“火星快车”选在今年5月底或6月份发射,考虑的是这时火星和地球的相对位置。此时发射可使探测器的飞行路线最短,而这样的机会每26个月才出现一次。探测器脱离地球踏上飞往火星的旅程后,将以相对于地球10800公里/小时的速度进行6个月的行星际巡航飞行。2003年12月抵达火星前5天,它将把“猎兔犬”2弹射出去,由其自己飞向火星表面上的正确着陆场。轨道器则将通过机动进入一条大椭圆轨道,使之能由此进入其近极工作轨道。
“火星快车”项目经理鲁迪·施密特称:“这次任务是一项令人激动的挑战。‘火星快车’将先在太空中长时间飞行,然后完成关键的入轨动作。如果不能选准时机,那么它就会在大气中被烧掉或与火星擦肩而过。为此我们必须做到万无一失。”
“火星快车”将在火星轨道上至少工作1个火星年,相当于地球上的687天。这是额定的任务寿命。在此期间,轨道近心点将上下移动,以使科学仪器能以各种不同的观测角度观测整个火星表面。
该轨道器每绕火星运行一周,都要用一些时间指向火星,以使仪器能够进行观测,同时也要用一些时间指向地球,以与地面站进行通信联络。轨道器上的专用特高频天线将在每次过顶时从位于火星表面上的“猎兔犬”2那里接收数据。“猎兔犬”2和轨道器仪器采集的数据将被发往澳大利亚珀斯附近新诺舍的欧空局地面站,传输速度为230千比/秒。每天将有0.5~5吉比的科学数据由轨道器下传到地球。这些数据将从珀斯送到德国达姆斯塔特的欧洲空间运行中心。该中心将把探测器的姿态和轨道数据添加上去,而后将数据转发给负责各仪器的首席科学家,供进一步处理和分析。约6个月后,经处理的数据将被送往设在荷兰诺德韦克的欧洲空间研究与技术中心(ESTEC),以存入可对外提供的“火星快车”科学数据库。
有关探测器状况和位置的信息将纳入另一个单独的数据流中。欧洲空间运行中心的“火星快车”运行队伍将利用这些信息,并依据对仪器使用的需求情况,来制订出新的指令,指示探测器在随后几天内如何工作。这些新指令将通过珀斯的地面站发往探测器。
“火星快车”轨道器将完成下列任务:以高分辨率(10米)拍摄火星的整个表面,并以超高分辨率(2米)对选定区域进行拍照;制成分辨率为100米的矿物成分图;测绘大气成分,并确定其全球环流情况;确定几公里深度内的亚表面构造;确定大气对表面的影响;确定大气与太阳风的相互作用。
星体功能
推进 将“火星快车”从地球推进到火星所需的能量主要由四级联盟-弗雷盖特运载火箭提供。火箭所用的弗雷盖特上面级在将探测器送上飞向火星的轨道后同探测器分离。探测器将仅利用其自身的推进系统进行轨道修正,并减速进入围绕火星的轨道。轨道器公用舱下方的主发动机可产生400牛的推力,能在30分钟内将探测器速度降低2880公里/小时。安装在探测器各个角上的8台姿控推力器每台推力为10牛。
电力 轨道器所需电力由发射后不久展开的太阳能帆板提供。在火星与太阳相距最远(即处于远日点)时,这些太阳能帆板仍能产生650瓦的电力,足以满足本次任务500瓦(仅相当于5个100瓦的普通灯泡)的最大电力需求。当轨道器在日食期间因火星遮挡而得不到日光照射时,电力将转由事先由太阳能帆板充电的一个锂离子蓄电池组供应。
通信 装在轨道器公用舱一侧的圆形碟状天线直径为1.6米,是一部高增益天线,供已远离地球的轨道器收发无线电信号。轨道器尚未远离地球时使用从公用舱上伸出的40厘米长低增益天线进行通信。
数据存储 轨道器采集到的科学数据不能立即发回地球。在可向地面发送之前,这些数据将先存入星上计算机中。该计算机设有12吉比的固态大容量存储器。
控制 星上计算机将对轨道器的运行进行全方位控制,包括开关仪器、保持空间指向和发出改变指向的指令。
导航 星上系统将帮助“火星快车”保持非常精确的指向精度,由此才能让卫星与远在地面上的一部34米碟形天线实现通信。这些系统包括2台星跟踪器、6个激光陀螺和2台粗太阳敏感器。
温控 轨道器必须为仪器和星上设备提供适宜的工作环境。轨道器上有2台仪器(PFS和OMEGA光谱仪)装有红外探测器,需要保持很低的温度(约-180摄氏度)。HRSC相机上的传感器也需要保持低温。但其它仪器和星上设备都需要在室温(10~20摄氏度)下工作。轨道器将包在由镀金铝-锡合金制成的隔热毡内,以使内部温度保持在10~20摄氏度。需要冷却的仪器与轨道器常温部分进行隔热,并与向空间极冷环境(约-270摄氏度)散热的散热器相连。
科学仪器
亚表面探测雷达/高度计(MARSIS) 该仪器将测绘几公里深度内的亚表面结构。它40米长的天线将向火星发出低频无线电波。这些电波将被所遇到的任何表面反射。火星表面将反射大部分电波,但仍会有相当一部分电波穿过表层,最后由水或冰等不同物质层之间的亚表面界面反射。MARSIS仪器首席科学家、来自意大利罗马一所大学的吉奥芬尼·皮卡尔迪说:“我们将能测出沙丘地带的沙层厚度,或确定在其它物质上方是否有沉积层存在。”该仪器还将研究电离层,因为这一上大气层带电区域将发射某些电磁波。
高分辨率立体相机(HRSC) 该相机将以全彩和三维形式对整个火星进行约10米分辨率的成像。某些选定区域将以2米分辨率进行拍摄。该相机的最大优势之一是能把两种不同分辨率的图像结合起来,从而达到前所未有的指向精度。另一优势是它具有三维成像能力,可以全彩方式取得火星的地形地貌资料。HRSC相机首席科学家、来自德国一家研究所的杰哈德·纽科姆称:“由于2米分辨率图像位于10米幅宽之内,我们将能准确地得知我们所观测的是哪里的情况。2米分辨率通道将使我们能看到工作在火星表面上的‘猎兔犬’2着陆器。”
可见光与红外矿物测绘光谱仪(OMEGA) OMEGA光谱仪将绘制出表面成分图。它将利用火星表面反射的0.5~5.2毫米波长范围内的可见光和红外信号来确定矿物组成。由于火星表面的反射光在进入该仪器前肯定要穿越大气,OMEGA还将能测定大气成分。该仪器首席科学家、来自法国空间大气物理学研究所的简-皮埃尔·比布林说:“我们要了解火星表面的离子含量、岩石和泥土的水含量以及碳酸盐和硝酸盐等非硅酸盐物质的丰度。”
紫外与红外大气光谱仪(SPICAM) SPICAM光谱仪将通过火星大气各种组成气体所吸收光线的波长来确定大气成分。其中的一台紫外探测器将测量吸收250纳米光线的臭氧层,而另一台红外探测器将测量吸收138微米光线的水汽。该仪器首席科学家、来自法国国家科学研究中心高层大气物理局的简-劳普·伯陶克斯说:“在这次任务期间,我们将能获得火星整个表面不同季节的臭氧和水汽测量数据。”
行星傅里叶光谱仪(PFS) 该光谱仪将通过测量火星大气分子所吸收的日光波长(1.2~45毫米)及其发出的红外辐射来测定大气成分。尤其要指出的是,它将测定占火星大气95%的二氧化碳的垂直压力与温度分布,并寻找水、一氧化碳、甲烷和甲醛等低含量成分。PFS仪器首席科学家、来自意大利行星际空间物理学研究所的维托利奥·福米萨诺说:“我们希望得到很多的测量数据,以通过取平均来找到低含量成分。”
高能中性原子分析仪(ASPERA) ASPERA仪器将测量火星外层大气中的离子、电子和高能中性原子,以掌握与太阳风发生相互作用的氢和氧原子(水的组成物)的数量以及发生此类相互作用的区域。来自太阳的带电粒子流对火星大气的不断轰击被认为是造成火星大气层逐渐消失的原因。火星已不再具有全球性的磁场来使太阳风改变方向,这使得太阳风能不受阻碍地与火星大气中的气体发生相互作用,从而将它们掠入茫茫太空之中。该仪器首席科学家、来自瑞典基律纳空间物理学研究所的理查德·伦丁称:“我们将能看到逃离火星的这种等离子体,并借此估算出几十亿年来火星耗损了多少大气成分。”
火星无线电科学实验件(MaRS) 该实验件将利用在探测器与地面之间传送数据和指令的无线电信号来探测火星的电离层、大气层、表面甚至内部。有关火星内部的信息将从火星的重力场中得到。这些信息将利用探测器相对于地球的速度变化通过计算得到。表面粗糙度数据将利用无线电波受火星表面反射的情况推算出来。MaRS实验件首席科学家、来自德国科隆大学的马丁·帕特佐德说:“火星重力场的变化将引起探测器相对于地面站速度的微小改变,而这种变化能以相当于蜗牛全速爬行速度的1/10的精度测得。”