中國首次探火成功:火星環繞器和火星車上有兩台上海「智造」

北京新浪網 (2021-06-13 09:12)
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原標題:中國首次探火成功:火星環繞器和火星車上有兩台上海「智造」

火星表面成分探測儀地面光校調試  中科院上海技物所供圖
火星礦物光譜分析儀標定調試  中科院上海技物所供圖

6月11日,國家航天局公佈了「祝融號」火星車拍攝的首批科學影像圖,標誌著我國首次火星探測任務取得圓滿成功。在這輛火星車上,搭載著由中國科學院上海技術物理研究所(以下簡稱上海技物所)承擔研製的科學有效載荷——火星表面成分探測儀。

除了火星表面成分探測儀外,上海技物所還承擔研製火星環繞器上的火星礦物光譜分析儀,使該研究所成為唯一承擔兩個有效載荷研製的科研機構。

上海技物所副所長、月球與深空探測系列載荷指揮舒嶸介紹,火星表面成分探測儀將對著陸區的火星表面元素、礦物和岩石開展高精度的科學探測,「於6月4日開機,5日成功下傳第一組數據」。而火星礦物光譜分析儀已於2月28日開機,對預選著陸區域進行了多次探測。

《中國科學報》記者統計,上海技物所為了更好地完成這次火星探索任務,創造了一系列「首次」。

「真槍實戰」那一刻的期待與緊張

火星表面成分探測儀開機前,舒嶸團隊擔憂,它跟隨「祝融號」火星車經過「長途跋涉」后,身體是否完好,能否「聽話」……成功下傳數據前,他們又擔憂,數據回傳的過程是否順利……

其實,舒嶸團隊前期已進行無數次模擬實驗,但當「真槍實戰」時,也難掩內心的緊張與期待。

實際上,「祝融號」火星車降落的那一刻才是他們最為緊張的時期。據統計,火星車成功降落火星表面的成功率僅有50%。即使火星車成功降落,火星表面成分探測儀經過落火時的熱衝擊后狀態如何?附在火星車外側且重量占火星車載荷超過1/2的探測儀是否又經得住火星上晝夜溫差大的考驗?

答案在6月4日揭曉。當天,火星表面成分探測儀正常開機並在次日成功下傳第一組數據,舒嶸團隊成員異常興奮與激動。

「開機后,探測儀對鈦樣品板進行了標定,並對『祝融號』火星車附近的火星岩石進行了探測。」舒嶸表示,目前探測儀遙測數據正常,工作狀態穩定。

2.5至3.4微米高光譜具備探測水分子能力

天問一號對預選著陸區的分析,需要火星礦物質光譜分析儀等載荷的幫助。「著陸前,火星礦物質光譜分析儀所獲取的科學數據有助於判斷著陸區的礦物質成分及其分佈。」上海技物所研究員、火星礦物質光譜分析儀主任設計師何志平介紹,當天問一號進入環火軌道后,分析儀於2月28日第一次開機。

隨後,火星礦物質光譜分析儀先後多次開機,成功獲得了科學數據,為在火星上留下「中國印記」作出了貢獻。

《中國科學報》記者採訪時得知,這台載荷擁有國際先進的光譜探測能力,光譜探測範圍可達到0.378微米至3.425微米,探測譜段多達576個。「尤其在2.5微米至3.4微米高光譜探測,是我國首次在空間驗證應用。」在何志平看來,該譜段的價值大,具備探測水分子能力。

他進一步解釋道,在過去的空間對地探測任務中,由於上述譜段被地球大氣吸收,所以從未應用該譜段對地遙感觀測。

火星礦物光譜分析儀在1微米至3.4微米譜段的探測中,碲鎘汞探測器需要經得住200℃溫差考驗。「就像把儀器扔入火爐,再扔到冰塊,循環往複。」上海技物所副研究員、火星礦物光譜分析儀紅外面陣探測器主管設計師周松敏比喻。

按照設計要求,研究人員需要開展500次循環壽命試驗,但他們為了使其更好地適應「冰火兩重天」的火星環境,在地面進行了多達2000次試驗。

但火星礦物光譜分析儀還沒有正式開展科學探測任務。「後續,當天問一號進入科學探測軌道后,分析儀才正式工作。」何志平說,他們也期待分析儀能有更多的發現。

外國研究機構專門分析他們的技術方案

火星表面成分探測儀的工作流程是先用超高清相機「導航」,研究人員發現感興趣的目標后,再綜合考慮太陽高度角及溫度等因素給探測儀發出指令,它就可以在規定時間內工作。

但不同於月球探測,研究團隊這次結合了主動激光誘導擊穿光譜探測技術和被動短波紅外光譜探測技術。而前者是我國首次在太空使用。

舒嶸介紹,主動激光誘導擊穿光譜探測就是從載荷上打出一束激光,利用高達上千攝氏度的瞬間溫度,將火星表面物質激發出等離子體,通過探測火花的光譜成分、氣體成分等,高精度地分析出火星表面元素成分,「可以分析出元素周期表中的絕大部分元素」。

「在12個定標板中,採用了一個法國的定標板,我們的數據可以與國際上既有數據相互驗證。」在舒嶸看來,這也是首次具有實質性的國際合作。

除了首次應用主動激光誘導擊穿光譜探測技術外,研究團隊在火星表面成分探測儀上首次實現了0.9微米至2.4微米波段的自研銦鎵砷探測器的航天應用。

上海技物所研究員、銦鎵砷探測器項目組成員邵秀梅介紹,該探測器可以將光信號轉為電信號,而以往任務的銦鎵砷探測器探測波段只有0.9微米至1.7微米,但火星探測需要到2.4微米。「這一波段的探測器通常需要在低溫條件下工作,而我們研製的銦鎵砷探測器可以在室溫下滿足靈敏度的要求。」

邵秀梅表示,美國、土耳其等研究機構曾引用他們項目組的多篇論文,專門來研究分析其技術方案。

據悉,上海技物所這兩台載荷繼承了嫦娥探月工程相關載荷研製任務的經驗和基礎,對探測火星表面元素與礦物成分等具有重要意義,將為火星形成、地質演變研究提供重要科學依據。

(原標題 中國首次火星探測任務成功了!兩台上海「智造」火星有效載荷研製的背後)