“大家没日没夜地干了3年 ， 得到的就是这条光谱曲线 ， 对光谱进行分析 ， 可以知道火星表面到底有哪些元素 ， 眼下原始数据正在处理中 。 ”中科院上海技物所副所长、月球与深空探测系列载荷指挥舒嵘 ， 指着电脑上的光谱曲线 ， 话里透着期待和兴奋 。
6月11日 ， “天问一号”着陆火星首批科学影像图公布 ， 标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功 。 上海技物所是唯一研制两个有效载荷的科研机构 ， 即火星表面成分探测仪和火星矿物光谱分析仪 。
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6月4日 ， 火星表面成分探测仪顺利开机 ， 对“祝融号”火星车附近的岩石进行了探测 ， 6月5日第一组探测数据成功下传回地球；在环绕器上工作的火星矿物光谱分析仪 ， 已于2月28日开机 ， 对祝融号预选着陆区域进行了多次探测 ， 提供了一些科学探测数据 。
【从-100℃到30℃都做过模拟实验】
当“天问一号”成功着陆火星 ， 舒嵘既兴奋又紧张 。 重量占了火星车载荷一半多的火星表面成分探测仪即将登场 ， 它能否经受落火时的热冲击以及昼夜温差大的双重考验？
尽管其中的光谱仪技术曾用于嫦娥四号 ， 为验证分析月壤的成分做出过贡献 ， 但火星距离地球实在太远 ， 没法实时看到遥测数据 ， 这对火星表面成分探测仪的自主适应性就要求很高 。
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火星表面成分探测仪地面光校调试
“第一次开机是火星时间下午两点 ， 当时气温只有-47℃ ， 好在我们从-100℃到30℃都做过模拟实验 ， 探测仪顺利开机工作 。 ”舒嵘说 。
抗低温 ， 是一个重要挑战 。 一到夜晚 ， 大气稀薄的火星表面最低气温会降到-130℃ 。 除了选用抗低温材料来强其“筋骨” ， 技术人员还为探测仪穿上了轻薄的“保暖外套” 。
“火星表面成分探测仪有一个‘独门秘笈’——主动激光诱导击穿光谱探测仪 ， 它相当于火力十足的“激光枪” ， 300毫秒就可完成一次探测 ， 此类仪器在我国深空探测中是第一次应用 。 ”火星表面成分探测仪电子学主管设计师张振强说 。
每种元素在受热发光时都会发出独一无二的光谱 ， 火星表面成分探测仪可发出瞬时功率百万瓦的强激光脉冲 ， 被瞄准的火星矿物或岩石表面则会瞬间被加热为等离子气体 ， 通过对气体的光谱进行分析 ， 从而得到元素的种类和含量 。
“如果说主动激光诱导击穿光谱探测仪相当于‘激光枪’ ， 其中的铟镓砷探测器就是这把枪的‘准星’ ， 可以把光信号转为电信号 。 ”上海技物所邵秀梅研究员介绍 ， 美国波士顿大学发表了一篇综述 ， 引用了她所在的铟镓砷探测器项目组十几篇论文 ， 专门来研究分析他们的技术方案 。
【2.7微米到3.4微米的谱段 ， 可以用来探测水分子】
上海技物所研制的火星矿物光谱分析仪 ， 涵盖了从可见光至中波红外的谱段 ， 也就是从0.4微米到3.4微米 ， 可为火星矿物资源种类、含量及空间分布探测提供科学数据 。
“特别是2.4微米到3.4微米的高光谱成像 ， 是我国第一次在空间进行验证 。 尤其是2.7微米到3.4微米的谱段很有价值 ， 可以用来探测水分子 。 ”上海技物所火星矿物光谱分析仪主任设计师何志平研究员介绍 。
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火星矿物光谱分析仪标定测试
相比普通相机一次只看一个谱段的信息 ， 火星矿物光谱分析仪采用推帚式成像 ， 可以同时看到576个谱段 。 “这相当于可以看到576个颜色的彩虹 。 ”何志平说 。
轻量化 ， 也是一个挑战 。 原本一台普通的光谱分析仪至少上百千克 ， 但火星探测对重量把控特别苛刻 ， 经过高度集成 ， 火星矿物光谱分析仪最终控制在了7千克左右 。
火星矿物光谱分析仪在1微米-3.4微米谱段的探测中 ， 碲镉汞探测器在200℃温差范围需经受几百次考验 。 “这就像不断地把仪器扔入火炉 ， 再扔到冰块 ， 循环往复 。 ”火星矿物光谱分析仪红外面阵探测器主管设计师周松敏介绍 ， 他们为此已在地面进行多达2000次的温度循环寿命试验 ， 来适应“冰火两重天” 。 不久之后 ， 当环绕器进入科学探测轨道 ， 火星矿物光谱分析仪将再次启动科学探测 ， 期待它能有更多的发现 。
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【探测|火星表面有哪些元素和矿物？“火眼金睛”300毫秒完成一次探测】上海技物所火星探测任务部分试验队员在基地合影
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作者：黄海华
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