2020年7月14日開始，地球上的準一類太空文明，人類，又迎來了一次火星探索發(fā)射的窗口期。在這次窗口期之中，共計有三個火星項目發(fā)射升空，包括我們最熟悉的中國火星探測任務“天問一號”，以及美國的“火星2020”計劃（包括火星車和火星直升機），還有阿聯(lián)酋的火星任務。

從1964年的水手3號開始，美國這幾十年間已經執(zhí)行過近20次成功的火星探測任務，是火星探測的熟手了，宣傳方面成熟且大力。中國，我們的祖國，天問一號作為我們邁進深空的里程碑，也是近一個月來媒體重點宣傳的對象。相比起來，阿聯(lián)酋的火星計劃則筆墨寥寥，很少有人去介紹宣傳。那么今天，我們就通過網(wǎng)上的公開信息，來分析分析，阿聯(lián)酋火星任務的大概內容。

阿拉伯聯(lián)合酋長國，簡稱阿聯(lián)酋。阿聯(lián)酋的火星任務名字很直白，就叫Emirates Mars Mission，酋長國火星任務，簡稱EMM（這個名字Emmmm）。任務包含一個火星軌道器，經過廣泛的征名活動，它獲得了一個同樣直白的名字——Hope，希望（阿拉伯語：????? ?????）。如果任務成功，Hope號火星探針，將會成為整個中東地區(qū)的第一個，整個阿拉伯世界的第一個，所有以穆斯林為主的國家之中的第一個，火星探測器。

Hope是阿聯(lián)酋與美國、日本等國深度合作的項目。在開始講述更多細節(jié)之前，我希望申明，火星探測是人類共同的科學事業(yè)，任何一個國家和組織加入火星探測的家庭，并以科學為主要目的探索火星，我們都應該支持和鼓勵。

一、任務目標和意義提到阿聯(lián)酋，我們往往會想到遍地的黑色黃金，建筑科幻且奢靡的迪拜，樣式各異的超級跑車、豪華別墅，填海造陸的奇跡棕櫚島，一頁紙都寫不下的王子名單，以及中東特有的，與我們迥異的風俗和信仰。在很多人的字典里，阿聯(lián)酋總的來說就是土豪的代名詞，不求最好，但求最貴。

▲圖注：朱美拉棕櫚島，迪拜三座棕櫚島中最早的一座，也是最小的，建于21世紀初。上面布滿了私人領地和度假酒店。為了建造這個島，阿聯(lián)酋購買了當時全世界唯一一枚私人衛(wèi)星，用以提供能媲美美國間諜衛(wèi)星的精確定位規(guī)劃。

然而我們也應該知道，刻板印象不可取。阿聯(lián)酋明顯有著多方面的雄心壯志，也意識到了資源型單一經濟潛在的危險，希望發(fā)展高新產業(yè)。

Sheikh Mohammed bin Rashid Al Maktoum（謝赫·穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆），阿聯(lián)酋副總統(tǒng)兼總理在發(fā)表EMM的任務規(guī)劃時提到，EMM是為了向世界發(fā)出三個信息：

1.對于整個世界發(fā)出信息：阿拉伯文明曾經在人類歷史上扮演過重要的角色，貢獻了大量的知識，如今，又要再次扮演這樣的角色了；

2.對于所有的阿拉伯同胞發(fā)出信息：這世界上沒有什么不可能的，在知識的競賽中，我們同樣可以和那些最強大的國家同臺競技；

3.對于任何勇攀高峰的人發(fā)出信息：不要為你的雄心設立限制，你甚至能夠進入太空。

這三條信息乍一看是空話套話，但如果放在阿聯(lián)酋所處的環(huán)境下，語言中流露出來的雄心壯志，就十分直白了。

▲圖注：阿聯(lián)酋相關人員與Hope合影。右一即為穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆。

而Hope這個名字，據(jù)阿聯(lián)酋官方聲明，也認為其很好地表達了上面的三條信息，因此而被選中。

說完政治，來看科學，Hope的科學任務相比起同期的中美兩國的探測器的任務要簡單很多。其任務的最主要目標，就是對火星大氣層，包括低層大氣和高層大氣，做一次完整的成像。

▲圖注：Hope的科學任務，即第一次真正的、全球化的火星大氣層圖像研究。

Hope對火星大氣的觀察，包括了氣候的日變化、季節(jié)變化，和各種各樣的氣象事件及其分布。用阿聯(lián)酋方面的話來說，就是，“這將是火星的第一顆真正的氣象衛(wèi)星”。

▲圖注：Hope進入火星軌道之后的科學軌道規(guī)劃，為周期大約55小時的橢圓軌道。Hope將會幫助科學家理解火星大氣層的劇烈變化——火星是怎么從過去那個富含液態(tài)水的星球，變成如今的干旱、荒蕪的世界的？氫原子和氧原子是如何從火星的大氣逃逸的？火星高層大氣和低層大氣是通過什么樣的機制相互作用的？更進一步的，能不能從火星大氣的變遷，推導建立出地球未來大氣變遷的模型？

▲圖注：火星失去了磁場，變得荒涼死寂，地球會不會也變成這樣？

這些任務是相對專一的，需要對大氣層做深入的觀察，因此也就要求Hope攜帶專業(yè)的成像設備。接下來，我們就來看一看Hope所攜帶的科學設備。

二、衛(wèi)星科學載荷如果要描述美國或者中國本次火星任務的各個科學載荷，可能需要很多篇文章論述——毅力號火星車和天問一號火星車都屬于綜合科學平臺，針對多種多樣的科學實驗目標，裝備了各式各樣功能不同的儀器，各自有非常復雜的工作原理。

Hope的科學目標相當專一，所以只攜帶了三臺科學儀器，分別是多光譜相機、紫外光譜儀、紅外光譜儀。

▲圖注：Hope及其上搭載的主要儀器。注意，概念圖和最終實際的設計是有區(qū)別，外形從六棱柱變成了四棱柱，太陽能電池板也變成了兩組。①1.5m直徑高增益天線；②900瓦太陽能電池板，兩組共1800瓦（概念圖與實際有差別）；③星敏儀；④8組5N推力的姿態(tài)控制推進器；⑤EXI多光譜相機；⑥EMUS紫外光譜儀；⑦EMIRS紅外光譜儀；⑧六組120N推力主推進器。

1.多光譜相機

Hope的多光譜相機被稱為Emirates eXploration Imager (EXI)，酋長國探索相機。它擁有6組由機械結構控制的、分立的帶通濾波器，來過濾不同的光譜。簡單來說，就是可以通過機械切換“鏡頭（濾光片）”，來改變其敏感的光譜區(qū)域。這六組濾光片包括三組可見光波段（也即紅綠藍三基色），以及三組紫外光波段的濾光片。

▲圖注：EXI組件就位于圖片偏上的位置。

可見光波段的三種顏色合成起來，就可以顯示出人眼能直接觀看的真實色彩圖片。紫外光則可以補充我們看不到的細節(jié)。這套相機將會拍攝和測量水、冰、沙塵、氣溶膠、臭氧層空洞等等。

EXI組件是由美國科羅拉多大學波德分校（University of Colorado - Boulder）下屬的大氣與空間物理實驗室（LASP）與阿聯(lián)酋默罕默德·本·拉希德太空中心（MBRSC）合作研制的，MBRSC正是以我們前面說到的，以阿聯(lián)酋副總統(tǒng)的名字命名的。

2.紫外光譜儀

Emirates Mars Ultraviolet Spectrometer (EMUS)，酋長國火星紫外光譜儀。名字簡單易懂，這是一臺紫外光譜儀。

▲圖注：開發(fā)人員正在檢查EMUS

紫外光頻率很高，波長很短，因此穿透力差，但是方向性好。對于飛行在太空的Hope來說，EMUS將用來解析火星高層大氣的特征，尤其是火星大氣層熱層和氫原子、氧原子。在100nm-170nm的發(fā)射光譜波長范圍內，研究他們的全球特征和地區(qū)變化。

換言之，在之前提到的眾多科學目標中，EMUS將專注于研究氫、氧原子的逃逸，高層大氣的特征和物理過程。試圖解讀火星大氣逃逸的物理機制，構建火星水環(huán)境變遷的模型。

EMUS也是由LASP主持研制的。

3.紅外光譜儀

Emirates Mars Infrared Spectrometer (EMIRS)，依然是一個直白的名字，酋長國火星紅外光譜儀，看來阿聯(lián)酋科學家們的起名能力遠遠不如美國科學家——美國科學家們總是能想出一些生搬硬套的稀奇古怪的名字。

紅外光，相對來說，與紫外光的特征正相反，波長很長，因此穿透力好，但能量低，方向性也稍遜。EMIRS的主要任務，區(qū)別于EMUS，是提供火星中層和低層大氣的視野。

▲圖注：工程師們正在對Hope進行測繪。紅圈之內，就是被防塵罩保護的EMIRS。在前兩張圖中也可以看到。

紅外線是我們非常熟悉的物理實體，我們知道紅外線與溫度息息相關，高于絕對零度的各種物體時刻在向外輻射紅外線，輻射特征正是依賴于溫度。紅外光譜儀的首要任務，就是通過觀察火星輻射的紅外線，測量中低層大氣的溫度特征。

由溫度推廣出去，不同的介質對于紅外線的折射/反射特征也不同，因此水冰、水汽、塵埃、氣溶膠等等介質也能通過EMIRS來分析。

EMIRS是亞利桑那州立大學（ASU）在MBRSC的支持（簡言之就是贊助）下主持開發(fā)研制的。

可以看到，這一系列的三組科學載荷，主要就是為了研究火星的大氣層，包括氣候和氣象事件。所以稱之為“氣象衛(wèi)星”確實也名副其實。

三、整體設計Hope探測器整體發(fā)射質量共1350kg，干重（即不含燃料）550kg，寬2.37米，長2.9米，總的來說，與一輛小轎車差不多，發(fā)射質量是同期的三套探測器中最小的。其主天線是一套1.5米直徑的高增益天線，在通訊時必須正對地球。其身上攜帶的其他天線，功率都不足以完成與地球的直連通訊。

▲圖注：圖中的Hope顯然還沒有包裹防輻射的金屬膜，我們可以清楚看到其框架結構以及天線等

之前我們說到過，Hope的外觀和結構設計相比于概念圖有很大的出入。概念圖中，是一個六棱柱，對稱安裝三組太陽能電池板，每組額定600瓦功率。但是實際設計中，主體結構變成了四棱柱，也即一個長方體。對稱安裝三組太陽能電池板也明顯不可能了，變成了對稱安裝兩組，每組900瓦。

Hope的姿態(tài)調整任務，主要由一套共8個RCS（Reaction Control System）噴口控制，每個噴口的推力是5牛頓。這個噴口在飛船和衛(wèi)星上很常見，咱們的神舟飛船上那些指向四面八方的，會間歇地噴氣的噴口就是RCS。此外，Hope還攜帶了動量輪，借助角動量守恒的原理來控制飛船姿態(tài)，讓其高增益天線能始終指向地球。

Hope的定姿任務，是由星敏儀來完成。星敏儀其實由是一組至少兩個，視場非常狹窄（一般是10°左右）的相機組成。星敏儀觀察天空，尋找特定的星座，再與太陽的位置做對比，得到當前探測器的姿態(tài)信息。姿態(tài)如果不正常，則讓前面所說的RCS和動量輪來調整。

▲圖注：Hope上兩個凸起的四棱錐，就是星敏儀的遮光罩，星敏儀的本體——窄視場相機就會安裝在其根部。此外，這張照片拍攝的方向恰好是眾多科學載荷所在的面，可見科學載荷都還沒有安裝，數(shù)據(jù)線纜裸露在外。

Hope在發(fā)射之后的變軌、減速等動作，都會由其尾部的6組各120牛頓推力的主發(fā)動機完成（一些精細變軌工作也會交由RCS噴口）。主發(fā)動機并非越多越好，這個在我國的嫦娥計劃中也有所提及。之所以用多臺發(fā)動機，通常可能是由于兩個原因，第一是單臺發(fā)動機推力不夠，第二是發(fā)動機的推力無法精確控制，只能靠關閉部分發(fā)動機來取得較小的推力。

火星探測任務絕非是探測器可以自主完成的，它是一項復雜的工程，不僅需要探測器自身的儀器設備滿足需求，還需要地面遙測和太空信息網(wǎng)絡提供支持。阿聯(lián)酋不是航天大國，當然不可能有完善的深空網(wǎng)絡和遙測網(wǎng)絡，做不到全天候、24小時對Hope的測控導航。所以實際上，阿聯(lián)酋的測控導航，也是委托了美國亞利桑那州譚蓓（Tempe Arizona）的KinetX Aerospace公司，以及美國NASA的深空網(wǎng)（Deep Space Network，DSN）。

▲圖注：正在轉運Hope。注意，底部的圓錐并非推進器噴口，而是與火箭連接的安裝平臺。

此外，眾所周知，阿聯(lián)酋火星任務EMM，是通過日本的H-IIA火箭發(fā)射的。今年受疫情影響，Hope要進入日本，也是困難重重。為了能夠按期發(fā)射，Hope削減了很多次要的測試內容。Hope在阿聯(lián)酋組裝完成之后，雇傭了安-124運輸機運送到日本，隨機的11名工程師和技術人員統(tǒng)一隔離了14天，才投入到工作中去。

EMM任務作為阿聯(lián)酋的第一次火星探索任務，意義非凡，我們不應該拋開政治，單純去看其科學意義。EMM任務包括了150名阿聯(lián)酋方面的工程師、技術人員和科學家，以及超過200名合作單位的工程師和科學家。其項目組成員合影中，女性研究和行政人員的比例其實讓我眼前一亮。

▲圖注：項目組大合影，注意，黑衣的都是女性。

包括EMM的副主管（實際上是常務主管），Sarah Amiri，阿聯(lián)酋科學理事會主席，也是一位女性。聯(lián)系之前的一些相關新聞，我們可以認為，這是阿聯(lián)酋在爭取女性權利方面的一些進展或者倡議，也是阿聯(lián)酋女性在自我價值實現(xiàn)方面的可喜成就。

▲圖注：火星在等待著

如果一切順利，包括阿聯(lián)酋的EMM任務，中國的天問一號，美國的火星2020任務，都將于2021年2月抵達火星。這些探測器都是人類最尖端技術的結晶，都是人類對于璀璨星空探索的勇敢嘗試，都是人類科學進步的堅實一步，都是人類命運共同體的可貴成就。我們衷心希望，這三組勇敢奔向火星的戰(zhàn)士，能夠一路平安！

參考資料及圖片來自維基百科、EMM任務官方網(wǎng)站、MBRSC官方網(wǎng)站等。

美編：徐海潮

校對：張 崧