阿聯(lián)酋首個火星探測任務(wù)分析

王帥（北京空間科技信息研究所）

北京時間2020年7月20日，阿聯(lián)酋首個火星探測任務(wù)—“阿聯(lián)酋火星任務(wù)”（EMM）起航，名為希望號（Hope）的火星探測器搭乘日本H－2A火箭發(fā)射升空。探測器計劃于2021年2月，即阿聯(lián)酋成立50周年抵達火星，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。如果探測器成功抵達火星，阿聯(lián)酋將成為首個訪問火星的西亞國家。

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，計劃發(fā)射名為希望號的火星探測器，目的是豐富阿聯(lián)酋工程師的能力并增強人類對火星大氣的了解，任務(wù)定于阿聯(lián)酋成立50周年之前抵達火星。為實現(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）簽訂了一項協(xié)議，阿聯(lián)酋航天局將資助EMM任務(wù)并監(jiān)督探測器的完整實施過程，穆罕默德·本·拉希德航天中心則受委托設(shè)計和制造希望號探測器。

該任務(wù)被視為對阿聯(lián)酋經(jīng)濟和人力資本的投資。阿聯(lián)酋副總統(tǒng)曾在宣布任務(wù)時提及3個信息：一是告知世界，阿拉伯文明曾經(jīng)在促進人類知識進步方面發(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，沒有什么是不可能的，而且我們可以在知識競賽中與最偉大的國家競爭；三是傳達給那些力爭達到最高峰的人們，不限制野心，你甚至可以到達太空。

迪拜酋長國酋長表示，之所以將探測器命名為希望號，是因為“它向數(shù)百萬年輕的阿拉伯人傳遞了樂觀的信息”。任務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將與全球200多個機構(gòu)自由共享。2015年，任務(wù)團隊向阿拉伯國家征集探測器名稱，最終選定了希望號是因為該名稱描述了任務(wù)的核心目標。

在設(shè)計和制造希望號探測器時，阿聯(lián)酋航天組織穆罕默德·本·拉希德航天中心與美國科羅拉多大學(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)開展了合作。希望號探測器在科羅拉多大學(xué)博爾德分校的大氣與空間物理實驗室（LASP）建造。穆罕默德·本·拉希德航天中心負責對探測器的設(shè)計、開發(fā)和發(fā)射的各個階段進行執(zhí)行和監(jiān)督。三菱重工有限公司（MHI）為探測器的發(fā)射承包商，運載火箭為H－2A。

2 航天器基本信息

任務(wù)目標

EMM任務(wù)的科學(xué)目標是研究火星大氣和氣候，提供對火星大氣的全面了解,即通過表征火星低層大氣來了解氣候動態(tài)和全球天氣圖；通過將低層大氣條件與高層大氣相聯(lián)系，說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從火星逃逸至太空。

探測器將研究火星每日和整個季節(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)團隊將探測器描述為火星上的“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)將對火星的氣候狀況進行清晰且全面的描述，這將使科學(xué)家對地球的過去和未來，以及火星和其他遙遠星球上的生命潛力有更深入的了解。

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

EMM任務(wù)團隊將與全球火星科學(xué)界共同研究其他任務(wù)尚未解決的關(guān)鍵問題；通過追蹤氫和氧的行為和逸出情況，研究火星為何會失去其高層大氣；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)將實現(xiàn)知識共享。

EMM任務(wù)的戰(zhàn)略目標：通過不斷探索新發(fā)現(xiàn)來提高人類在地球的生活質(zhì)量；鼓勵在火星探索方面開展全球合作，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，因為可持續(xù)的、面向未來的經(jīng)濟是基于知識的經(jīng)濟；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)“進步燈塔”的地位。

航天器設(shè)計

希望號探測器結(jié)構(gòu)

希望號探測器發(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，地火距離最近時通信速率為1.6Mbit/s，最遠時250kbit/s，此外還攜帶了約翰霍普金斯大學(xué)3副低增益天線。探測器攜帶了約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室（APL）的先進無線電深空轉(zhuǎn)發(fā)器，可以執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸并支持深空測控。探測器裝備了6臺120N推進器用于控制速度，8臺5N反作用控制系統(tǒng)（RCS）推進器，以及1組反作用輪用于精確操作和姿態(tài)控制。探測器的星敏感器和太陽敏感器用于提供位置和方向信息。

探測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散至太空的“阿聯(lián)酋火星紫外光譜儀”（EMUS）。3個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，希望號探測器在大氣與空間物理實驗室中組裝完成，并于2020年2月交付至迪拜進行進一步的測試，測試原計劃持續(xù)到5月，之后移交至日本準備發(fā)射。

希望號探測器的有效載荷

希望號探測器有效載荷

EMM任務(wù)歷程

由于全球遭遇了新冠病毒，為了確保希望號探測器能夠按時發(fā)射，任務(wù)團隊決定將探測器提前運送至日本種子島航天中心（TNSC）。4月20日任務(wù)團隊開始了希望號探測器的轉(zhuǎn)運，4月24日希望號探測器抵達種子島航天中心。提前轉(zhuǎn)運導(dǎo)致了計劃中的一些測試被刪除，任務(wù)團隊只專注于關(guān)鍵測試。

2020年7月20日，希望號探測器搭乘H－2A運載火箭由種子島航天中心發(fā)射升空，將在飛行約200天后抵達火星。希望號探測器將運行在20000km×43000km的火星環(huán)繞軌道上，軌道周期55h，傾角25°，近火點位于赤道附近。EMM任務(wù)計劃從2021年5月開始進行為期1個火星年（687個地球日，約2個地球年）的科學(xué)運行，并且有可能將為其2年的科學(xué)研究時限擴展到2025年。

3 任務(wù)特點分析

目標層面：重點在于培養(yǎng)阿聯(lián)酋航天人才和激勵年輕一代

EMM任務(wù)是在阿聯(lián)酋航天局成立之后立項的，承載了阿聯(lián)酋發(fā)展航天的決心和希望。阿聯(lián)酋寄希望通過此次任務(wù)的實施，推動其基于知識的經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略，促進經(jīng)濟的多元化發(fā)展。EMM任務(wù)被描述為阿聯(lián)酋未來發(fā)展的新希望，將促進阿聯(lián)酋后石油經(jīng)濟時代的發(fā)展。任務(wù)的開展將幫助培養(yǎng)阿聯(lián)酋航天管理人員、工程技術(shù)人員和科研人員，推動教育和學(xué)術(shù)部門的發(fā)展，同時任務(wù)的成功將激勵年輕一代對科學(xué)和創(chuàng)新的熱情，并且還將向世界傳達阿聯(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周年抵達火星，也表明了其蘊含著深刻的政治意義。

EMM任務(wù)在重視其政治作用及社會影響的同時，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)驗證任務(wù)，這一點與印度的“曼加里安”（Mangalyaan）、以色列的“創(chuàng)世紀”（Beresheet）存在較大不同。EMM任務(wù)團隊堅持“科學(xué)必須是獨特的”的理念，認為僅僅宣布到達火星并進行技術(shù)驗證并沒有多大意義。為了保障EMM任務(wù)成為一項可行的具有科學(xué)價值的任務(wù)，阿聯(lián)酋團隊聯(lián)系了NASA火星探測計劃分析小組（MEPAG），通過商討認為，人類在對火星大氣的完全理解上存在較大差距，對于火星全年的天氣系統(tǒng)沒有完全的理解，過去的任務(wù)盡管收集過火星天氣的信息，但缺少連續(xù)觀測，并且很多來源于火星表面的任務(wù)缺乏對火星全球的觀測。基于上述信息，阿聯(lián)酋團隊確定了任務(wù)的科學(xué)目標，即探索火星的天氣和大氣，對當前其他任務(wù)形成補充，以最大化科學(xué)收益，擴展人類知識。

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

研制層面：整個火星探測器基本由美國研究機構(gòu)幫助研制

EMM任務(wù)團隊包括150名阿聯(lián)酋工程師，以及200名來自美國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，即與具有長期深空探測經(jīng)驗的團隊進行合作，避免本土開發(fā)技術(shù)花費過長的時間，同時相比于直接購買，還可以培養(yǎng)本國的人才、快速構(gòu)建深空探測能力。

阿聯(lián)酋具有一定的航天器研制能力，但尚處于初期階段，僅在近年來通過與韓國衛(wèi)星技術(shù)研究中心開創(chuàng)公司（SI）合作發(fā)展了小型對地觀測衛(wèi)星，即“迪拜衛(wèi)星”（DubaiSat）系列。阿聯(lián)酋在研制迪拜衛(wèi)星－1時處于完全學(xué)習狀態(tài)，而在研制迪拜衛(wèi)星－2時，阿聯(lián)酋和韓國工程師合作開展工作，在研制“哈利法衛(wèi)星”（KhalifaSat，即迪拜衛(wèi)星－3）時，則由阿聯(lián)酋工程師主導(dǎo)完成，韓國SI公司提供平臺和咨詢服務(wù)。阿聯(lián)酋在研制希望號探測器時復(fù)刻了這一模式，阿聯(lián)酋與美國的研究機構(gòu)開展了深度合作，穆罕默德·本·拉希德航天中心負責對探測器設(shè)計、開發(fā)和發(fā)射的各個階段進行執(zhí)行和監(jiān)督，而大氣與空間物理實驗室負責建造探測器，該實驗室和亞利桑那州立大學(xué)牽頭有效載荷的研制。

可以說，阿聯(lián)酋任務(wù)團隊全程深度參與了希望號探測器的設(shè)計與研制，以及后續(xù)的發(fā)射和運行。但很難說希望號探測器由阿聯(lián)酋自主建造，整個探測器以及核心的3個有效載荷全部由美國的研究機構(gòu)研制，阿聯(lián)酋團隊通過參與研制得到了培訓(xùn)和經(jīng)驗。

合作層面：促進了阿聯(lián)酋與美國和日本在航天領(lǐng)域的合作

阿聯(lián)酋航天局的戰(zhàn)略目標主要是構(gòu)建一流的國家航天部門、促進科學(xué)研究和創(chuàng)新、激勵和培養(yǎng)阿聯(lián)酋年輕人、建立和加強國際合作與伙伴關(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，還將促進科學(xué)設(shè)施的建立，并推動阿聯(lián)酋的國際合作。阿聯(lián)酋在實施EMM任務(wù)的過程中，與美國和日本開展了廣泛的國際合作。

在EMM任務(wù)中，美國的科羅拉多大學(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驗室不僅負責建造探測器，還負責了其中2個載荷的研制。該實驗室的研究人員是NASA“火星大氣與揮發(fā)物演變”（MAVEN）任務(wù)的主研究員，并且實驗室負責研制MAVEN的成像紫外光譜儀（IUVS）和朗繆爾探針與波探測儀（LPW）。希望號與MAVEN任務(wù)都研究火星的大氣，兩者各有側(cè)重點，希望號將通過研究影響大氣逃逸率的更接近火星表面的動力學(xué)來填補MAVEN研究結(jié)果中的空白，聯(lián)合兩者的科學(xué)觀測成果將有助于全面了解火星大氣。希望號探測器由日本的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發(fā)機構(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)酋首個火星探測任務(wù)是阿聯(lián)酋發(fā)展航天技術(shù)能力、推動基于知識的經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略的重要一環(huán)。通過與國際合作伙伴的深度合作，阿聯(lián)酋實現(xiàn)了火星探測器的快速建設(shè)，幫助培養(yǎng)了阿聯(lián)酋航天人才，同時加強了與美國和日本的國際合作伙伴關(guān)系。此次任務(wù)非常注重政治作用及社會影響，將激勵年輕一代，向世界傳達阿聯(lián)酋的雄心與能力。任務(wù)重視科學(xué)探索，將彌補人類對火星大氣認知的部分空白，推動科學(xué)知識的共享。