火星首批科学影像公布！探火“上海眼睛”用激光在火星岩石上留下了印迹
▲国家航天局发布的“着巡合影”图，是火星车行驶至着陆平台南向约10米处，释放安装在车底部的分离相机，之后火星车退至着陆平台附近。分离相机拍摄了火星车移动过程和火星车与着陆平台的合影。图像通过无线信号传送到火星车，再由火星车通过环绕器中继传回地面。
6月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，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”均已顺利开机，并成功下传探测数据。
“从天问一号传回的火星照片上，我们看到了搭载在祝融车上的火星表面成分探测仪发出的激光留在火星岩石上的烧蚀痕迹。那一刻，太激动了！”在接受记者采访时，上海技物所火星载荷研制团队的科研人员抑制不住兴奋的心情。
顺利开机后探测数据不断传回地球
环绕器上的火星矿物光谱分析仪、祝融车上的火星表面成分探测仪，是上海技物所研制的两台载荷。
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。“这为了验证，在经历了地火旅途之后，载荷是否能正常工作。”该载荷主任设计师、上海技物所研究员何志平介绍，随后该载荷多次开机获取着陆区科学数据。在天问一号的着巡组合体着陆火星前，它所获取的数据有助于着陆区成分的判断，“火星上首次留下中国印迹，我们做出了自己的贡献”。
预计今年七月后，天问一号环绕器将进入科学探测轨道。此时，火星矿物光谱分析仪将正式进入工作状态。这台载荷拥有国际先进的光谱探测能力，光谱探测范围可以从0.378微米延伸至3.425微米，探测谱段多达576个。
▲火星矿物光谱分析仪标定测试
“尤其在2.5微米延伸至中波红外的3.4微米高光谱探测，是我国首次在空间验证应用。”何志平说，这个谱段很有价值，适合探测水分子和羟基，也能可靠区分水冰和干冰。在过去对地面的探测中，由于这段光谱被地球大气吸收，所以从未开展过该谱段的对地遥感观测。
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。“这些数据非常漂亮！”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。
▲火星表面成分探测仪地面光校调试
其中，主动激光诱导击穿光谱探测，就是从载荷上打出一束激光，将瞄准的岩石目标变成等离子体，再对其产生的光谱进行探测——打一个点可以测60个数据。“设备灵敏度很高，而且同时采用了中国与法国两个定标板，我们的数据可以与国际上既有数据相互验证。”舒嵘说，这将有力证明我国的行星探测科研实力。
成功挺过火星上的“低温考验”
“走向深空后，我们的科研要不断适应其他行星的不同条件。”舒嵘说，对于火星而言，表面最高气温在二三十摄氏度，与地球室温相当，而夜间却可冷到零下几十摄氏度，因此载荷最担心的是“低温挑战”，“在研制时，我们都以-100℃的标准来设计”。
此时，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。舒嵘透露，根据目前情况看，火星上的低温环境与研制时估算的数值相近，落火之后基本夜间都在-80℃左右。
由于火星表面成分分析仪的定标杆、激光器都裸露在祝融车外，故而保温特别困难。“所以我们的工作时段选择在火星日的下午两点左右。”舒嵘说，这使得仪器可以自然升温，为火星车节省能源，如果在气温较低的早晨工作，就需要额外能源对设备进行加热。
环绕器上的设备也面临严峻的温度考验。环绕器上的火星矿物光谱分析仪中的红外焦平面探测器要经历低温工作、常温存储的环境，相当于在太空中一会儿被“烘烤”，一会儿温度又低至约-190℃，真可谓“冰火两重天”。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，已经经历了2000次“冰火”温度循环的考验。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。
从材料到载荷“一个院子”搞定
表面成分探测仪“瞄准”目标岩石的时间是否可以再缩短？从产生数据到回传时间可否在一天里完成？上海技物所的火星载荷研制团队一边回顾研制过程的艰难，一边已在考虑如何提高载荷性能，提升科学探测能力。
这样的底气，来自上海技物所几十年如一日的“全创新链”——从材料、探测芯片、组件到上天载荷的所有研制，都能在技物所“一个院子”里完成。
铟镓砷探测器就是一个典型案例。如果将火星表面成分探测仪中的被动短红外光谱探测仪比作一只观测火星的眼睛，那么这款探测器就好比是视神经，将接收到的光谱信号转化为电信号，最后“看到”火星究竟有哪些成分。
▲上海技物所火星探测任务部分试验队员在基地合影
本世纪初，中国工程院院士方家熊提出要自主研制铟镓砷探测器。“经过十几年的发展，我们已具有从材料到器件的全环节研发与生产能力。”上海技物所铟镓砷探测器项目组的邵秀梅研究员介绍，火星任务提出的波段虽然从未做过，但项目组忙而不乱，最终开发出了优于任务要求的器件。
为确保研制“从没用过的器件和载荷”，周松敏负责了火星矿物光谱分析仪上的红外焦平面器件的设计。“火星任务提出的谱段指标，过去没有一个器件能够达到。”于是，团队从材料开始重新研究，并设法去除了器件的衬底材料，使其透光性更好，也使器件变得更灵敏。
当芯片制成后，科研人员还要为它研制一个“小房子”，将其封装起来，一方面要保持稳定的-190℃工作温度，另一方面还要经受得起火星着陆分离时比月球着陆高出上百倍的冲击力。
舒嵘表示，今后团队将瞄准更高指标，研发性能更强的载荷，不断满足国家深空探测的需求。
作者：许琦敏
编辑：许琦敏
责任编辑：任荃
图片来源：国家航天局、上海技物所
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