美國再接再厲探火星

土星

今年10月～11月，又到了每26個(gè)月一次的火星發(fā)射窗口。這期間，繼印度于今年10月28日發(fā)射該國第一個(gè)火星探測器“火星軌道器任務(wù)”之后，美國計(jì)劃于11月18日（發(fā)射窗口為2013年11月18日～12月7日）用“宇宙神-5”火箭發(fā)射 “火星大氣和揮發(fā)性物質(zhì)演化探測器”。

目前，在火星軌道和表面仍有4個(gè)美國火星探測器在工作，但美國并不滿足。“火星大氣和揮發(fā)性物質(zhì)演化探測器”將于2014年9月進(jìn)入近火點(diǎn)150公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)6200公里的火星軌道，經(jīng)過5個(gè)星期的試運(yùn)行后，于2014年11月開始為期一年的火星任務(wù)。在執(zhí)行主任務(wù)期間，探測器還將進(jìn)行5次“深潛”（deep-dip）活動(dòng)，即飛到距離火星表面約128公里處對(duì)火星大氣進(jìn)行采樣。每個(gè)月進(jìn)行一次“特殊事件”，例如磁強(qiáng)計(jì)校準(zhǔn)、IUVS恒星掩星觀測等。

物美價(jià)廉

該火星探測器是美國宇航局“火星偵察兵計(jì)劃”（Mars Scout Program，一個(gè)低成本火星探測小型計(jì)劃）的第二項(xiàng)任務(wù)。其第一項(xiàng)任務(wù)是2007年發(fā)射的“鳳凰”著陸器。每個(gè)“火星偵察兵”項(xiàng)目的成本低于4.85億美元（其中不包括約1.87億美元的發(fā)射費(fèi)用）。“火星大氣和揮發(fā)性物質(zhì)演化探測器”是從20個(gè)候選項(xiàng)目中脫穎而出的，主要原因是具有最高的科學(xué)價(jià)值和最低的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

“火星大氣和揮發(fā)性物質(zhì)演化探測器”項(xiàng)目耗資6.7億美元（其中火星探測器及運(yùn)行耗資4.85億美元），工作時(shí)間為1年。其科學(xué)目標(biāo)是：研究中性氣體和離子向太空發(fā)散的速率；研究火星上層大氣、電離層以及與太陽和太陽風(fēng)的相互影響；研究長期以來某些從火星大氣揮發(fā)到太空中的易揮發(fā)物質(zhì)的作用，包括二氧化碳、二氧化氮和水等，以研究火星大氣、氣候、液態(tài)水和火星的可居住性等。從而確定火星大氣中穩(wěn)定同位素的比例，確定長期以來從火星大氣揮發(fā)到太空中的易揮發(fā)物質(zhì)的作用，確定火星上層大氣、電離層的目前狀態(tài)，以及火星上層大氣與太陽風(fēng)的相互作用。

有所創(chuàng)新

“火星大氣和揮發(fā)性物質(zhì)演化探測器”是世界首個(gè)研究火星上層大氣的探測器，目的是了解火星大氣氣體逃逸到太空對(duì)火星氣候演變所產(chǎn)生的影響。科學(xué)家們預(yù)期這次任務(wù)可獲取大量的有關(guān)火星高層大氣散逸的數(shù)據(jù)，幫助了解這種大氣流失過程在整個(gè)火星氣候演變中所起到的作用，使科學(xué)家更好地理解大氣揮發(fā)對(duì)氣候變化的影響。

美國航空航天局總部“火星探測計(jì)劃”主任道格·麥克庫辛（Doug McCuistion）稱，這是首個(gè)對(duì)火星演變的關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行直接測量的任務(wù)，對(duì)火星大氣及演變歷史的研究具有重大的科學(xué)意義。

此前的火星探測器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)火星大氣的散逸現(xiàn)象。和地球不一樣，火星并沒有全球性的磁場分布，因此在太陽風(fēng)的轟擊下缺乏保護(hù)，結(jié)果是太陽風(fēng)粒子將大量的火星大氣外層粒子吹走，逃離了火星?！盎鹦谴髿夂蛽]發(fā)性物質(zhì)演化探測器”提供的數(shù)據(jù)將幫助科學(xué)家們重建火星的古代氣候狀況。

另外，此前的火星探測器在火星表面發(fā)現(xiàn)了干涸的河床和由于有水而形成的礦物質(zhì)，這些都說明火星的大氣密度曾比現(xiàn)在要高得多，當(dāng)時(shí)，火星大氣的溫度足以讓液態(tài)水在火星表面流動(dòng)。但后來火星的濃密大氣都發(fā)散到太空中了。科學(xué)家認(rèn)為，數(shù)百萬年以前，隨著火星核的逐漸冷卻和火星磁場的不斷衰減，99%的火星大氣都被揮發(fā)，太陽風(fēng)吹走了火星大氣中曾經(jīng)保留的大部分水和易揮發(fā)的復(fù)合物。

科學(xué)家將借助“火星大氣和揮發(fā)性物質(zhì)演化探測器”獲得的數(shù)據(jù)，了解火星為何會(huì)變成今天我們所見那樣，成了一個(gè)寒冷、干燥，被沙漠覆蓋的荒涼世界。該項(xiàng)目首席科學(xué)家、美國科羅拉多大學(xué)波爾多分校大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室（LASP）行星科學(xué)家布魯斯·亞科斯基表示：“它的使命并非尋找生命，而是幫助我們了解火星的氣候演化史，這也將從一方面讓我們了解火星環(huán)境宜居性的演變?！?/p>

8種儀器

此項(xiàng)目由戈達(dá)德空間飛行中心（GSFC）管理，火星探測器的飛行平臺(tái)由美國洛馬公司空間系統(tǒng)分公司研制，并負(fù)責(zé)發(fā)射等。其科學(xué)家團(tuán)隊(duì)主要來自美國科羅拉多大學(xué)大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室?？屏_拉多大學(xué)為該項(xiàng)目研制并提供了科學(xué)載荷，并將承擔(dān)具體科學(xué)操作以及面向公眾的科學(xué)普及任務(wù)。另外，戈達(dá)德空間飛行中心為探測器提供了兩種載荷，加州大學(xué)伯克利分?？臻g科學(xué)實(shí)驗(yàn)室也為探測器提供了一部分科學(xué)儀器。美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）為該項(xiàng)目提供導(dǎo)航、深空測控、電子通訊中繼硬件以及相關(guān)操作方面的支持。

該探測器發(fā)射質(zhì)量為2550公斤，干重903公斤，裝有1640公斤燃料，為長方體構(gòu)型，尺寸為2.3米×2.3米×2米。它的控制姿態(tài)采用三軸穩(wěn)定方式，推進(jìn)系統(tǒng)采用N2H4單組元。其兩側(cè)各裝配1個(gè)翼展為11.43米的太陽電池翼（末端均裝有磁強(qiáng)計(jì)），總功率為1135瓦，還有2個(gè)55安時(shí)的鋰離子電池組。其高增益天線直徑約為2米，每周2次指向地球進(jìn)行X頻段通信，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)10兆比特/秒。它攜帶了3個(gè)有效載荷包共8種科學(xué)探測儀器：

中性氣體和離子質(zhì)譜儀包，由戈達(dá)德空間飛行中心研制，用于研究火星上層中性大氣的基本結(jié)構(gòu)和成分，測量火星大氣元素同位素比例，測量熱離子和超熱離子。

遙感包，內(nèi)有一臺(tái)由科羅拉多大學(xué)大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室研制的成像紫外光譜儀，用于測量火星上層大氣和電離層的特性。

粒子與場測量包，內(nèi)有6臺(tái)科學(xué)探測儀器：由加州大學(xué)伯克利分校航天科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（SSL）研制的太陽高能粒子探測儀、超熱與熱粒子成分探測儀、太陽風(fēng)離子分析儀、太陽風(fēng)電子分析儀，它們分別用于研究太陽高能粒子對(duì)火星上層大氣的撞擊情況、測量熱離子與中等能量的逃逸離子、測量太陽風(fēng)和磁鞘離子的密度和速度、測量太陽風(fēng)和電離層電子；由戈達(dá)德航天飛行中心研制的磁強(qiáng)計(jì)包括2個(gè)敏感器，用于測量行星際太陽風(fēng)和電離層磁場；由科羅拉多大學(xué)大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室研制的朗繆爾探針與波探測儀，用于測量火星上層大氣的電子溫度、數(shù)量及密度和低頻率電場波功率，研究電離層屬性和逃逸離子的熱量，以及太陽極紫外線（EUV）對(duì)火星大氣的照射情況。

預(yù)定任務(wù)完成后，如果運(yùn)行狀態(tài)良好，“火星大氣和揮發(fā)性物質(zhì)演化探測器”將還作為“火星勘察軌道器”和“火星奧德賽”的備份，為好奇號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車提供中繼服務(wù)。整個(gè)擴(kuò)展任務(wù)時(shí)間可以達(dá)到9年左右，并且在執(zhí)行擴(kuò)展任務(wù)過程中，它將再進(jìn)行一次“深潛”活動(dòng)。