[科普中国]-火星勘测轨道器探测器

探测器概况

始于2002年的这次任务耗资7. 2亿美元,其中探测器成本为4. 5亿美元,是美国航空航天局(NASA)近30年来发射的最大、最复杂的火星探测器,也是NASA在21世纪头10年内发射的最后一个火星轨道器。因为财政紧张,已迫使NASA取消了一项原定在2009年发射的价值5亿美元的火星轨道器。2

“火星勘测轨道器”携带了迄今为止最先进的太空探索装备,其成像系统分辨率是以往其他系统的6倍。该探测器能进一步研究“火星全球勘测者”探测器已发现的可能有水的区域,并从火星荒芜的表面为以后的探测工作选择安全、有科学价值的着陆点,为今后10年发射的机器人探测器登陆火星做准备。例如,科学家们希望探测器测绘出详细的地图,为分别于2007年和2009年开始的“凤凰”火星着陆器和“火星科学实验室”火星车确定安全的着陆点。“火星勘测轨道器”所收集的信息也可以帮助科学家们决定今后10年往哪里发射取样器,以带回火星岩石和土壤的首批样本。2

同时,在成像任务完成之后它还将为火星着陆器中继数据,因为它配备有功能强大的高增益天线,此天线每分钟所传输的数据是目前运行的“火星全球勘测者”、“奥德塞”和“火星快车” 3种火星轨道器所传输数据总和的10倍,是卡西尼号土星探测器、深空-1探测器、麦哲伦号金星探测器、“奥德赛”和“火星全球勘测者”所传输数据总和的3倍,甚至超过以往所有行星探测器所获数据的总和。当探测器与地球处在4. 2×108km最远距离时,其数据传输速率大于0. 5Mbit/s;当探测器与地球处在9. 7×107km最近距离时,其数据传输速率大于3Mbit/s,即比目前一般的宽带互联网还快几倍。2

其任务分2个阶段完成: 2006年11月-2008年11月用于获取火星的科学信息,即主要勘测火星表面和地下的水资源,寻找存在生命的证据,并为未来的载人火星探测使命寻找合适的登陆点; 2008年11月-2010年12月用于数据中继,即利用该轨道器把在火星表面工作的其他探测器所获得的信息传回地球。为了减轻质量和节省能源,未来的一些火星着陆器将不配备大功率通信设备,因此难以向地球直接发送大量数据,而“火星勘测轨道器”可以为火星着陆器与地球之间提供每天2次、每次5min的宽带互联,并为这些火星着陆器提供导航定位和时间信号等支持。

这个探测器将于2010年结束使命,但科学家们称它所携带的燃料使之足够运行到2014年。

它也将试图寻找2个因故障失踪的火星探测器,即1999年11月在火星坠毁的美国“火星极地着陆器”和英国的猎兔犬-2着陆器。美国曾多次搜索“火星极地着陆器”,也发现了一些可能的目标,但都没有得到最终确认。用“火星勘测轨道器”上的高分辨率成像科学实验仪(HiRISE)也许能够找到“阵亡”的“火星极地着陆器”。2

主要性能参数探测器的发射质量为2180kg，其中轨道器干喷量1031kg，肼燃料质量1149kg。采用三轴稳定，姿态信息由8个太阳敏感器(另有8个备份)、2个星跟踪器和2个惯性测量单元提供推进系统共包括20个推力器，其中6个170N的单元肼发动机用于火星轨道进入。6个22N的推力器用于航向修正机动，8个0.9N的微推力器用于姿态控制。通信采用X和Ka频段，其中主通信采用直径3m的X频段高增益抛物面天线，最大数据率为6Mbit/s；另一个是Ka频段通信试验包．用于验证深空Ka频段的通信性能，采用2个低增益天线进行。此外，探测器还携带有UHF频段通信包，可为着陆器和漫游车提供通信中继支持。电源系统采用功率1000W的太阳翼(面积约19m2)和2个50A·h/32V的氢镍蓄电池。探测器的主计算机是133MHz、32bit的RAD750抗辐射计算机，闪存160Gbit。热控采用表面涂层、多层隔热材料，辐射器、百叶窗以及加热器等。1

探测器携带了8种有效载荷，包括高分辨率成像仪、背景相机、火星彩色成像仪、紧凑型成像光谱仪、火星气候探测仪、浅表雷达、引力场研究科学装置和大气结构探测加速度计。

主要任务MRO将对火星表面进行高分辨率的测量,可对20～40cm大小的物体成像,以便进行科学观测,并为未来航天器在火星表面着陆选择合适的地点。同时,它还将为后续的火星探测任务提供通信和导航中继。其主要任务计划包括:

·发射 2005年8月10日从卡纳维拉尔角空军基地的第41号发射台发射。

·巡游 2005年8月-2006年3月,飞向火星的航程。

·火星轨道 2006年3月进入环绕火星的轨道。

·减速 2006年3-11月,在火星大气层内减速,轨道器降低到火星圆形极轨道,以便采集科学数据。

·获取科学信息 2006年11月- 2008年11月,根据探测器每日的活动收集火星信息。

·通信传输 2008年11月- 2010年12月,利用该轨道器与其他探测任务进行通信。3

主要有效载荷“火星勘测轨道器”载有HiRISE、背景成像仪(CTX)、火星颜色成像仪(MARCI)、CRISM、MCS和SHARAD共6套十分先进的科学仪器来探测火星。它们可分为4类, HiRISE、CTX和MARCI属相机类; CRISM属光谱仪类; MCS属辐射计类, SHARAD属雷达类。其中3台相机和1台光谱仪负责拍摄火星表面的全方位图片:配有迄今直径最大镜头的HiRISE能拍下火星表面的高精度照片,用于捕捉更为具体的火星特征; CTX能够记录宽30km以上的地形带变化; MARCI可以覆盖整个星球,跟踪记录火星表面和大气层的每分钟变化; CRISM将搜寻与水有关的矿石,在房屋大小的区域内测定火星表面的构成成分,其精确度大约是火星轨道上其他任何装置的10倍。探测器上的MCS用于分析火星大气尘埃、水蒸气以及温度, SHARAD用于探测火星地下水。2

其设计寿命5年半,其中不少是新型科学仪器,但也有2台是从失败的“火星观察者”和“火星气候轨道器”所带的仪器改进而来的。

(1)高分辨率成像科学实验仪(Hi-RISE)

其主要任务是根据“火星全球勘测者”、“奥德赛”火星探测器的探测结果所选定的地区拍摄图像,其分辨率超过以往的任何火星探测器。

它由亚利桑那大学月球与行星实验室和鲍尔公司联合研制,重66kg,造价高达4000万美元,创下所有太空仪器之最。HiRISE是一个高分辨率可见光数码相机,相机图像感应器有8× 108个像素。通过它对火星表面类似岩浆流动现象进行高分辨率成像,可以弄清溶岩喷发物的成分;用它对火星极区的沉积层成像,有助于揭示火星气候的历史。对火星不同的层成像,可回答关于这些层产生的过程。分析它所获得的数据,能深入了解各层的物理性质和年代关系,以便确定分层是怎样形成的,水和气候变化对层的形成起什么作用。2

该相机配有一个高清晰度望远镜镜头,这个镜头可对火星表面数百处地点拍摄有史以来最高分辨率的照片。它工作在可见光谱段,幅宽在红色谱段大于6km,在蓝-绿及近红外谱段大于1. 2km。利用近红外谱段观测主要是获取矿物组分信息,并结合其他科学仪器提供的信息,寻找未来火星着陆器的合适着陆地点。

其分辨率随轨道器的轨道高度不同而不同。当“火星勘测轨道器”的轨道高度在200km时分辨率可达到0. 3m,轨道高度为400km时分辨率为0. 6m。高分辨率观测对研究分层物质、冲击沟、河道等很有利,对确定着陆场也有好处。2

(2)背景成像仪(CTX)

CTX是装有广角镜头的数码相机。虽然其分辨率不高,但具有较大视野,幅宽比HiRISE、CRISM都大,可达40km,用于为科学家在研究某具体岩石或者小地区的高分辨率图像时,更好地显示出这些物体所处的环境背景。

该仪器由马林(Malin)太空科学系统公司负责研制, MARCI也是该公司研制的。2

(3)火星颜色成像仪(MARCI)

其任务是对火星进行全球成像,区分出火星表面每天、每个季节和每年之间的气候变化,对火星的每日天气进行记录。

该仪器是一种专门记录某几种光谱图像的数码相机,有4个可见光谱段和2个紫外谱段。在可见光谱段能对火星的尘暴和极地冰帽变化进行观测,对云、雾和沙尘暴等一些大气现象,绘制分辨率为千米尺度的图形;在紫外线谱段能对火星大气中的臭氧、尘埃、二氧化碳进行观测,定量地表征大气臭氧丰度和分布,观测尺度为数十千米。

其实, MARCI曾在“火星气候轨道器”和“火星极地着陆器”等其他火星探测器上装配过,可惜它们都因故障而失落在太空。2

(4)小型火星勘测成像光谱仪(CRISM)

由马里兰州的约翰霍金斯大学应用物理学实验室(APL)建造的CRISM,是在NASA火星任务中采用的第1个装有扫描镜头的可见光-红外光谱仪。

其主要任务是寻找组成水存在的矿物残余物和矿石,以及有可能存留有水的远古温泉、火山口、湖泊和池塘。

该仪器对大气层的探测能覆盖其他5台仪器没使用过的谱段,所以还用于提供精确的水蒸气和一氧化碳体丰度,监测尘埃和冰云的图形。

CRISM使用可见光和红外谱段对尘埃堆积的火星表面进行成像,能确定火星表面很宽范围的矿物。它将以空前的清晰度从300km的高度对最小尺度为18m的物体进行观测,绘制火星表面地图;记录火星地物反射阳光所产生的数百种颜色的反光,从中检出特定的矿石,特别是曾经含有水的信息痕迹。它可分析从火星表面反射的560种颜色来确定地表的矿物特征,揭示像房子大小的地面岩层等沉积物特征。由于其光谱分辨力强,光谱覆盖范围宽,因此连最普通的矿物都能够确定。2

专家认为, CRISM能在火星勘测任务中起到非常重要的作用,所勘测的数据将鉴别最可能含水的地点,并为未来寻找化石甚至生命痕迹的火星任务选取最可能的着陆点。机遇号火星车已经在其着陆点———火星赤道附近的大平原Meridian Planum地段内发现液态水的痕迹,但这仅仅是未来航天器可能着陆的数百个着陆点中的一个。

这台可见光-红外成像光谱仪能分辨560种颜色(“火星探路者”只能分辨3种颜色)。通过用孔径10cm的望远镜进行勘测,使CRISM具有更强的光谱分辨率,超过了已送往其他行星的类似仪器。它的最大分辨率是此前所用红外谱段探测火星的20倍左右。2

CRISM安装在一个方向节上,在“火星勘测轨道器”经过火星表面目标上空时,它就可以跟踪该目标。该仪器先花费几个月的时间以每个像素100～ 200m的分辨率绘制火星地图,寻找可能的研究点。然后以每个像素18m的分辨率(幅宽11km)对重点区域绘制高分辨率地图。其所具有的高空间分辨率和高光谱分辨率能对上千个可能地点进行详细测量。它还将监控大气中灰尘和冰粒子的周期性波动,补充卫星其他设备收集的数据,并提供火星气候的新线索。专家认为, CRISM将极大地改进当前火星轨道器的绘图技术。

(5)火星气候探测器(MCS)

MCS是一种无线电波辐射仪,用来了解火星的气候和天气,以及可能发生的变化。它从轨道高度观测火星地平线方向,并把火星大气垂直分成多个5km厚的层逐一观测,测量大气温度的变化和成分随高度的变化。这些剖面测量结果与每日所观测的火星昼夜三维全球气象图结合,能显示出火星大气中不同层的温度、压力、湿度和尘埃量。2

(6)浅地面雷达(SHARAD)

该仪器由意大利航天局(ASI)、罗马大学和华盛顿大学联合研制,主要任务是在火星的浅地表下查找水的存在,最大探测深度可以达到1km。

它用工作频率为15～ 25MHz的雷达波扫描火星表面,获取不同深度的图像,并根据雷达回波可判断出该深度上的物质形态,例如,岩石、沙或者水。这是因为水和高密度岩石都会引起强雷达回波;同时,其他浅地表物质的特性也能在回波中表现出来。2

相关新闻据航天参考2016年3月10日报道，时值美国火星勘测轨道器（MRO）在轨运行10周年纪念日，NASA在其官网正式发文，纪念这颗具有杰出功勋的火星轨道器。在过去的10年中，MRO取得了前所未有的科学成果，为科学家们解开了困扰长达数世纪之谜。其中最显著的科学成果是发现火星表面有液态水的证据。早在2011年，MRO搭载的 高 分辨率成像仪（HRISE）就拍摄到火星表面或亚表层存在季节性斜坡纹线（RSL）。斜坡纹线不仅呈现季节性变化，而且1天之内也会有明显变化。后经光谱分析表明，季节性斜坡纹区域的矿物是溶于水后再沉淀富集而成，这个结果提供了现今火星上存在液态水的有力证据。2015年9月28日，NASA召开记者发布会，正式宣布确认火星表面存在季节性液态水。4