阿聯(lián)酋首個(gè)火星探測(cè)任務(wù)分析

王帥（北京空間科技信息研究所）

北京時(shí)間2020年7月20日，阿聯(lián)酋首個(gè)火星探測(cè)任務(wù)—“阿聯(lián)酋火星任務(wù)”（EMM）起航，名為希望號(hào)（Hope）的火星探測(cè)器搭乘日本H－2A火箭發(fā)射升空。探測(cè)器計(jì)劃于2021年2月，即阿聯(lián)酋成立50周年抵達(dá)火星，將研究火星天氣的每日變化和季節(jié)性變化，沙塵暴等低層大氣中的天氣事件，以及火星不同區(qū)域的天氣變化。如果探測(cè)器成功抵達(dá)火星，阿聯(lián)酋將成為首個(gè)訪問(wèn)火星的西亞國(guó)家。

1 任務(wù)背景

EMM任務(wù)由阿聯(lián)酋總統(tǒng)于2014年7月宣布，計(jì)劃發(fā)射名為希望號(hào)的火星探測(cè)器，目的是豐富阿聯(lián)酋工程師的能力并增強(qiáng)人類對(duì)火星大氣的了解，任務(wù)定于阿聯(lián)酋成立50周年之前抵達(dá)火星。為實(shí)現(xiàn)此次任務(wù)，阿聯(lián)酋航天局（UAESA）與穆罕默德·本·拉希德航天中心（MBRSC）簽訂了一項(xiàng)協(xié)議，阿聯(lián)酋航天局將資助EMM任務(wù)并監(jiān)督探測(cè)器的完整實(shí)施過(guò)程，穆罕默德·本·拉希德航天中心則受委托設(shè)計(jì)和制造希望號(hào)探測(cè)器。

該任務(wù)被視為對(duì)阿聯(lián)酋經(jīng)濟(jì)和人力資本的投資。阿聯(lián)酋副總統(tǒng)曾在宣布任務(wù)時(shí)提及3個(gè)信息：一是告知世界，阿拉伯文明曾經(jīng)在促進(jìn)人類知識(shí)進(jìn)步方面發(fā)揮了巨大作用，并將再次發(fā)揮作用；二是告知阿拉伯兄弟們，沒(méi)有什么是不可能的，而且我們可以在知識(shí)競(jìng)賽中與最偉大的國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)；三是傳達(dá)給那些力爭(zhēng)達(dá)到最高峰的人們，不限制野心，你甚至可以到達(dá)太空。

迪拜酋長(zhǎng)國(guó)酋長(zhǎng)表示，之所以將探測(cè)器命名為希望號(hào)，是因?yàn)椤八驍?shù)百萬(wàn)年輕的阿拉伯人傳遞了樂(lè)觀的信息”。任務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將與全球200多個(gè)機(jī)構(gòu)自由共享。2015年，任務(wù)團(tuán)隊(duì)向阿拉伯國(guó)家征集探測(cè)器名稱，最終選定了希望號(hào)是因?yàn)樵撁Q描述了任務(wù)的核心目標(biāo)。

在設(shè)計(jì)和制造希望號(hào)探測(cè)器時(shí)，阿聯(lián)酋航天組織穆罕默德·本·拉希德航天中心與美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校（CU-Boulder）、亞利桑那州立大學(xué)(ASU)以及加利福尼亞大學(xué)伯克利分校(Berkeley)開(kāi)展了合作。希望號(hào)探測(cè)器在科羅拉多大學(xué)博爾德分校的大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室（LASP）建造。穆罕默德·本·拉希德航天中心負(fù)責(zé)對(duì)探測(cè)器的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和發(fā)射的各個(gè)階段進(jìn)行執(zhí)行和監(jiān)督。三菱重工有限公司（MHI）為探測(cè)器的發(fā)射承包商，運(yùn)載火箭為H－2A。

2 航天器基本信息

任務(wù)目標(biāo)

EMM任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)是研究火星大氣和氣候，提供對(duì)火星大氣的全面了解,即通過(guò)表征火星低層大氣來(lái)了解氣候動(dòng)態(tài)和全球天氣圖；通過(guò)將低層大氣條件與高層大氣相聯(lián)系，說(shuō)明天氣如何改變氫和氧的逸出；了解高層大氣中氫和氧的結(jié)構(gòu)及變化，并確定氫和氧為何會(huì)從火星逃逸至太空。

探測(cè)器將研究火星每日和整個(gè)季節(jié)的氣候，沙塵暴等低層大氣的天氣事件，以及火星不同地理區(qū)域的天氣。EMM任務(wù)團(tuán)隊(duì)將探測(cè)器描述為火星上的“第一顆真正的氣象衛(wèi)星”。任務(wù)將試圖回答火星大氣氫和氧逃逸至太空的原因，以及火星大氣層劇烈變化背后的原因。任務(wù)將對(duì)火星的氣候狀況進(jìn)行清晰且全面的描述，這將使科學(xué)家對(duì)地球的過(guò)去和未來(lái)，以及火星和其他遙遠(yuǎn)星球上的生命潛力有更深入的了解。

探測(cè)器將利用攜帶的3個(gè)科學(xué)儀器增進(jìn)對(duì)火星低層和中層大氣環(huán)流及天氣的認(rèn)知，結(jié)合對(duì)高層大氣的監(jiān)測(cè)，將揭示能量和粒子向上傳輸?shù)臋C(jī)制，以及大氣粒子從火星逃逸至太空的機(jī)制。

EMM任務(wù)團(tuán)隊(duì)將與全球火星科學(xué)界共同研究其他任務(wù)尚未解決的關(guān)鍵問(wèn)題；通過(guò)追蹤氫和氧的行為和逸出情況，研究火星為何會(huì)失去其高層大氣；研究火星大氣上下層之間的聯(lián)系；繪制關(guān)于火星大氣在每日以及季節(jié)變化的第一幅全球圖景；觀測(cè)沙塵暴等天氣現(xiàn)象，溫度變化以及大氣與地形之間的相互作用；揭示火星表面腐蝕的原因；搜索火星當(dāng)今天氣與火星古代氣候之間的聯(lián)系。從任務(wù)中獲得的所有數(shù)據(jù)將實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享。

EMM任務(wù)的戰(zhàn)略目標(biāo)：通過(guò)不斷探索新發(fā)現(xiàn)來(lái)提高人類在地球的生活質(zhì)量；鼓勵(lì)在火星探索方面開(kāi)展全球合作，以展示阿聯(lián)酋在太空研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位；建立阿聯(lián)酋在行星際探索領(lǐng)域的能力；建立科學(xué)知識(shí)，因?yàn)榭沙掷m(xù)的、面向未來(lái)的經(jīng)濟(jì)是基于知識(shí)的經(jīng)濟(jì)；激發(fā)阿聯(lián)酋的青少年追求空間科學(xué)；建立阿聯(lián)酋作為阿拉伯地區(qū)“進(jìn)步燈塔”的地位。

航天器設(shè)計(jì)

希望號(hào)探測(cè)器結(jié)構(gòu)

希望號(hào)探測(cè)器發(fā)射質(zhì)量約為1350kg，形狀為立方體，為鋁制蜂窩狀結(jié)構(gòu)，寬度約2.37m，高約2.9m。探測(cè)器裝備有1.85m寬蝶形X頻段高增益天線與地球通信，地火距離最近時(shí)通信速率為1.6Mbit/s，最遠(yuǎn)時(shí)250kbit/s，此外還攜帶了約翰霍普金斯大學(xué)3副低增益天線。探測(cè)器攜帶了約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（APL）的先進(jìn)無(wú)線電深空轉(zhuǎn)發(fā)器，可以執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸并支持深空測(cè)控。探測(cè)器裝備了6臺(tái)120N推進(jìn)器用于控制速度，8臺(tái)5N反作用控制系統(tǒng)（RCS）推進(jìn)器，以及1組反作用輪用于精確操作和姿態(tài)控制。探測(cè)器的星敏感器和太陽(yáng)敏感器用于提供位置和方向信息。

探測(cè)器的有效載荷包括用于獲得高分辨率彩色圖像的“阿聯(lián)酋探索成像儀”（EXI），用于監(jiān)測(cè)大氣中溫度分布、冰和水蒸氣的“阿聯(lián)酋火星紅外光譜儀”（EMIRS），以及用于研究火星高層大氣并跟蹤氧和氫擴(kuò)散至太空的“阿聯(lián)酋火星紫外光譜儀”（EMUS）。3個(gè)儀器安裝在航天器面向火星的一側(cè)。

任務(wù)歷程

在阿聯(lián)酋工程師和科學(xué)家的幫助下，希望號(hào)探測(cè)器在大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室中組裝完成，并于2020年2月交付至迪拜進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試，測(cè)試原計(jì)劃持續(xù)到5月，之后移交至日本準(zhǔn)備發(fā)射。

希望號(hào)探測(cè)器的有效載荷

希望號(hào)探測(cè)器有效載荷

EMM任務(wù)歷程

由于全球遭遇了新冠病毒，為了確保希望號(hào)探測(cè)器能夠按時(shí)發(fā)射，任務(wù)團(tuán)隊(duì)決定將探測(cè)器提前運(yùn)送至日本種子島航天中心（TNSC）。4月20日任務(wù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了希望號(hào)探測(cè)器的轉(zhuǎn)運(yùn)，4月24日希望號(hào)探測(cè)器抵達(dá)種子島航天中心。提前轉(zhuǎn)運(yùn)導(dǎo)致了計(jì)劃中的一些測(cè)試被刪除，任務(wù)團(tuán)隊(duì)只專注于關(guān)鍵測(cè)試。

2020年7月20日，希望號(hào)探測(cè)器搭乘H－2A運(yùn)載火箭由種子島航天中心發(fā)射升空，將在飛行約200天后抵達(dá)火星。希望號(hào)探測(cè)器將運(yùn)行在20000km×43000km的火星環(huán)繞軌道上，軌道周期55h，傾角25°，近火點(diǎn)位于赤道附近。EMM任務(wù)計(jì)劃從2021年5月開(kāi)始進(jìn)行為期1個(gè)火星年（687個(gè)地球日，約2個(gè)地球年）的科學(xué)運(yùn)行，并且有可能將為其2年的科學(xué)研究時(shí)限擴(kuò)展到2025年。

3 任務(wù)特點(diǎn)分析

目標(biāo)層面：重點(diǎn)在于培養(yǎng)阿聯(lián)酋航天人才和激勵(lì)年輕一代

EMM任務(wù)是在阿聯(lián)酋航天局成立之后立項(xiàng)的，承載了阿聯(lián)酋發(fā)展航天的決心和希望。阿聯(lián)酋寄希望通過(guò)此次任務(wù)的實(shí)施，推動(dòng)其基于知識(shí)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的多元化發(fā)展。EMM任務(wù)被描述為阿聯(lián)酋未來(lái)發(fā)展的新希望，將促進(jìn)阿聯(lián)酋后石油經(jīng)濟(jì)時(shí)代的發(fā)展。任務(wù)的開(kāi)展將幫助培養(yǎng)阿聯(lián)酋航天管理人員、工程技術(shù)人員和科研人員，推動(dòng)教育和學(xué)術(shù)部門的發(fā)展，同時(shí)任務(wù)的成功將激勵(lì)年輕一代對(duì)科學(xué)和創(chuàng)新的熱情，并且還將向世界傳達(dá)阿聯(lián)酋以及阿拉伯人民的雄心和能力。此外，設(shè)定在阿聯(lián)酋成立50周年抵達(dá)火星，也表明了其蘊(yùn)含著深刻的政治意義。

EMM任務(wù)在重視其政治作用及社會(huì)影響的同時(shí)，也非常關(guān)注科學(xué)探索，將其視為一次科學(xué)任務(wù)而不是一次技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)，這一點(diǎn)與印度的“曼加里安”（Mangalyaan）、以色列的“創(chuàng)世紀(jì)”（Beresheet）存在較大不同。EMM任務(wù)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持“科學(xué)必須是獨(dú)特的”的理念，認(rèn)為僅僅宣布到達(dá)火星并進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證并沒(méi)有多大意義。為了保障EMM任務(wù)成為一項(xiàng)可行的具有科學(xué)價(jià)值的任務(wù)，阿聯(lián)酋團(tuán)隊(duì)聯(lián)系了NASA火星探測(cè)計(jì)劃分析小組（MEPAG），通過(guò)商討認(rèn)為，人類在對(duì)火星大氣的完全理解上存在較大差距，對(duì)于火星全年的天氣系統(tǒng)沒(méi)有完全的理解，過(guò)去的任務(wù)盡管收集過(guò)火星天氣的信息，但缺少連續(xù)觀測(cè)，并且很多來(lái)源于火星表面的任務(wù)缺乏對(duì)火星全球的觀測(cè)。基于上述信息，阿聯(lián)酋團(tuán)隊(duì)確定了任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)，即探索火星的天氣和大氣，對(duì)當(dāng)前其他任務(wù)形成補(bǔ)充，以最大化科學(xué)收益，擴(kuò)展人類知識(shí)。

EMM任務(wù)將幫助升級(jí)阿聯(lián)酋的科學(xué)設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建阿聯(lián)酋開(kāi)展重大科研項(xiàng)目和任務(wù)的基礎(chǔ)。同時(shí)，阿聯(lián)酋還希望借助EMM任務(wù)傳達(dá)和平利用空間、共同分享知識(shí)的信息，任務(wù)的成果將提供給全球200所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，以推動(dòng)科學(xué)知識(shí)的自由分享。

研制層面：整個(gè)火星探測(cè)器基本由美國(guó)研究機(jī)構(gòu)幫助研制

EMM任務(wù)團(tuán)隊(duì)包括150名阿聯(lián)酋工程師，以及200名來(lái)自美國(guó)合作伙伴的工程師和科學(xué)家。阿聯(lián)酋采用了一種新穎的研制方法，即與具有長(zhǎng)期深空探測(cè)經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作，避免本土開(kāi)發(fā)技術(shù)花費(fèi)過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)相比于直接購(gòu)買，還可以培養(yǎng)本國(guó)的人才、快速構(gòu)建深空探測(cè)能力。

阿聯(lián)酋具有一定的航天器研制能力，但尚處于初期階段，僅在近年來(lái)通過(guò)與韓國(guó)衛(wèi)星技術(shù)研究中心開(kāi)創(chuàng)公司（SI）合作發(fā)展了小型對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，即“迪拜衛(wèi)星”（DubaiSat）系列。阿聯(lián)酋在研制迪拜衛(wèi)星－1時(shí)處于完全學(xué)習(xí)狀態(tài)，而在研制迪拜衛(wèi)星－2時(shí)，阿聯(lián)酋和韓國(guó)工程師合作開(kāi)展工作，在研制“哈利法衛(wèi)星”（KhalifaSat，即迪拜衛(wèi)星－3）時(shí)，則由阿聯(lián)酋工程師主導(dǎo)完成，韓國(guó)SI公司提供平臺(tái)和咨詢服務(wù)。阿聯(lián)酋在研制希望號(hào)探測(cè)器時(shí)復(fù)刻了這一模式，阿聯(lián)酋與美國(guó)的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了深度合作，穆罕默德·本·拉希德航天中心負(fù)責(zé)對(duì)探測(cè)器設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和發(fā)射的各個(gè)階段進(jìn)行執(zhí)行和監(jiān)督，而大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)建造探測(cè)器，該實(shí)驗(yàn)室和亞利桑那州立大學(xué)牽頭有效載荷的研制。

可以說(shuō)，阿聯(lián)酋任務(wù)團(tuán)隊(duì)全程深度參與了希望號(hào)探測(cè)器的設(shè)計(jì)與研制，以及后續(xù)的發(fā)射和運(yùn)行。但很難說(shuō)希望號(hào)探測(cè)器由阿聯(lián)酋自主建造，整個(gè)探測(cè)器以及核心的3個(gè)有效載荷全部由美國(guó)的研究機(jī)構(gòu)研制，阿聯(lián)酋團(tuán)隊(duì)通過(guò)參與研制得到了培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)。

合作層面：促進(jìn)了阿聯(lián)酋與美國(guó)和日本在航天領(lǐng)域的合作

阿聯(lián)酋航天局的戰(zhàn)略目標(biāo)主要是構(gòu)建一流的國(guó)家航天部門、促進(jìn)科學(xué)研究和創(chuàng)新、激勵(lì)和培養(yǎng)阿聯(lián)酋年輕人、建立和加強(qiáng)國(guó)際合作與伙伴關(guān)系。EMM任務(wù)非常契合以上內(nèi)容，不僅有助于培養(yǎng)航天管理和研究人才，還將促進(jìn)科學(xué)設(shè)施的建立，并推動(dòng)阿聯(lián)酋的國(guó)際合作。阿聯(lián)酋在實(shí)施EMM任務(wù)的過(guò)程中，與美國(guó)和日本開(kāi)展了廣泛的國(guó)際合作。

在EMM任務(wù)中，美國(guó)的科羅拉多大學(xué)博爾德分校、亞利桑那州立大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校參與了研制。其中，科羅拉多大學(xué)博爾德分校的大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室不僅負(fù)責(zé)建造探測(cè)器，還負(fù)責(zé)了其中2個(gè)載荷的研制。該實(shí)驗(yàn)室的研究人員是NASA“火星大氣與揮發(fā)物演變”（MAVEN）任務(wù)的主研究員，并且實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)研制MAVEN的成像紫外光譜儀（IUVS）和朗繆爾探針與波探測(cè)儀（LPW）。希望號(hào)與MAVEN任務(wù)都研究火星的大氣，兩者各有側(cè)重點(diǎn)，希望號(hào)將通過(guò)研究影響大氣逃逸率的更接近火星表面的動(dòng)力學(xué)來(lái)填補(bǔ)MAVEN研究結(jié)果中的空白，聯(lián)合兩者的科學(xué)觀測(cè)成果將有助于全面了解火星大氣。希望號(hào)探測(cè)器由日本的H－2A火箭發(fā)射，阿聯(lián)酋與發(fā)射提供商三菱重工有限公司簽署的協(xié)議是阿聯(lián)酋與日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）簽署的更廣泛合作協(xié)議的一部分，此前阿聯(lián)酋的迪拜衛(wèi)星－3就由H－2A火箭發(fā)射。

4 小結(jié)

阿聯(lián)酋首個(gè)火星探測(cè)任務(wù)是阿聯(lián)酋發(fā)展航天技術(shù)能力、推動(dòng)基于知識(shí)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的重要一環(huán)。通過(guò)與國(guó)際合作伙伴的深度合作，阿聯(lián)酋實(shí)現(xiàn)了火星探測(cè)器的快速建設(shè)，幫助培養(yǎng)了阿聯(lián)酋航天人才，同時(shí)加強(qiáng)了與美國(guó)和日本的國(guó)際合作伙伴關(guān)系。此次任務(wù)非常注重政治作用及社會(huì)影響，將激勵(lì)年輕一代，向世界傳達(dá)阿聯(lián)酋的雄心與能力。任務(wù)重視科學(xué)探索，將彌補(bǔ)人類對(duì)火星大氣認(rèn)知的部分空白，推動(dòng)科學(xué)知識(shí)的共享。