火星|阿联酋不是航天大国，如何看待阿联酋的希望号火星探测任务？
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2020年7月14日开始 ， 地球上的准一类太空文明 ， 人类 ， 又迎来了一次火星探索发射的窗口期 。 在这次窗口期之中 ， 共计有三个火星项目发射升空 ， 包括我们最熟悉的中国火星探测任务“天问一号” ， 以及美国的“火星2020”计划（包括火星车和火星直升机） ， 还有阿联酋的火星任务 。
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从1964年的水手3号开始 ， 美国这几十年间已经执行过近20次成功的火星探测任务 ， 是火星探测的熟手了 ， 宣传方面成熟且大力 。 中国 ， 我们的祖国 ， 天问一号作为我们迈进深空的里程碑 ， 也是近一个月来媒体重点宣传的对象 。 相比起来 ， 阿联酋的火星计划则笔墨寥寥 ， 很少有人去介绍宣传 。 那么今天 ， 我们就通过网上的公开信息 ， 来分析分析 ， 阿联酋火星任务的大概内容 。
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阿拉伯联合酋长国 ， 简称阿联酋 。 阿联酋的火星任务名字很直白 ， 就叫Emirates Mars Mission ， 酋长国火星任务 ， 简称EMM（这个名字Emmmm） 。 任务包含一个火星轨道器 ， 经过广泛的征名活动 ， 它获得了一个同样直白的名字——Hope ， 希望（阿拉伯语：） 。 如果任务成功 ， Hope号火星探针 ， 将会成为整个中东地区的第一个 ， 整个阿拉伯世界的第一个 ， 所有以穆斯林为主的国家之中的第一个 ， 火星探测器 。
Hope是阿联酋与美国、日本等国深度合作的项目 。 在开始讲述更多细节之前 ， 我希望申明 ， 火星探测是人类共同的科学事业 ， 任何一个国家和组织加入火星探测的家庭 ， 并以科学为主要目的探索火星 ， 我们都应该支持和鼓励 。
一、任务目标和意义
提到阿联酋 ， 我们往往会想到遍地的黑色黄金 ， 建筑科幻且奢靡的迪拜 ， 样式各异的超级跑车、豪华别墅 ， 填海造陆的奇迹棕榈岛 ， 一页纸都写不下的王子名单 ， 以及中东特有的 ， 与我们迥异的风俗和信仰 。 在很多人的字典里 ， 阿联酋总的来说就是土豪的代名词 ， 不求最好 ， 但求最贵 。
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▲图注：朱美拉棕榈岛 ， 迪拜三座棕榈岛中最早的一座 ， 也是最小的 ， 建于21世纪初 。 上面布满了私人领地和度假酒店 。 为了建造这个岛 ， 阿联酋购买了当时全世界唯一一枚私人卫星 ， 用以提供能媲美美国间谍卫星的精确定位规划 。
然而我们也应该知道 ， 刻板印象不可取 。 阿联酋明显有着多方面的雄心壮志 ， 也意识到了资源型单一经济潜在的危险 ， 希望发展高新产业 。
Sheikh Mohammed bin Rashid Al Maktoum（谢赫·穆罕默德·本·拉希德·阿勒马克图姆） ， 阿联酋副总统兼总理在发表EMM的任务规划时提到 ， EMM是为了向世界发出三个信息：
1.对于整个世界发出信息：阿拉伯文明曾经在人类历史上扮演过重要的角色 ， 贡献了大量的知识 ， 如今 ， 又要再次扮演这样的角色了；
2.对于所有的阿拉伯同胞发出信息：这世界上没有什么不可能的 ， 在知识的竞赛中 ， 我们同样可以和那些最强大的国家同台竞技；
3.对于任何勇攀高峰的人发出信息：不要为你的雄心设立限制 ， 你甚至能够进入太空 。
这三条信息乍一看是空话套话 ， 但如果放在阿联酋所处的环境下 ， 语言中流露出来的雄心壮志 ， 就十分直白了 。
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▲图注：阿联酋相关人员与Hope合影 。 右一即为穆罕默德·本·拉希德·阿勒马克图姆 。
而Hope这个名字 ， 据阿联酋官方声明 ， 也认为其很好地表达了上面的三条信息 ， 因此而被选中 。
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说完政治 ， 来看科学 ， Hope的科学任务相比起同期的中美两国的探测器的任务要简单很多 。 其任务的最主要目标 ， 就是对火星大气层 ， 包括低层大气和高层大气 ， 做一次完整的成像 。
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▲图注：Hope的科学任务 ， 即第一次真正的、全球化的火星大气层图像研究 。
Hope对火星大气的观察 ， 包括了气候的日变化、季节变化 ， 和各种各样的气象事件及其分布 。 用阿联酋方面的话来说 ， 就是 ， “这将是火星的第一颗真正的气象卫星” 。
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▲图注：Hope进入火星轨道之后的科学轨道规划 ， 为周期大约55小时的椭圆轨道 。
Hope将会帮助科学家理解火星大气层的剧烈变化——火星是怎么从过去那个富含液态水的星球 ， 变成如今的干旱、荒芜的世界的？氢原子和氧原子是如何从火星的大气逃逸的？火星高层大气和低层大气是通过什么样的机制相互作用的？更进一步的 ， 能不能从火星大气的变迁 ， 推导建立出地球未来大气变迁的模型？
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▲图注：火星失去了磁场 ， 变得荒凉死寂 ， 地球会不会也变成这样？
这些任务是相对专一的 ， 需要对大气层做深入的观察 ， 因此也就要求Hope携带专业的成像设备 。 接下来 ， 我们就来看一看Hope所携带的科学设备 。
二、卫星科学载荷
如果要描述美国或者中国本次火星任务的各个科学载荷 ， 可能需要很多篇文章论述——毅力号火星车和天问一号火星车都属于综合科学平台 ， 针对多种多样的科学实验目标 ， 装备了各式各样功能不同的仪器 ， 各自有非常复杂的工作原理 。
【火星|阿联酋不是航天大国，如何看待阿联酋的希望号火星探测任务？】Hope的科学目标相当专一 ， 所以只携带了三台科学仪器 ， 分别是多光谱相机、紫外光谱仪、红外光谱仪 。
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▲图注：Hope及其上搭载的主要仪器 。 注意 ， 概念图和最终实际的设计是有区别 ， 外形从六棱柱变成了四棱柱 ， 太阳能电池板也变成了两组 。 1.5m直径高增益天线；900瓦太阳能电池板 ， 两组共1800瓦（概念图与实际有差别）；星敏仪；8组5N推力的姿态控制推进器；EXI多光谱相机；EMUS紫外光谱仪；EMIRS红外光谱仪；六组120N推力主推进器 。
1.多光谱相机
Hope的多光谱相机被称为Emirates eXploration Imager (EXI) ， 酋长国探索相机 。 它拥有6组由机械结构控制的、分立的带通滤波器 ， 来过滤不同的光谱 。 简单来说 ， 就是可以通过机械切换“镜头（滤光片）” ， 来改变其敏感的光谱区域 。 这六组滤光片包括三组可见光波段（也即红绿蓝三基色） ， 以及三组紫外光波段的滤光片 。
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▲图注：EXI组件就位于图片偏上的位置 。
可见光波段的三种颜色合成起来 ， 就可以显示出人眼能直接观看的真实色彩图片 。 紫外光则可以补充我们看不到的细节 。 这套相机将会拍摄和测量水、冰、沙尘、气溶胶、臭氧层空洞等等 。
EXI组件是由美国科罗拉多大学波德分校（University of Colorado - Boulder）下属的大气与空间物理实验室（LASP）与阿联酋默罕默德·本·拉希德太空中心（MBRSC）合作研制的 ， MBRSC正是以我们前面说到的 ， 以阿联酋副总统的名字命名的 。
2.紫外光谱仪
Emirates Mars Ultraviolet Spectrometer (EMUS) ， 酋长国火星紫外光谱仪 。 名字简单易懂 ， 这是一台紫外光谱仪 。
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▲图注：开发人员正在检查EMUS
紫外光频率很高 ， 波长很短 ， 因此穿透力差 ， 但是方向性好 。 对于飞行在太空的Hope来说 ， EMUS将用来解析火星高层大气的特征 ， 尤其是火星大气层热层和氢原子、氧原子 。 在100nm-170nm的发射光谱波长范围内 ， 研究他们的全球特征和地区变化 。
换言之 ， 在之前提到的众多科学目标中 ， EMUS将专注于研究氢、氧原子的逃逸 ， 高层大气的特征和物理过程 。 试图解读火星大气逃逸的物理机制 ， 构建火星水环境变迁的模型 。
EMUS也是由LASP主持研制的 。
3.红外光谱仪
Emirates Mars Infrared Spectrometer (EMIRS) ， 依然是一个直白的名字 ， 酋长国火星红外光谱仪 ， 看来阿联酋科学家们的起名能力远远不如美国科学家——美国科学家们总是能想出一些生搬硬套的稀奇古怪的名字 。
红外光 ， 相对来说 ， 与紫外光的特征正相反 ， 波长很长 ， 因此穿透力好 ， 但能量低 ， 方向性也稍逊 。 EMIRS的主要任务 ， 区别于EMUS ， 是提供火星中层和低层大气的视野 。
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▲图注：工程师们正在对Hope进行测绘 。 红圈之内 ， 就是被防尘罩保护的EMIRS 。 在前两张图中也可以看到 。
红外线是我们非常熟悉的物理实体 ， 我们知道红外线与温度息息相关 ， 高于绝对零度的各种物体时刻在向外辐射红外线 ， 辐射特征正是依赖于温度 。 红外光谱仪的首要任务 ， 就是通过观察火星辐射的红外线 ， 测量中低层大气的温度特征 。
由温度推广出去 ， 不同的介质对于红外线的折射/反射特征也不同 ， 因此水冰、水汽、尘埃、气溶胶等等介质也能通过EMIRS来分析 。
EMIRS是亚利桑那州立大学（ASU）在MBRSC的支持（简言之就是赞助）下主持开发研制的 。
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可以看到 ， 这一系列的三组科学载荷 ， 主要就是为了研究火星的大气层 ， 包括气候和气象事件 。 所以称之为“气象卫星”确实也名副其实 。
三、整体设计
Hope探测器整体发射质量共1350kg ， 干重（即不含燃料）550kg ， 宽2.37米 ， 长2.9米 ， 总的来说 ， 与一辆小轿车差不多 ， 发射质量是同期的三套探测器中最小的 。 其主天线是一套1.5米直径的高增益天线 ， 在通讯时必须正对地球 。 其身上携带的其他天线 ， 功率都不足以完成与地球的直连通讯 。
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▲图注：图中的Hope显然还没有包裹防辐射的金属膜 ， 我们可以清楚看到其框架结构以及天线等
之前我们说到过 ， Hope的外观和结构设计相比于概念图有很大的出入 。 概念图中 ， 是一个六棱柱 ， 对称安装三组太阳能电池板 ， 每组额定600瓦功率 。 但是实际设计中 ， 主体结构变成了四棱柱 ， 也即一个长方体 。 对称安装三组太阳能电池板也明显不可能了 ， 变成了对称安装两组 ， 每组900瓦 。
Hope的姿态调整任务 ， 主要由一套共8个RCS（Reaction Control System）喷口控制 ， 每个喷口的推力是5牛顿 。 这个喷口在飞船和卫星上很常见 ， 咱们的神舟飞船上那些指向四面八方的 ， 会间歇地喷气的喷口就是RCS 。 此外 ， Hope还携带了动量轮 ， 借助角动量守恒的原理来控制飞船姿态 ， 让其高增益天线能始终指向地球 。
Hope的定姿任务 ， 是由星敏仪来完成 。 星敏仪其实由是一组至少两个 ， 视场非常狭窄（一般是10°左右）的相机组成 。 星敏仪观察天空 ， 寻找特定的星座 ， 再与太阳的位置做对比 ， 得到当前探测器的姿态信息 。 姿态如果不正常 ， 则让前面所说的RCS和动量轮来调整 。
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▲图注：Hope上两个凸起的四棱锥 ， 就是星敏仪的遮光罩 ， 星敏仪的本体——窄视场相机就会安装在其根部 。 此外 ， 这张照片拍摄的方向恰好是众多科学载荷所在的面 ， 可见科学载荷都还没有安装 ， 数据线缆裸露在外 。
Hope在发射之后的变轨、减速等动作 ， 都会由其尾部的6组各120牛顿推力的主发动机完成（一些精细变轨工作也会交由RCS喷口） 。 主发动机并非越多越好 ， 这个在我国的嫦娥计划中也有所提及 。 之所以用多台发动机 ， 通常可能是由于两个原因 ， 第一是单台发动机推力不够 ， 第二是发动机的推力无法精确控制 ， 只能靠关闭部分发动机来取得较小的推力 。
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火星探测任务绝非是探测器可以自主完成的 ， 它是一项复杂的工程 ， 不仅需要探测器自身的仪器设备满足需求 ， 还需要地面遥测和太空信息网络提供支持 。 阿联酋不是航天大国 ， 当然不可能有完善的深空网络和遥测网络 ， 做不到全天候、24小时对Hope的测控导航 。 所以实际上 ， 阿联酋的测控导航 ， 也是委托了美国亚利桑那州谭蓓（Tempe Arizona）的KinetX Aerospace公司 ， 以及美国NASA的深空网（Deep Space Network ， DSN） 。
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▲图注：正在转运Hope 。 注意 ， 底部的圆锥并非推进器喷口 ， 而是与火箭连接的安装平台 。
此外 ， 众所周知 ， 阿联酋火星任务EMM ， 是通过日本的H-IIA火箭发射的 。 今年受疫情影响 ， Hope要进入日本 ， 也是困难重重 。 为了能够按期发射 ， Hope削减了很多次要的测试内容 。 Hope在阿联酋组装完成之后 ， 雇佣了安-124运输机运送到日本 ， 随机的11名工程师和技术人员统一隔离了14天 ， 才投入到工作中去 。
EMM任务作为阿联酋的第一次火星探索任务 ， 意义非凡 ， 我们不应该抛开政治 ， 单纯去看其科学意义 。 EMM任务包括了150名阿联酋方面的工程师、技术人员和科学家 ， 以及超过200名合作单位的工程师和科学家 。 其项目组成员合影中 ， 女性研究和行政人员的比例其实让我眼前一亮 。
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▲图注：项目组大合影 ， 注意 ， 黑衣的都是女性 。
包括EMM的副主管（实际上是常务主管） ， Sarah Amiri ， 阿联酋科学理事会主席 ， 也是一位女性 。 联系之前的一些相关新闻 ， 我们可以认为 ， 这是阿联酋在争取女性权利方面的一些进展或者倡议 ， 也是阿联酋女性在自我价值实现方面的可喜成就 。
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▲图注：火星在等待着
如果一切顺利 ， 包括阿联酋的EMM任务 ， 中国的天问一号 ， 美国的火星2020任务 ， 都将于2021年2月抵达火星 。 这些探测器都是人类最尖端技术的结晶 ， 都是人类对于璀璨星空探索的勇敢尝试 ， 都是人类科学进步的坚实一步 ， 都是人类命运共同体的可贵成就 。 我们衷心希望 ， 这三组勇敢奔向火星的战士 ， 能够一路平安！
参考资料及图片来自维基百科、EMM任务官方网站、MBRSC官方网站等 。
美编：徐海潮
校对：张崧
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