[科普中国]-火星奥德赛探测器

基本概况

“火星奥德赛”于2001年4月7日用德尔塔-2火箭从卡纳维拉尔角发射,并于2001年10月24日世界时间2点30分进入火星轨道。这个价值3亿美元的飞行器是自1999年美国两次火星探测损失惨重的失败之后第一个发射到火星的探测器，两年来，飞行器工作是正常的，所有科学仪器正在以正常的方式收集数据。至2003年4月7日“火星奥德赛”2周年时已经完成了近5000个轨道的绘图。2

“火星奥德赛”运行状况如下：“火星奥德赛”于2001年4月7日发射，经过6个多月的空间旅程之后，飞行器抵达火星，主发动机点火使飞行器的速度降低，以允许它俘获到围绕火星的轨道上。2001年10月24日世界时间2:55“火星奥德赛”成功进入火星轨道。从2001年10月26日到2002年1月11日是大气制动阶段。在大气制动阶段，“火星奥德赛”最初注入的高度偏心的初始火星轨道借助火星大气的摩擦力而降低，飞行器的每一个轨道逐渐接近火星。这个轨道具有一个火星以上27000公里的最远点和一个火星表面以上128公里的最近点。在这个阶段的末尾2002年1月，最低点仍然在行星以上约120公里，最远点被降低到接近500公里。借助火星的大气使飞行器在轨道上减速，而不是点火它的发动机，从而节省了约200kg推进剂。然后，携带的推进器被点火提升近地点，并且完成一个几乎圆形的400公里的极轨。提升近地点的第一个操纵是在2002年1月11日成功完成，并且大气制动阶段结束。随后是在1月15日和17日两个轨道调谐启动，而两个最后的精细调谐是在2002年1月28日和30日。至此，“火星奥德赛”飞行器已经处在绘图轨道上，并从轨道开始了科学测量，它的主要科学任务是从2002年2月直到2004年8月（917个地球日）。2

任务目标“火星奥德赛”的任务目标包括（1）建立火星表面的化学元素和矿物全球分布图，为了解火星过去的气候、研究火星上水的历史以及寻找支持生命的环境提供新的证据。（2）确定火星地下浅层中氢的丰度。假如发现丰富的氢，这可能预示着水冰的存在。（3）提供关于火星表面的结构信息。（4）记录地球和火星之间以及在低的火星轨道上的辐射环境，因为它关系到人类探查的辐射相关的危险，为人类登录火星作先期准备。（5）作为一个通信中继站服务其他火星探测器，如“火星侦查漫游者”和“猎兔车”2号登录器。总之通过对火星展开系统的测绘，收集火星土壤和岩石的组成数据，改善我们对行星气候和地质历史以及生命的孕育过程的了解。“火星奥德赛”的任务将延伸长于一个火星年（2个半地球年）。2

主要性能参数探测器为长方体结构，尺寸2.2m×1.7m×2.6m。探测器发射质量为725.Okg，干质量376.3kg，肼燃料349kg。采用三轴稳定，装有4个反作用动量轮，姿态信息由太阳敏感器、恒星相机以及惯性基准单元提供。推进系统包括1个双组元发动机和8个单元肼推力器，其中巡航主推进采用640N双组元发动机，4个0.98N推力器和4个22.5N推力器用于姿态控制。电源系统包括3个太阳翼和1个16A·h的镍氢电池组。通信系统包括2套无线电系统，1个工作在X频段，用于探测器与地球的通信；另1个工作在UHF频段，用于探测器与其他火星着陆器间的通信，热控系统采用热控涂层、隔热材料、辐射器、百叶窗及加热器。1

主要有效载荷“火星奥德赛”携带3台关键的科学仪器，一个热发射成像系统,一组γ射线谱仪和一个火星辐射环境试验器。

火星辐射环境试验器MARIE（The Mars Radiation Enviroment Experiment）重量3.3kg，电功率7W，尺寸29.4cm×23.2cm×10.8cm，火星辐射环境试验器用于空间和火星辐射环境的测量，并分析他们对人类的潜在伤害效应。2

热发射成像系统THEMIS（Thermal Emission Imaging System）重量11.2kg，电功率14W，尺寸54.5cm×37cm×28.6cm。热发射成像系统是照相机的一个类型，它是利用温度的红外线测量来照相。热发射成像系统，用于研究火星表面在可见和红外范围的谱，可确定火星表面矿物的分布。

γ射线谱仪GRS（Gamma-Ray Spectrometer）实际上是一组仪器，包含4个主要部分：射线探测器、中子谱仪、高能中子探测器和中心电子学组件。γ射线谱仪GRS是“火星奥德赛”最重要的有效载荷，它所提供的数据将用于确定火星主要地质区域的元素丰度，它也有能力探测浅层的地下水和参与宇宙γ射线爆的研究，所以下面作较为详细的介绍。2

γ射线探测器本身GRS重量30.5kg，电功率32W，尺寸46.8cm×53.4cm×60.4cm。是由Arizona大学的月球和行星实验室研制的。探头是带有冷却的高纯锗探测器，32Ge晶体为67mm×67mm，重1.2kg。晶体上保持约3000伏的高压，电流小于1nA。当一个高能γ光子或带电粒子打入时，产生的电荷被放大、测量和数字转换到16384道中的一道，相应的能区为300-8000keV。在规定的数秒获取之后，得到一个γ射线谱。高纯锗探头的优点是谱线很尖锐。虽然计数率是很低的，但长的积分时间允许大多数元素能以10%左右的精度被确定。

为了减少来自飞行器产生的γ射线的干扰，γ探头安装在一个连于轨道器的6.2米长的支杆的末端。支杆是绝对必要的,支杆展开后获得的γ射线谱的质量显著提高。2

γ探头包含探测器、辐射冷却器、低温前放、带门的热屏、安装至支杆末端的托架。冷却器有一个门,它在飞行中是打开的,暴露一个散热器,容许探头(传感器)冷却到90K以下来收集科学数据。热屏蔽和门是需要的,允许我们定期地把探头加热到100°C以便退火晶体的辐射损伤。

中子谱仪NS(The neutron spacetrometer)用于热中子和超热中子探测,由4片组成的BC454闪烁探测器,用于过滤热中子。在火星表面1米之内的表层中,氢的质量灵敏度达10-3水平。中子谱仪的尺寸为17.3cm×14.4cm×31.4cm。是由Los Alamos National Laboratory研制。2

高能中子探测器HEND(The high-energy neutron detector)用于超热中子、共振中子和快中子探测,尺寸为30.3cm×24.8cm×24.2cm。是由Space Research Insitute研制。3个具有不同厚度慢化剂的3He正比计数器用于探测0.4-10.0eV，10.0eV-1.0KeV。1.0keV-2MeV能区的γ射线和30keV-1MkeV能区的硬X射线。以300公里的空间分辨率在火星表面1米的浅层中，氢的质量灵敏度达10-3水平。高能中子探测器和中子谱仪两者都是安装在主飞行器上，没有设置附加的支柱。2

仪器中心电子学箱尺寸28.1cm×24.3cm×23.4cm。

由γ射线探测器和两个中子探测器组成的γ射线谱仪GRS能以测量周期表中大约20种主要元素的丰度和分布，包括硅、氧铁、镁、钾、铝、钙、硫、和碳，在此次火星探测中获得了大量有价值的数据，发挥了巨大的作用。2

主要成果“火星奥德赛”发射后，所有仪器均正常工作，已发回了大量的科学数据，获得了一些重要的成果，至2003年5月已完成443天的科学任务，是预定917天的48%，完成5380个绘图轨道。发射后已有761天是总任务的61%，返回的科学数据总量为155Gbytes，而原计划917天数据容量是126.5Gbytes。

2002年2月6日，“火星奥德赛”展开了它的高增益天线，2002年2月19日开始利用其携带的科学仪器，绘制火星的地表图像。“火星奥德赛”的多光谱照相机同时在多个红外波长以空前的分辨率成像火星。2002年3月1日美国宇航局公布了“火星奥德赛”传回的第一批观测数据和照片。热发射成像系统可以向人们提供火星的两种高分辨率图像、直观图像和红外线图像，它提供了关于岩石层历史的线索，有助于科学家更好的理解火星矿物学与火星地形之间的联系。2

“火星奥德赛”最令人激动的发现是探明火星表面下有大量的水冰。2002年3月5日俄罗斯科学家宣布,美国“奥德赛”火星探测器利用其携带的俄罗斯中子探测器通过探测火星的土壤发现,在火星南极下面大约藏有1000万平方公里的冰面:此外,在太阳系的最高峰——火星的奥林波斯山的山坡上也发现了大量冰冻的水体。由于水可以为火星探测提供“重要的支持”,发现水的这些地区将成为火星上首批接受宇航员探测的地区,以便进一步确定火星上是否有生命迹象的存在。2