上海“智造”火星车有效载荷研制背后的故事

2021-06-16来源: eefocus关键字:光信号  探测  火星车

国家航天局公布了“祝融号”火星车拍摄的首批科学影像图,标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功。在这辆火星车上,搭载着由中国科学院上海技术物理研究所(以下简称:上海技物所)承担研制的科学有效载荷——火星表面成分探测仪。

 

11日国家航天局发布了天问一号探测器着陆火星首批科学影像图,公布了由祝融号火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡合影”等影像图,标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功。记者从中国科学院上海技术物理研究所获悉,该所研制的探火“上海眼睛”——搭载在环绕器上的火星矿物光谱分析仪、祝融号火星车上的火星表面成分探测仪均已顺利开机,并成功下传探测数据。上海技物所火星载荷研制团队一边为获得首批科学数据而激动,一边已在考虑如何提高载荷性能,提升科学探测能力。

 

天问一号进入环火轨道后,火星矿物光谱分析仪于2月28日第一次开机,此后又多次开机获取着陆区科学数据。预计七月后,天问一号环绕器将进入科学探测轨道,火星矿物光谱分析仪将正式进入工作状态。它拥有国际先进的光谱探测能力,光谱探测范围可从0.378微米延伸至3.425微米,探测谱段多达576个。

 

随祝融车踏上火星表面的火星表面成分探测仪,直到6月4日才开机,6月5日就向地球传回了首批数据。上海技物所副所长、月球与深空探测系列载荷指挥舒嵘介绍,这台载荷结合了主动激光诱导击穿光谱探测、被动短红外光谱探测两大技术。“设备灵敏度很高,且同时采用了中国与法国两个定标板,我们的数据可与国际上既有数据相互验证。”舒嵘说,这将有力证明我国行星探测科研实力。

 

火星表面最高气温在二三十摄氏度,而夜间只有零下几十摄氏度。载荷最怕“低温挑战”,在研制时都以-100℃的标准来设计。眼下,火星正进入夏季,天气相对稳定,气温也正逐渐升高,是巡火探测的好时段。

 

由于火星表面成分探测仪的定标杆、激光器都裸露在祝融号火星车外,保温困难,探测仪的工作时段选择在火星日的下午两点左右,这样仪器可自然升温,为火星车节省能源。

 

环绕器上的火星矿物光谱分析仪中的红外焦平面探测器也要经历低温工作、常温存储的环境,为此科研人员采用了各种温控手段,来确保载荷的性能与可靠。

 

在上海技物所的一间测试实验室里,2017年从生产线上下来的第一批器件已经历了2000次“冰火”温度循环考验。上海技物所材料与器件中心副研究员周松敏解释说,这已超出火星任务要求的3倍。

 

除了火星表面成分探测仪外,上海技物所还承担研制火星环绕器上的火星矿物光谱分析仪,使该研究所成为唯一承担两个有效载荷研制的科研机构。

 

上海技物所副所长、月球与深空探测系列载荷指挥舒嵘介绍,火星表面成分探测仪将对着陆区的火星表面元素、矿物和岩石开展高精度的科学探测,“于6月4日开机,5日成功下传第一组数据”。而火星矿物光谱分析仪已于2月28日开机,对预选着陆区域进行了多次探测。

 

上海技物所为了更好地完成这次火星探索任务,创造了一系列“首次”。

 

“真枪实战”那一刻的期待与紧张

火星表面成分探测仪开机前,舒嵘团队担忧,它跟随“祝融号”火星车经过“长途跋涉”后,身体是否完好,能否“听话”……成功下传数据前,他们又担忧,数据回传的过程是否顺利……

 

其实,舒嵘团队前期已进行无数次模拟实验,但当“真枪实战”时,也难掩内心的紧张与期待。

 

实际上,“祝融号”火星车降落的那一刻才是他们最为紧张的时期。据统计,火星车成功降落火星表面的成功率仅有50%。即使火星车成功降落,火星表面成分探测仪经过落火时的热冲击后状态如何?附在火星车外侧且重量占火星车载荷超过1/2的探测仪是否又经得住火星上昼夜温差大的考验?

 

答案在6月4日揭晓。当天,火星表面成分探测仪正常开机并在次日成功下传第一组数据,舒嵘团队成员异常兴奋与激动。

 

“开机后,探测仪对钛样品板进行了标定,并对‘祝融号’火星车附近的火星岩石进行了探测。”舒嵘表示,目前探测仪遥测数据正常,工作状态稳定。

 

2.5至3.4微米高光谱具备探测水分子能力

天问一号对预选着陆区的分析,需要火星矿物质光谱分析仪等载荷的帮助。“着陆前,火星矿物质光谱分析仪所获取的科学数据有助于判断着陆区的矿物质成分及其分布。”上海技物所研究员、火星矿物质光谱分析仪主任设计师何志平介绍,当天问一号进入环火轨道后,分析仪于2月28日第一次开机。

 

随后,火星矿物质光谱分析仪先后多次开机,成功获得了科学数据,为在火星上留下“中国印记”作出了贡献。

 

这台载荷拥有国际先进的光谱探测能力,光谱探测范围可达到0.378微米至3.425微米,探测谱段多达576个。“尤其在2.5微米至3.4微米高光谱探测,是我国首次在空间验证应用。”在何志平看来,该谱段的价值大,具备探测水分子能力。

 

他进一步解释道,在过去的空间对地探测任务中,由于上述谱段被地球大气吸收,所以从未应用该谱段对地遥感观测。

 

火星矿物光谱分析仪在1微米至3.4微米谱段的探测中,碲镉汞探测器需要经得住200℃温差考验。“就像把仪器扔入火炉,再扔到冰块,循环往复。”上海技物所副研究员、火星矿物光谱分析仪红外面阵探测器主管设计师周松敏比喻。

 

按照设计要求,研究人员需要开展500次循环寿命试验,但他们为了使其更好地适应“冰火两重天”的火星环境,在地面进行了多达2000次试验。

 

但火星矿物光谱分析仪还没有正式开展科学探测任务。“后续,当天问一号进入科学探测轨道后,分析仪才正式工作。”何志平说,他们也期待分析仪能有更多的发现。

 

外国研究机构专门分析他们的技术方案

火星表面成分探测仪的工作流程是先用超高清相机“导航”,研究人员发现感兴趣的目标后,再综合考虑太阳高度角及温度等因素给探测仪发出指令,它就可以在规定时间内工作。

 

但不同于月球探测,研究团队这次结合了主动激光诱导击穿光谱探测技术和被动短波红外光谱探测技术。而前者是我国首次在太空使用。

 

舒嵘介绍,主动激光诱导击穿光谱探测就是从载荷上打出一束激光,利用高达上千摄氏度的瞬间温度,将火星表面物质激发出等离子体,通过探测火花的光谱成分、气体成分等,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绝大部分元素”。

 

“在12个定标板中,采用了一个法国的定标板,我们的数据可以与国际上既有数据相互验证。”在舒嵘看来,这也是首次具有实质性的国际合作。

 

除了首次应用主动激光诱导击穿光谱探测技术外,研究团队在火星表面成分探测仪上首次实现了0.9微米至2.4微米波段的自研铟镓砷探测器的航天应用。

 

上海技物所研究员、铟镓砷探测器项目组成员邵秀梅介绍,该探测器可以将光信号转为电信号,而以往任务的铟镓砷探测器探测波段只有0.9微米至1.7微米,但火星探测需要到2.4微米。“这一波段的探测器通常需要在低温条件下工作,而我们研制的铟镓砷探测器可以在室温下满足灵敏度的要求。”

 

邵秀梅表示,美国、土耳其等研究机构曾引用他们项目组的多篇论文,专门来研究分析其技术方案。

 

据悉,上海技物所这两台载荷继承了嫦娥探月工程相关载荷研制任务的经验和基础,对探测火星表面元素与矿物成分等具有重要意义,将为火星形成、地质演变研究提供重要科学依据。


关键字:光信号  探测  火星车 编辑:什么鱼 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/qrs/ic538765.html

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