動的窗口期。今天，我國成功發射火星探測器「天問一號」，將要實現對火星的「環繞、著陸、巡視」三個目標。起點高、難度大，為此，中國火星探測器「備齊」了造訪火星的「雙駕馬車」——環繞器和著陸巡視器。其搭載的13種有效載荷中，火星表面成分探測儀是「火星車」上的主要有效載荷之一，勘查火星地表情況是它的專長。

火星表面覆蓋塵埃，想要準確獲取火星塵埃之下的物質成分，必須剝去塵埃或者進行破壞從而深入巖層取樣。搭載在火星車頭部位置的火星表面成分探測儀，足足重15.7千克。「它就像火星車『車頭』，佔火星車總載荷重量的一半，是用雷射探測火星表面的物質成分。」中科院上海技物所研究員徐衛明告訴咖啡師，中國火星車採用的表面成分探測技術，與此前美國技術的不同，主要包括主動雷射誘導擊穿光譜探測和被動短波紅外光譜探測技術。它們都能對著陸區的火星表面元素、礦物和巖石開展高精度的科學探測，對研究火星的形成、地質的長期演變過程等具有重要的科學意義。

特別是主動雷射誘導擊穿光譜探測，上海技物所副所長舒嶸研究員將它的工作狀態比作給火星表面「針灸」。「雷射在極短時間內匯聚在直徑為0.2毫米的小圓點上，瞬時迸發出巨大能量。高達上千攝氏度的瞬間溫度，能將火星表面物質激發出等離子體。等離子體呈現出的狀態，猶如一個個微小的白色火花。通過探測火花的光譜成分、氣體成分等，可以高精度地分析出火星表面元素成分。」

這一切要在夜晚極寒的火星上順利完成，是整個項目最大的挑戰。據介紹，中國「火星車」採用太陽能驅動，而火星表面的太陽光較地球弱2.5倍，能源「先天不足」。同時，火星晝夜溫差巨大，尤其晚上到達零下130℃的極低溫度。所以，科研人員給火星表面成分探測儀穿了許多層「厚衣服」防寒，以保證儀器設備不被凍壞。而且，進一步提高太陽能的能源利用效率，讓探測儀能在「低溫模式」下自如運轉。「探測儀可以實現每300毫秒主動誘導激發一次，所得的數據存儲在火星車裡。等到火星運行到距離地球較近的位置時，再將數據傳回地面。」

火星表面成分探測儀鑑定件調試（從左到右舒嶸、金焱飛、徐衛明）

而另一臺「滬產」載荷，火星礦物光譜分析儀，則是在軌道器中完成任務。「光譜儀通過獲取火星表面可見至中波紅外寬譜段（400nm~3400nm）的光譜成像數據，為火星表面物質成分的調查和分析的科學探測任務提供科學數據。」為了適應軌道器中的「騰空」工作狀態，上海技物所研究員何志平帶領團隊，採用推帚式成像、多元實時動態融合的總體技術方案，突破了紅外背景抑制、高效自由曲面-光柵分光組件、器上太陽及燈組合定標等關鍵技術，同步實現了設備輕小型、低功耗與高性能的三合一。

今年春節前後，新冠疫情告急，而此時也正是火星探測載荷最後衝刺的實驗期。兩大載荷團隊的每位成員心裡牢記「火星計劃」，積極主動調整原定的個人計劃，盡全力保證重大項目進度不受影響。火星礦物光譜分析儀團隊裡，有位湖北籍技術骨幹，本計劃回鄉過年，可自駕車已開到了家鄉，擔心不斷發展的疫情可能給項目帶來風險，車子根本沒做任何停留，馬上掉頭千裡奔襲返回上海。

最終，經過兩大團隊打出了一系列精準管控和靈活調整的配合「組合拳」，從去年底到今年初，兩臺關鍵載荷按照原計劃順利完成了一系列定標測試後交付北京總裝，並順利完成了與火星探測器的其他設備進行聯機測試。

待到明年「天問一號」進入火星軌道，火星車順利著陸後，來自中科院上海技術物理研究所的兩大火星載荷將開始啟用，睜大眼睛「看清」火星，為我們帶回來自火星的「深度訊息」。

4億公裡路 我給你導航

中國首次自主火星探測任務「天問一號」在海南文昌發射基地順利發射升空，正式拉開我國行星探測的大幕。奔向最遠時距離地球4億公裡的火星，「天問一號」的旅程是一場黑暗中的漫長「馬拉松」。

「飛到哪裡了？」「飛向哪裡去？」......這是它需要時時「自省」的重要問題。由中科院上海天文臺牽頭負責的甚長基線幹涉測量（VLBI）測軌分系統，則可以幫助「天問一號」清晰地定位自我、瞄準方向，寂寞旅途「不偏軌」。

中國科學院上海天文臺VLBI中心

「火星之旅」 實時測軌

火星是全球最為熱門的行星「旅行地」。為了更好地探測火星，各國都陸續發射了不少的火星探測器。截至目前，美國成功地向火星發射了探測器並著陸，阿聯火星探測器前不久也順利升空。緊隨其後，我國今夏正式加入「火星俱樂部」——繼載人航天工程、探月工程之後，這是我國首次開展地外行星空間環境探測活動。

從「天問一號」發射開始，甚長基線幹涉測量（VLBI）測軌分系統將參加地火轉移、火星捕獲、離軌著陸、環火探測等各階段的測定軌任務。「特別是，實時任務持續到2021年，對於VLBI測軌的精度要求更高。」中科院上海天文臺研究員洪曉瑜告訴記者，VLBI測軌分系統由北京站、上海站、昆明站和烏魯木齊站以及位於上海天文臺的VLBI指揮調度和數據處理中心組成。這樣一個網所構成的望遠鏡解析度相當於口徑為3000多千米的巨大的綜合口徑射電望遠鏡，測角精度可以達到百分之幾角秒，甚至更高。

對於中國航天來說，VLBI測軌分系統是重要的「導航裝備」之一，從探月開始「加入編隊」，已經圓滿完成了嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號、嫦娥四號和嫦娥五號再入返回飛行試驗器等VLBI測定軌任務。它使我國航天測控網從傳統測距測速技術拓展為測距測速+VLBI高精度測角系統，大幅提高探測器測定軌測定位能力，對我國的月球和深空探測產生深遠影響。

精度大大提高

到火星去，要比「嫦娥奔月」的路途，遙遠上千倍。這同樣對VLBI系統提出了更高精度的要求。「在測軌中1納秒的VLBI時延誤差，到月球上是幾十米的差距，放大到火星軌道上就是幾十公裡的偏軌。」中科院上海天文臺研究員劉慶會說，從月球到火星對VLBI的精度要求，是真正的「差之毫厘，謬之千裡」。「所以，用於火星探測VLBI測軌分系統，比月球探測時，精準度大幅提高。」

據介紹，為了提高VLBI測定軌的精度，VLBI測軌分系統共新研發了數十臺套軟體和硬體，分別布置於4個測站和VLBI中心，如VLBI中心的火星探測VLBI數據處理系統和定軌定位系統，4個測站的致冷接收機、前置型數據採集終端、基準信號鎖相傳輸系統、GNSS接收機、氫原子鐘、水汽輻射計等。「這些軟體和硬體的研發，能夠進一步提高觀測裝置的測量精度和可靠性、大氣和電離層時延的改正精度，更好地完成火星探測器的VLBI測定軌任務。」劉慶會說。

65米天馬望遠鏡

隨著「天問一號」順利升空後，位於佘山腳下的上海天文臺VLBI數據處理中心將迎來異常忙碌的半多個月。每天深夜，伴隨著「天馬」望遠鏡每幾分鐘在「天問一號」探測器和河外射電源間來回「擺頭」，指揮大廳裡燈火通明，幾十位測軌人員要目不轉睛地注視著實時傳回來的信號，盡全力精確計算出「天問一號」在中國境內上空中的精準位置。

在外場，還有近百位技術人員日夜難寐，守護VLBI測軌分系統的順利運行。「上海天文臺把火星探測VLBI測定軌定為今年的一號任務予以重點保障，組建了一支133位技術人員組成的試驗隊，為首次火星探測任務VLBI測定軌任務的順利完成任務提供著堅實保障。」洪曉瑜說。

還有TA們……

火星表面成分探測儀雷射器

中國科學院上海光學精密機械研究所與中國科學院上海技術物理所緊密合作，負責火星表面成分探測儀中雷射器的研製。其中，上海光機所負責研製的雷射發射光源，是火星表面成分探測儀的關鍵組件。

上海光機所科研團隊從雷射器的創新構型設計、特殊元器件和材料選型，裝配工藝等方面入手，通過近3年的刻苦攻關，設計和研製了國際首臺大溫度範圍工作的雷射器，通過了系列空間環境試驗，滿足任務指標要求，將為火星等表面成分探測提供強有力支撐。

火星探測中的「材料大師」

在首次火星探測任務中，中國科學院上海矽酸鹽研究所承擔了耐高溫多層隔熱材料、導電型低吸輻比柔性薄膜二次表面鏡（穿孔）、防靜電低吸輻比柔性薄膜二次表面鏡、鋁合金&鎂合金微弧氧化、鋁合金黑色陽極氧化、鋁合金鍍金、鎂合金化學鍍鎳、鎂合金化學氧化等關鍵材料。參與了火星巡視器太陽帆板除塵的前期工作。此外，還為火星用關鍵材料開展了空間環境適應性（真空-紫外輻照）考核試驗，確保了關鍵材料在型號上的可靠應用。

給太空飛行器穿上能調控溫度的衣服

太空飛行器在太空工作的空間環境非常極端，外表必需使用不同太陽吸收率和熱輻射率的塗層，來調節其熱平衡溫度達到熱控制。其中，有一類塗層——有機熱控塗層，就是由中國科學院上海有機化學研究所研製和生產的。

有機熱控塗層就像能調控溫度的衣服，穿在太空飛行器和儀器的外表面。嫦娥系列衛星就是使用了上海有機所研製生產的ERB-2、SR107-ZK等有機熱控塗層，為太空飛行器的正常工作溫度環境保駕護航。此次出徵火星，有機熱控塗層再次為火星探測器穿上了「能調控溫度的衣服」。

天問一號，奧利給

來源：新民科學咖啡館