阿聯火星任務？一起來看看！

2020年7月14日開始，地球上的準一類太空文明，人類，又迎來了一次火星探索發射的窗口期。在這次窗口期之中，共計有三個火星項目發射升空，包括我們最熟悉的中國火星探測任務「天問一號」，以及美國的「火星2020」計劃（包括火星車和火星直升機），還有阿聯的火星任務。

從1964年的水手3號開始，美國這幾十年間已經執行過近20次成功的火星探測任務，是火星探測的熟手了，宣傳方面成熟且大力。中國，我們的祖國，天問一號作為我們邁進深空的裡程碑，也是近一個月來媒體重點宣傳的對象。相比起來，阿聯的火星計劃則筆墨寥寥，很少有人去介紹宣傳。那麼今天，我們就通過網上的公開信息，來分析分析，阿聯火星任務的大概內容。

阿拉伯聯合大公國，簡稱阿聯。阿聯的火星任務名字很直白，就叫Emirates Mars Mission，酋長國火星任務，簡稱EMM（這個名字Emmmm）。任務包含一個火星軌道器，經過廣泛的徵名活動，它獲得了一個同樣直白的名字——Hope，希望（阿拉伯語：مسبار الأمل）。如果任務成功，Hope號火星探針，將會成為整個中東地區的第一個，整個阿拉伯世界的第一個，所有以穆斯林為主的國家之中的第一個，火星探測器。

Hope是阿聯與美國、日本等國深度合作的項目。在開始講述更多細節之前，我希望申明，火星探測是人類共同的科學事業，任何一個國家和組織加入火星探測的家庭，並以科學為主要目的探索火星，我們都應該支持和鼓勵。

一、任務目標和意義

提到阿聯，我們往往會想到遍地的黑色黃金，建築科幻且奢靡的杜拜，樣式各異的超級跑車、豪華別墅，填海造陸的奇蹟棕櫚島，一頁紙都寫不下的王子名單，以及中東特有的，與我們迥異的風俗和信仰。在很多人的字典裡，阿聯總的來說就是土豪的代名詞，不求最好，但求最貴。

圖註：朱美拉棕櫚島，杜拜三座棕櫚島中最早的一座，也是最小的，建於21世紀初。上面布滿了私人領地和度假酒店。為了建造這個島，阿聯購買了當時全世界唯一一枚私人衛星，用以提供能媲美美國間諜衛星的精確定位規劃。

然而我們也應該知道，刻板印象不可取。阿聯明顯有著多方面的雄心壯志，也意識到了資源型單一經濟潛在的危險，希望發展高新產業。

Sheikh Mohammed bin Rashid Al Maktoum（謝赫·穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆），阿聯副總統兼總理在發表EMM的任務規劃時提到，EMM是為了向世界發出三個信息：

1.對於整個世界發出信息：阿拉伯文明曾經在人類歷史上扮演過重要的角色，貢獻了大量的知識，如今，又要再次扮演這樣的角色了；

2.對於所有的阿拉伯同胞發出信息：這世界上沒有什麼不可能的，在知識的競賽中，我們同樣可以和那些最強大的國家同臺競技；

3.對於任何勇攀高峰的人發出信息：不要為你的雄心設立限制，你甚至能夠進入太空。

這三條信息乍一看是空話套話，但如果放在阿聯所處的環境下，語言中流露出來的雄心壯志，就十分直白了。

圖註：阿聯相關人員與Hope合影。右一即為穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆。

而Hope這個名字，據阿聯官方聲明，也認為其很好地表達了上面的三條信息，因此而被選中。

說完政治，來看科學，Hope的科學任務相比起同期的中美兩國的探測器的任務要簡單很多。其任務的最主要目標，就是對火星大氣層，包括低層大氣和高層大氣，做一次完整的成像。

圖註：Hope的科學任務，即第一次真正的、全球化的火星大氣層圖像研究。

Hope對火星大氣的觀察，包括了氣候的日變化、季節變化，和各種各樣的氣象事件及其分布。用阿聯方面的話來說，就是，「這將是火星的第一顆真正的氣象衛星」。

圖註：Hope進入火星軌道之後的科學軌道規劃，為周期大約55小時的橢圓軌道。

Hope將會幫助科學家理解火星大氣層的劇烈變化——火星是怎麼從過去那個富含液態水的星球，變成如今的乾旱、荒蕪的世界的？氫原子和氧原子是如何從火星的大氣逃逸的？火星高層大氣和低層大氣是通過什麼樣的機制相互作用的？更進一步的，能不能從火星大氣的變遷，推導建立出地球未來大氣變遷的模型？

圖註：火星失去了磁場，變得荒涼死寂，地球會不會也變成這樣？

這些任務是相對專一的，需要對大氣層做深入的觀察，因此也就要求Hope攜帶專業的成像設備。接下來，我們就來看一看Hope所攜帶的科學設備。

二、衛星科學載荷

如果要描述美國或者中國本次火星任務的各個科學載荷，可能需要很多篇文章論述——毅力號火星車和天問一號火星車都屬於綜合科學平臺，針對多種多樣的科學實驗目標，裝備了各式各樣功能不同的儀器，各自有非常複雜的工作原理。

Hope的科學目標相當專一，所以只攜帶了三臺科學儀器，分別是多光譜相機、紫外光譜儀、紅外光譜儀。

圖註：Hope及其上搭載的主要儀器。注意，概念圖和最終實際的設計是有區別，外形從六稜柱變成了四稜柱，太陽能電池板也變成了兩組。①1.5m直徑高增益天線；②900瓦太陽能電池板，兩組共1800瓦（概念圖與實際有差別）；③星敏儀；④8組5N推力的姿態控制推進器；⑤EXI多光譜相機；⑥EMUS紫外光譜儀；⑦EMIRS紅外光譜儀；⑧六組120N推力主推進器。

1.多光譜相機

Hope的多光譜相機被稱為Emirates eXploration Imager (EXI)，酋長國探索相機。它擁有6組由機械結構控制的、分立的帶通濾波器，來過濾不同的光譜。簡單來說，就是可以通過機械切換「鏡頭（濾光片）」，來改變其敏感的光譜區域。這六組濾光片包括三組可見光波段（也即紅綠藍三基色），以及三組紫外光波段的濾光片。

圖註：EXI組件就位於圖片偏上的位置。

可見光波段的三種顏色合成起來，就可以顯示出人眼能直接觀看的真實色彩圖片。紫外光則可以補充我們看不到的細節。這套相機將會拍攝和測量水、冰、沙塵、氣溶膠、臭氧層空洞等等。

EXI組件是由美國科羅拉多大學波德分校（University of Colorado - Boulder）下屬的大氣與空間物理實驗室（LASP）與阿聯默罕默德·本·拉希德太空中心（MBRSC）合作研製的，MBRSC正是以我們前面說到的，以阿聯副總統的名字命名的。

2.紫外光譜儀

Emirates Mars Ultraviolet Spectrometer (EMUS)，酋長國火星紫外光譜儀。名字簡單易懂，這是一臺紫外光譜儀。

圖註：開發人員正在檢查EMUS

紫外光頻率很高，波長很短，因此穿透力差，但是方向性好。對於飛行在太空的Hope來說，EMUS將用來解析火星高層大氣的特徵，尤其是火星大氣層熱層和氫原子、氧原子。在100nm-170nm的發射光譜波長範圍內，研究他們的全球特徵和地區變化。

換言之，在之前提到的眾多科學目標中，EMUS將專注於研究氫、氧原子的逃逸，高層大氣的特徵和物理過程。試圖解讀火星大氣逃逸的物理機制，構建火星水環境變遷的模型。

EMUS也是由LASP主持研製的。

3.紅外光譜儀

Emirates Mars Infrared Spectrometer (EMIRS)，依然是一個直白的名字，酋長國火星紅外光譜儀，看來阿聯科學家們的起名能力遠遠不如美國科學家——美國科學家們總是能想出一些生搬硬套的稀奇古怪的名字。

紅外光，相對來說，與紫外光的特徵正相反，波長很長，因此穿透力好，但能量低，方向性也稍遜。EMIRS的主要任務，區別於EMUS，是提供火星中層和低層大氣的視野。

圖註：工程師們正在對Hope進行測繪。紅圈之內，就是被防塵罩保護的EMIRS。在前兩張圖中也可以看到。

紅外線是我們非常熟悉的物理實體，我們知道紅外線與溫度息息相關，高於絕對零度的各種物體時刻在向外輻射紅外線，輻射特徵正是依賴於溫度。紅外光譜儀的首要任務，就是通過觀察火星輻射的紅外線，測量中低層大氣的溫度特徵。

由溫度推廣出去，不同的介質對於紅外線的折射/反射特徵也不同，因此水冰、水汽、塵埃、氣溶膠等等介質也能通過EMIRS來分析。

EMIRS是亞利桑那州立大學（ASU）在MBRSC的支持（簡言之就是贊助）下主持開發研製的。

可以看到，這一系列的三組科學載荷，主要就是為了研究火星的大氣層，包括氣候和氣象事件。所以稱之為「氣象衛星」確實也名副其實。

三、整體設計

Hope探測器整體發射質量共1350kg，乾重（即不含燃料）550kg，寬2.37米，長2.9米，總的來說，與一輛小轎車差不多，發射質量是同期的三套探測器中最小的。其主天線是一套1.5米直徑的高增益天線，在通訊時必須正對地球。其身上攜帶的其他天線，功率都不足以完成與地球的直連通訊。

圖註：圖中的Hope顯然還沒有包裹防輻射的金屬膜，我們可以清楚看到其框架結構以及天線等

之前我們說到過，Hope的外觀和結構設計相比於概念圖有很大的出入。概念圖中，是一個六稜柱，對稱安裝三組太陽能電池板，每組額定600瓦功率。但是實際設計中，主體結構變成了四稜柱，也即一個長方體。對稱安裝三組太陽能電池板也明顯不可能了，變成了對稱安裝兩組，每組900瓦。

Hope的姿態調整任務，主要由一套共8個RCS（Reaction Control System）噴口控制，每個噴口的推力是5牛頓。這個噴口在飛船和衛星上很常見，咱們的神舟飛船上那些指向四面八方的，會間歇地噴氣的噴口就是RCS。此外，Hope還攜帶了動量輪，藉助角動量守恆的原理來控制飛船姿態，讓其高增益天線能始終指向地球。

Hope的定姿任務，是由星敏儀來完成。星敏儀其實由是一組至少兩個，視場非常狹窄（一般是10°左右）的相機組成。星敏儀觀察天空，尋找特定的星座，再與太陽的位置做對比，得到當前探測器的姿態信息。姿態如果不正常，則讓前面所說的RCS和動量輪來調整。

圖註：Hope上兩個凸起的四稜錐，就是星敏儀的遮光罩，星敏儀的本體——窄視場相機就會安裝在其根部。此外，這張照片拍攝的方向恰好是眾多科學載荷所在的面，可見科學載荷都還沒有安裝，數據線纜裸露在外。

Hope在發射之後的變軌、減速等動作，都會由其尾部的6組各120牛頓推力的主發動機完成（一些精細變軌工作也會交由RCS噴口）。主發動機並非越多越好，這個在我國的嫦娥計劃中也有所提及。之所以用多臺發動機，通常可能是由於兩個原因，第一是單臺發動機推力不夠，第二是發動機的推力無法精確控制，只能靠關閉部分發動機來取得較小的推力。

火星探測任務絕非是探測器可以自主完成的，它是一項複雜的工程，不僅需要探測器自身的儀器設備滿足需求，還需要地面遙測和太空信息網絡提供支持。阿聯不是航天大國，當然不可能有完善的深空網絡和遙測網絡，做不到全天候、24小時對Hope的測控導航。所以實際上，阿聯的測控導航，也是委託了美國亞利桑那州譚蓓（Tempe Arizona）的KinetX Aerospace公司，以及美國NASA的深空網（Deep Space Network，DSN）。

圖註：正在轉運Hope。注意，底部的圓錐並非推進器噴口，而是與火箭連接的安裝平臺。

此外，眾所周知，阿聯火星任務EMM，是通過日本的H-IIA火箭發射的。今年受疫情影響，Hope要進入日本，也是困難重重。為了能夠按期發射，Hope削減了很多次要的測試內容。Hope在阿聯組裝完成之後，僱傭了安-124運輸機運送到日本，隨機的11名工程師和技術人員統一隔離了14天，才投入到工作中去。

EMM任務作為阿聯的第一次火星探索任務，意義非凡，我們不應該拋開政治，單純去看其科學意義。EMM任務包括了150名阿聯方面的工程師、技術人員和科學家，以及超過200名合作單位的工程師和科學家。其項目組成員合影中，女性研究和行政人員的比例其實讓我眼前一亮。

圖註：項目組大合影，注意，黑衣的都是女性。

圖註：火星在等待著

如果一切順利，包括阿聯的EMM任務，中國的天問一號，美國的火星2020任務，都將於2021年2月抵達火星。這些探測器都是人類最尖端技術的結晶，都是人類對於璀璨星空探索的勇敢嘗試，都是人類科學進步的堅實一步，都是人類命運共同體的可貴成就。我們衷心希望，這三組勇敢奔向火星的戰士，能夠一路平安！

參考資料及圖片來自維基百科、EMM任務官方網站、MBRSC官方網站等。

美編：徐海潮

校對：張 崧