阿联酋首个火星探测任务分析

王帅（北京空间科技信息研究所）

北京时间2020年7月20日，阿联酋首个火星探测任务—“阿联酋火星任务”（EMM）起航，名为希望号（Hope）的火星探测器搭乘日本H－2A火箭发射升空。探测器计划于2021年2月，即阿联酋成立50周年抵达火星，将研究火星天气的每日变化和季节性变化，沙尘暴等低层大气中的天气事件，以及火星不同区域的天气变化。如果探测器成功抵达火星，阿联酋将成为首个访问火星的西亚国家。

1 任务背景

EMM任务由阿联酋总统于2014年7月宣布，计划发射名为希望号的火星探测器，目的是丰富阿联酋工程师的能力并增强人类对火星大气的了解，任务定于阿联酋成立50周年之前抵达火星。为实现此次任务，阿联酋航天局（UAESA）与穆罕默德·本·拉希德航天中心（MBRSC）签订了一项协议，阿联酋航天局将资助EMM任务并监督探测器的完整实施过程，穆罕默德·本·拉希德航天中心则受委托设计和制造希望号探测器。

该任务被视为对阿联酋经济和人力资本的投资。阿联酋副总统曾在宣布任务时提及3个信息：一是告知世界，阿拉伯文明曾经在促进人类知识进步方面发挥了巨大作用，并将再次发挥作用；二是告知阿拉伯兄弟们，没有什么是不可能的，而且我们可以在知识竞赛中与最伟大的国家竞争；三是传达给那些力争达到最高峰的人们，不限制野心，你甚至可以到达太空。

迪拜酋长国酋长表示，之所以将探测器命名为希望号，是因为“它向数百万年轻的阿拉伯人传递了乐观的信息”。任务产生的数据将与全球200多个机构自由共享。2015年，任务团队向阿拉伯国家征集探测器名称，最终选定了希望号是因为该名称描述了任务的核心目标。

在设计和制造希望号探测器时，阿联酋航天组织穆罕默德·本·拉希德航天中心与美国科罗拉多大学博尔德分校（CU-Boulder）、亚利桑那州立大学(ASU)以及加利福尼亚大学伯克利分校(Berkeley)开展了合作。希望号探测器在科罗拉多大学博尔德分校的大气与空间物理实验室（LASP）建造。穆罕默德·本·拉希德航天中心负责对探测器的设计、开发和发射的各个阶段进行执行和监督。三菱重工有限公司（MHI）为探测器的发射承包商，运载火箭为H－2A。

2 航天器基本信息

任务目标

EMM任务的科学目标是研究火星大气和气候，提供对火星大气的全面了解,即通过表征火星低层大气来了解气候动态和全球天气图；通过将低层大气条件与高层大气相联系，说明天气如何改变氢和氧的逸出；了解高层大气中氢和氧的结构及变化，并确定氢和氧为何会从火星逃逸至太空。

探测器将研究火星每日和整个季节的气候，沙尘暴等低层大气的天气事件，以及火星不同地理区域的天气。EMM任务团队将探测器描述为火星上的“第一颗真正的气象卫星”。任务将试图回答火星大气氢和氧逃逸至太空的原因，以及火星大气层剧烈变化背后的原因。任务将对火星的气候状况进行清晰且全面的描述，这将使科学家对地球的过去和未来，以及火星和其他遥远星球上的生命潜力有更深入的了解。

探测器将利用携带的3个科学仪器增进对火星低层和中层大气环流及天气的认知，结合对高层大气的监测，将揭示能量和粒子向上传输的机制，以及大气粒子从火星逃逸至太空的机制。

EMM任务团队将与全球火星科学界共同研究其他任务尚未解决的关键问题；通过追踪氢和氧的行为和逸出情况，研究火星为何会失去其高层大气；研究火星大气上下层之间的联系；绘制关于火星大气在每日以及季节变化的第一幅全球图景；观测沙尘暴等天气现象，温度变化以及大气与地形之间的相互作用；揭示火星表面腐蚀的原因；搜索火星当今天气与火星古代气候之间的联系。从任务中获得的所有数据将实现知识共享。

EMM任务的战略目标：通过不断探索新发现来提高人类在地球的生活质量；鼓励在火星探索方面开展全球合作，以展示阿联酋在太空研究领域的领导地位；建立阿联酋在行星际探索领域的能力；建立科学知识，因为可持续的、面向未来的经济是基于知识的经济；激发阿联酋的青少年追求空间科学；建立阿联酋作为阿拉伯地区“进步灯塔”的地位。

航天器设计

希望号探测器结构

希望号探测器发射质量约为1350kg，形状为立方体，为铝制蜂窝状结构，宽度约2.37m，高约2.9m。探测器装备有1.85m宽蝶形X频段高增益天线与地球通信，地火距离最近时通信速率为1.6Mbit/s，最远时250kbit/s，此外还携带了约翰霍普金斯大学3副低增益天线。探测器携带了约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的先进无线电深空转发器，可以执行数据传输并支持深空测控。探测器装备了6台120N推进器用于控制速度，8台5N反作用控制系统（RCS）推进器，以及1组反作用轮用于精确操作和姿态控制。探测器的星敏感器和太阳敏感器用于提供位置和方向信息。

探测器的有效载荷包括用于获得高分辨率彩色图像的“阿联酋探索成像仪”（EXI），用于监测大气中温度分布、冰和水蒸气的“阿联酋火星红外光谱仪”（EMIRS），以及用于研究火星高层大气并跟踪氧和氢扩散至太空的“阿联酋火星紫外光谱仪”（EMUS）。3个仪器安装在航天器面向火星的一侧。

任务历程

在阿联酋工程师和科学家的帮助下，希望号探测器在大气与空间物理实验室中组装完成，并于2020年2月交付至迪拜进行进一步的测试，测试原计划持续到5月，之后移交至日本准备发射。

希望号探测器的有效载荷

希望号探测器有效载荷

EMM任务历程

由于全球遭遇了新冠病毒，为了确保希望号探测器能够按时发射，任务团队决定将探测器提前运送至日本种子岛航天中心（TNSC）。4月20日任务团队开始了希望号探测器的转运，4月24日希望号探测器抵达种子岛航天中心。提前转运导致了计划中的一些测试被删除，任务团队只专注于关键测试。

2020年7月20日，希望号探测器搭乘H－2A运载火箭由种子岛航天中心发射升空，将在飞行约200天后抵达火星。希望号探测器将运行在20000km×43000km的火星环绕轨道上，轨道周期55h，倾角25°，近火点位于赤道附近。EMM任务计划从2021年5月开始进行为期1个火星年（687个地球日，约2个地球年）的科学运行，并且有可能将为其2年的科学研究时限扩展到2025年。

3 任务特点分析

目标层面：重点在于培养阿联酋航天人才和激励年轻一代

EMM任务是在阿联酋航天局成立之后立项的，承载了阿联酋发展航天的决心和希望。阿联酋寄希望通过此次任务的实施，推动其基于知识的经济发展战略，促进经济的多元化发展。EMM任务被描述为阿联酋未来发展的新希望，将促进阿联酋后石油经济时代的发展。任务的开展将帮助培养阿联酋航天管理人员、工程技术人员和科研人员，推动教育和学术部门的发展，同时任务的成功将激励年轻一代对科学和创新的热情，并且还将向世界传达阿联酋以及阿拉伯人民的雄心和能力。此外，设定在阿联酋成立50周年抵达火星，也表明了其蕴含着深刻的政治意义。

EMM任务在重视其政治作用及社会影响的同时，也非常关注科学探索，将其视为一次科学任务而不是一次技术验证任务，这一点与印度的“曼加里安”（Mangalyaan）、以色列的“创世纪”（Beresheet）存在较大不同。EMM任务团队坚持“科学必须是独特的”的理念，认为仅仅宣布到达火星并进行技术验证并没有多大意义。为了保障EMM任务成为一项可行的具有科学价值的任务，阿联酋团队联系了NASA火星探测计划分析小组（MEPAG），通过商讨认为，人类在对火星大气的完全理解上存在较大差距，对于火星全年的天气系统没有完全的理解，过去的任务尽管收集过火星天气的信息，但缺少连续观测，并且很多来源于火星表面的任务缺乏对火星全球的观测。基于上述信息，阿联酋团队确定了任务的科学目标，即探索火星的天气和大气，对当前其他任务形成补充，以最大化科学收益，扩展人类知识。

EMM任务将帮助升级阿联酋的科学设施和基础设施，构建阿联酋开展重大科研项目和任务的基础。同时，阿联酋还希望借助EMM任务传达和平利用空间、共同分享知识的信息，任务的成果将提供给全球200所大学和研究机构，以推动科学知识的自由分享。

研制层面：整个火星探测器基本由美国研究机构帮助研制

EMM任务团队包括150名阿联酋工程师，以及200名来自美国合作伙伴的工程师和科学家。阿联酋采用了一种新颖的研制方法，即与具有长期深空探测经验的团队进行合作，避免本土开发技术花费过长的时间，同时相比于直接购买，还可以培养本国的人才、快速构建深空探测能力。

阿联酋具有一定的航天器研制能力，但尚处于初期阶段，仅在近年来通过与韩国卫星技术研究中心开创公司（SI）合作发展了小型对地观测卫星，即“迪拜卫星”（DubaiSat）系列。阿联酋在研制迪拜卫星－1时处于完全学习状态，而在研制迪拜卫星－2时，阿联酋和韩国工程师合作开展工作，在研制“哈利法卫星”（KhalifaSat，即迪拜卫星－3）时，则由阿联酋工程师主导完成，韩国SI公司提供平台和咨询服务。阿联酋在研制希望号探测器时复刻了这一模式，阿联酋与美国的研究机构开展了深度合作，穆罕默德·本·拉希德航天中心负责对探测器设计、开发和发射的各个阶段进行执行和监督，而大气与空间物理实验室负责建造探测器，该实验室和亚利桑那州立大学牵头有效载荷的研制。

可以说，阿联酋任务团队全程深度参与了希望号探测器的设计与研制，以及后续的发射和运行。但很难说希望号探测器由阿联酋自主建造，整个探测器以及核心的3个有效载荷全部由美国的研究机构研制，阿联酋团队通过参与研制得到了培训和经验。

合作层面：促进了阿联酋与美国和日本在航天领域的合作

阿联酋航天局的战略目标主要是构建一流的国家航天部门、促进科学研究和创新、激励和培养阿联酋年轻人、建立和加强国际合作与伙伴关系。EMM任务非常契合以上内容，不仅有助于培养航天管理和研究人才，还将促进科学设施的建立，并推动阿联酋的国际合作。阿联酋在实施EMM任务的过程中，与美国和日本开展了广泛的国际合作。

在EMM任务中，美国的科罗拉多大学博尔德分校、亚利桑那州立大学、加利福尼亚大学伯克利分校参与了研制。其中，科罗拉多大学博尔德分校的大气与空间物理实验室不仅负责建造探测器，还负责了其中2个载荷的研制。该实验室的研究人员是NASA“火星大气与挥发物演变”（MAVEN）任务的主研究员，并且实验室负责研制MAVEN的成像紫外光谱仪（IUVS）和朗缪尔探针与波探测仪（LPW）。希望号与MAVEN任务都研究火星的大气，两者各有侧重点，希望号将通过研究影响大气逃逸率的更接近火星表面的动力学来填补MAVEN研究结果中的空白，联合两者的科学观测成果将有助于全面了解火星大气。希望号探测器由日本的H－2A火箭发射，阿联酋与发射提供商三菱重工有限公司签署的协议是阿联酋与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）签署的更广泛合作协议的一部分，此前阿联酋的迪拜卫星－3就由H－2A火箭发射。

4 小结

阿联酋首个火星探测任务是阿联酋发展航天技术能力、推动基于知识的经济发展战略的重要一环。通过与国际合作伙伴的深度合作，阿联酋实现了火星探测器的快速建设，帮助培养了阿联酋航天人才，同时加强了与美国和日本的国际合作伙伴关系。此次任务非常注重政治作用及社会影响，将激励年轻一代，向世界传达阿联酋的雄心与能力。任务重视科学探索，将弥补人类对火星大气认知的部分空白，推动科学知识的共享。