阿联酋火星探测器发射升空 拉开2020年火星探测序幕

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腾讯太空 文/乔辉

北京时间2020年7月20日凌晨5点58分，阿联酋首颗火星探测器“希望”号由日本运载火箭发射升空，发射地点位于日本的种子岛航天中心。



根据轨道设计，该探测器要经过大约200多天的飞行，2021年2月份才能抵达火星。其主要的科学目标是研究火星气候演变以及天气状况，例如沙尘暴等。希望号团队表示，这是第一颗真正的火星气象卫星。设计寿命为2年。



一、希望号探测器的组成和科研目标

希望号探测器由阿联酋和美国科罗拉多大学波德分校联合研制，重1.35吨，大小与一辆轿车相仿。由两个太阳能发电板供电，总功率1.8千瓦，这和家用电水壶的功率差不多。探测器搭载有直径1.5米的高增益天线以及若干低增益天线。此外，探测器利用恒星跟踪定位仪来进行导航。



上面我们提到，探测器重1.35吨，其中接近一半的重量为燃料，燃料主要用于6台推力为120牛顿的发动机进行变轨使用。探测器的姿态调整采用的是动量轮装置，动量轮的原理并不复杂，就是利用不受外力矩系统的角动量守恒的原理，当轮子顺时针旋转的时候，探测器就向逆时针转动。这种装置可以不用消耗燃料进行探测器的姿态调整，是一种在太空中普遍使用方法。希望号探测器搭载有三种主要的仪器，他们分别是：

1、探索成像仪（EXI）：这是一种多波段相机，能够拍摄高分辨率图像，可以对火星大气中的水蒸气、冰晶、沙尘、气溶胶以及臭氧进行测量。

2、红外光谱仪（EMIRS）：用于测量火星大气中的水蒸气、冰晶和沙尘的温度。

3、紫外光谱仪（EMUS）：用于测量火星的全球特征和火星大气热层的变化，为了解开氢和氧的丢失问题。

二、日本提供运载火箭

H-IIA运载火箭直径4米，高度53米，属于捆绑式两级火箭。火箭芯级采用氢氧发动机，外加2或4枚固体火箭助推器（根据执行任务不同进行调整）。近地轨道的运载能力为10到15吨，地球同步转移轨道的运载能力为4到6吨。

H-IIA火箭的运载能力与我国的长征三号乙火箭相当。长三乙是我国主力运载火箭，发射载荷主要为地球静止轨道通信卫星、气象卫星、北斗导航卫星和月球着陆探测器等。

三、美国提供深空测控网

火星探测器离开地球，在飞往火星的过程中需要精确测控。由于探测器的距离很远，发出的信号随着距离的增加而衰减，这就需要有强大的深空测控能力。阿联酋目前尚不具备这种能力，因此需要美国帮助测控和信号回传。

美国深空网（DSN）是由美国喷气推进实验室管理的一个先进的测控网，是为了对执行月球、行星和行星际探测任务的航天器进行跟踪、导航与通信而建立的地基全球分布测控网。



图注：位于西班牙马德里的70米深空网天线。

为了克服地球自转影响，实现对深空航天器的连续跟踪，深空网的布局通常是在全球范围内经度上间隔120度布站，这样就可以确保对距离地球表面距离在3万千米以上的航天器进行连续跟踪。

美国NASA深空网由在全球按经度间隔120°分布的三个深空通信综合设施组成，分别位于美国加州的戈尔德斯通、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉，深空网的操作控制中心位于美国加州帕萨迪纳的喷气推进实验室（JPL）。NASA深空网是目前世界上规模最大、能力最强的深空测控系统。

除了美国深空网，欧空局也有自己的深空网。近年来，我国为了深空探测的需要，也建立了自己的深空网，嫦娥探月计划的成功实施，深空测控网功不可没。根据官方报道，我国将于7月20日至7月25日择机发射“天问一号”火星探测器，这得益于我们除了拥有推力强劲的长征五号运载火箭之外，还拥有独立的深空网。

大家比较熟悉的，有西安卫星测控中心的喀什测控站、以及佳木斯深空站等。其中，佳木斯深空站，位于中国黑龙江省佳木斯市，2013年建成。

四、阿联酋为什么要探测火星？

上面介绍了那么多细节，你可能要问，阿联酋为什么要探测火星？



图注：希望号任务徽章。

太空的深邃浩渺本身就吸引着地球上的每一个人，星辰大海也是每一个民族的梦想。当具备经济和技术条件，都会尝试去探索。虽然阿联酋在技术实力上尚不具备独立探索火星的能力，但是他们可以通过与其他国家合作来完成这个梦想。

根据官方说法，阿联酋希望通过这次的火星探测来激发年轻人仰望星空，探索宇宙的希望之心。此前，阿联酋曾提出过“2117火星定居计划”，本次发射也彰显了这个决心。该火星探测器将于明年（2021年）抵达火星，正好是阿联酋成立50周年。

五、为什么2020年三个国家扎堆去火星？

你如果关注太空，会知道今年有三个国家向火星发射探测器：我国的“天问一号”探测器、美国的“毅力”号火星车和本次阿联酋的“希望”号探测器。其中，天问一号将于7月下旬到8月上旬择机发射，“毅力”号将于7月30日到8月15日之间发射。

如果错过了8月15日这个最后的窗口日期，那么要继续等两年。这是为什么呢？

图注：2018年，美国洞察号飞往火星的轨道。其他飞往火星探测器的轨道类似。

简单来讲，这是因为地球和火星运行在不同高度的轨道上，火星的公转周期接近地球公转周期的两倍。从地球向火星发射探测器就要等到这两颗行星处于一定的相对位置时再发射，最节约燃料。具体来讲，在轨道上，当火星超前地球44度左右时是最佳发射时机。这时候的飞行轨道就是所谓的“霍曼轨道”。这种时机，两年多才有一次，因此，错过今年的发射窗口，就要再等两年多。

六、人类为什么热衷于探索火星？

火星是太阳系内与地球环境最接近的行星，有一定厚度大气层，有坚固的地表，还封存有大量冷冻状态的水。因此，在未来，火星是存在移民可能性的行星。

另外，火星还可能存在像微生物这种低等形式的生命，这也是世界各国热衷探索火星的重要原因。