美国再接再厉探火星

今年10月～11月，又到了每26个月一次的火星发射窗口。这期间，继印度于今年10月28日发射该国第一个火星探测器“火星轨道器任务”之后，美国计划于11月18日（发射窗口为2013年11月18日～12月7日）用“宇宙神-5”火箭发射 “火星大气和挥发性物质演化探测器”。

目前，在火星轨道和表面仍有4个美国火星探测器在工作，但美国并不满足。“火星大气和挥发性物质演化探测器”将于2014年9月进入近火点150公里、远火点6200公里的火星轨道，经过5个星期的试运行后，于2014年11月开始为期一年的火星任务。在执行主任务期间，探测器还将进行5次“深潜”（deep-dip）活动，即飞到距离火星表面约128公里处对火星大气进行采样。每个月进行一次“特殊事件”，例如磁强计校准、IUVS恒星掩星观测等。

物美价廉

该火星探测器是美国宇航局“火星侦察兵计划”（Mars Scout Program，一个低成本火星探测小型计划）的第二项任务。其第一项任务是2007年发射的“凤凰”着陆器。每个“火星侦察兵”项目的成本低于4.85亿美元（其中不包括约1.87亿美元的发射费用）。“火星大气和挥发性物质演化探测器”是从20个候选项目中脱颖而出的，主要原因是具有最高的科学价值和最低的技术风险。

“火星大气和挥发性物质演化探测器”项目耗资6.7亿美元（其中火星探测器及运行耗资4.85亿美元），工作时间为1年。其科学目标是：研究中性气体和离子向太空发散的速率；研究火星上层大气、电离层以及与太阳和太阳风的相互影响；研究长期以来某些从火星大气挥发到太空中的易挥发物质的作用，包括二氧化碳、二氧化氮和水等，以研究火星大气、气候、液态水和火星的可居住性等。从而确定火星大气中稳定同位素的比例，确定长期以来从火星大气挥发到太空中的易挥发物质的作用，确定火星上层大气、电离层的目前状态，以及火星上层大气与太阳风的相互作用。

有所创新

“火星大气和挥发性物质演化探测器”是世界首个研究火星上层大气的探测器，目的是了解火星大气气体逃逸到太空对火星气候演变所产生的影响。科学家们预期这次任务可获取大量的有关火星高层大气散逸的数据，帮助了解这种大气流失过程在整个火星气候演变中所起到的作用，使科学家更好地理解大气挥发对气候变化的影响。

美国航空航天局总部“火星探测计划”主任道格·麦克库辛（Doug McCuistion）称，这是首个对火星演变的关键科学问题进行直接测量的任务，对火星大气及演变历史的研究具有重大的科学意义。

此前的火星探测器已经发现火星大气的散逸现象。和地球不一样，火星并没有全球性的磁场分布，因此在太阳风的轰击下缺乏保护，结果是太阳风粒子将大量的火星大气外层粒子吹走，逃离了火星。“火星大气和挥发性物质演化探测器”提供的数据将帮助科学家们重建火星的古代气候状况。

另外，此前的火星探测器在火星表面发现了干涸的河床和由于有水而形成的矿物质，这些都说明火星的大气密度曾比现在要高得多，当时，火星大气的温度足以让液态水在火星表面流动。但后来火星的浓密大气都发散到太空中了。科学家认为，数百万年以前，随着火星核的逐渐冷却和火星磁场的不断衰减，99%的火星大气都被挥发，太阳风吹走了火星大气中曾经保留的大部分水和易挥发的复合物。

科学家将借助“火星大气和挥发性物质演化探测器”获得的数据，了解火星为何会变成今天我们所见那样，成了一个寒冷、干燥，被沙漠覆盖的荒凉世界。该项目首席科学家、美国科罗拉多大学波尔多分校大气与空间物理实验室（LASP）行星科学家布鲁斯·亚科斯基表示：“它的使命并非寻找生命，而是帮助我们了解火星的气候演化史，这也将从一方面让我们了解火星环境宜居性的演变。”

8种仪器

此项目由戈达德空间飞行中心（GSFC）管理，火星探测器的飞行平台由美国洛马公司空间系统分公司研制，并负责发射等。其科学家团队主要来自美国科罗拉多大学大气与空间物理实验室。科罗拉多大学为该项目研制并提供了科学载荷，并将承担具体科学操作以及面向公众的科学普及任务。另外，戈达德空间飞行中心为探测器提供了两种载荷，加州大学伯克利分校空间科学实验室也为探测器提供了一部分科学仪器。美国宇航局喷气推进实验室（JPL）为该项目提供导航、深空测控、电子通讯中继硬件以及相关操作方面的支持。

该探测器发射质量为2550公斤，干重903公斤，装有1640公斤燃料，为长方体构型，尺寸为2.3米×2.3米×2米。它的控制姿态采用三轴稳定方式，推进系统采用N2H4单组元。其两侧各装配1个翼展为11.43米的太阳电池翼（末端均装有磁强计），总功率为1135瓦，还有2个55安时的锂离子电池组。其高增益天线直径约为2米，每周2次指向地球进行X频段通信，数据传输率达10兆比特/秒。它携带了3个有效载荷包共8种科学探测仪器：

中性气体和离子质谱仪包，由戈达德空间飞行中心研制，用于研究火星上层中性大气的基本结构和成分，测量火星大气元素同位素比例，测量热离子和超热离子。

遥感包，内有一台由科罗拉多大学大气与空间物理实验室研制的成像紫外光谱仪，用于测量火星上层大气和电离层的特性。

粒子与场测量包，内有6台科学探测仪器：由加州大学伯克利分校航天科学实验室（SSL）研制的太阳高能粒子探测仪、超热与热粒子成分探测仪、太阳风离子分析仪、太阳风电子分析仪，它们分别用于研究太阳高能粒子对火星上层大气的撞击情况、测量热离子与中等能量的逃逸离子、测量太阳风和磁鞘离子的密度和速度、测量太阳风和电离层电子；由戈达德航天飞行中心研制的磁强计包括2个敏感器，用于测量行星际太阳风和电离层磁场；由科罗拉多大学大气与空间物理实验室研制的朗缪尔探针与波探测仪，用于测量火星上层大气的电子温度、数量及密度和低频率电场波功率，研究电离层属性和逃逸离子的热量，以及太阳极紫外线（EUV）对火星大气的照射情况。

预定任务完成后，如果运行状态良好，“火星大气和挥发性物质演化探测器”将还作为“火星勘察轨道器”和“火星奥德赛”的备份，为好奇号和机遇号火星车提供中继服务。整个扩展任务时间可以达到9年左右，并且在执行扩展任务过程中，它将再进行一次“深潜”活动。