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火星勘测轨道飞行器

太空探測器

火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter，缩写MRO）是美国国家航空航天局的2005年火星探测计划之一。这项计划的主要目的是将一枚侦察卫星送往火星，以前所未有的分辨率对火星这颗红色行星进行详细考察，并且为往后的火星地表任务寻找适合的登陆地点，同时为这些任务提供高速的通讯传递功能。这项计划预计将在火星轨道运行至少四年，并且成为火星的第三个正在使用中的人造卫星（前二个为火星快车号、2001火星奥德赛号）与第五个正在使用中的火星探测器（三个卫星加上两台火星探测漫游者）。

Mars Reconnaissance Orbiter
火星侦察轨道卫星效果图
所属组织美国国家航空航天局／喷气推进实验室
主制造商洛克希德·马丁
亚利桑那大学
应用物理实验室
意大利航天局
马林太空系统公司（英语：Malin Space Science Systems）,
任务类型人造卫星
环绕对象火星
入轨时间2006-03-10 21:24:00 UTC
发射时间2005-08-12 11:43:00 UTC
运载火箭Atlas V-401
发射地点卡纳维拉尔角空军基地41号航天发射复合体
任务时长初级任务: >2 年
经过: 19年2个月19日
COSPAR ID2005-029A
SATCAT no.28788在维基数据编辑
官方网站http://marsprogram.jpl.nasa.gov/mro/
质量燃料 2180kg
净重 1031kg
功耗1,000W
备注： [1]
任务徽章

概述

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火星侦察轨道器主要科学目标为：

  • 观察火星目前的气候，特别是大气环流和季节变化。
  • 寻找过去和现在水存在的迹象，并了解其如何改变火星表面的。
  • 调查火星地貌的营力。

火星侦察轨道器另有2个支援任务：

  • 火星表面探测器与地球通讯中继服务。
  • 火星表面探测器着陆地选择。[2]

发射与航向火星

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火星侦察轨道器于2005年8月12日发射升空。在8月10日到8月30日之间，几乎每天都有一个长度约两小时的发射窗口。轨道器是由卡那维尔角空军基地的41号太空发射台发射发射进入太空，载具由擎天神五号运载火箭火箭与人马座上段推进器所组成。发射五十六分钟之后人马座上段推进器燃烧完毕，将火星侦察轨道器送入前往火星的轨道中。

在到达火星之前，火星侦察轨道器在行星间航行了七个半月，而在这段期间内NASA对其所搭载的科学仪器与预计进行的实验进行了多项测试与校正工作；同时在这段期间内，为了确保火星侦察轨道器可以正确进入绕行火星的轨道，原本预计进行四次轨道修正，但最后仅实施三次轨道修正，科学家认为不需要进行第四次修正；同时，原本被视为紧急应变方案的第五次轨道修正最后也没有实施。

发射与航向火星的时间表

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2005年8月12日11点43分00秒(格林威治标准时)，MRO乘坐擎天神五号运载火箭发射升空
  • 2005年4月30日：火星侦察轨道器送达发射地点。
  • 2005年8月9日：由于Atlas-V火箭的陀螺仪可靠度问题，8月10日的发射机会往后顺延。
  • 2005年8月10日：陀螺仪的问题已被解决。预计发射时间为美国东部时间8月11日早上7:50。
  • 2005年8月11日：由于天候考量，发射时间往后顺延至早上9:00，但在装填人马座火箭的液化氢燃料时由于燃料槽侦测器数值发生错误，且无法即时修正，导致发射时间再度顺延至美国东部时间8月12日早上7:43。
  • 2005年8月12日：早上7:43顺利发射升空。在发射与准备进入行星轨道的过程中并未发生任何异常状况。
  • 2005年8月15日：对MARCI进行测试与校正。
  • 2005年8月25日：在UTC下午3:19:32时，火星侦察轨道器进入离火星一亿公里的地方。
  • 2005年8月27日：进行第一次轨道修正。轨道器的主推进引擎燃烧了15秒钟，进行每秒钟7.8米的速度修正。
  • 2005年9月8日：对HiRISE与CTX进行修正与测试，并且在离月球一千万公里的地方拍下了月球的照片。
  • 2005年11月18日：进行第二次轨道修正。轨道器的六个辅助引擎燃烧了20秒，进行每秒钟75公分的速度修正。
  • 2006年1月29日：在UTC下午3:19:32时，火星侦察轨道器进入离火星一千万公里的地方。
  • 2006年2月3日：轨道器开始进行火星接近作业。
  • 2006年3月10日：进入火星轨道，并且预计在接下来的数周内降低轨道高度以进行科学观测计划。

科学研究作业与延伸任务

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2006年3月24日，美国国家航空航天局下属的喷气推进实验室公布了火星侦察轨道器发回的火星表面第一批由CTX与MCI所拍摄的高清晰照片。这次拍摄尽管以校准相机为目的，却证明了飞船的探测能力。[3][4]

从2006年11月开始，火星侦察轨道器将会在两个地球年的时间之内进行各项科学研究作业，之后的延伸任务将会包括为登陆器与探测车进行通讯与导航资讯传递。

2007年2月7日，美国国家航空航天局说，火星勘测轨道飞行器的高清晰成像科学实验照相机和火星气候探测器出现技术故障。[5]

仪器

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MRO仪器说明图

火星侦察轨道器最主要的目的为寻找火星上是否有水存在的证据，并且收集火星大气与地理的特征。轨道器上共搭载六项科学仪器与两项科学工具；此外，也搭载三项可以用在未来太空任务的技术实验装备。

  • 摄影机
    • HiRISE（High Resolution Imaging Science Experiment，高分辨率成像科学设备）
    • CTX （Context Camera，背景摄影机）
    • MARCI （Mars Color Imager，火星彩色成像机）
  • 频谱仪
  • 辐射计
    • MCS （Mars Climate Sounder，火星气候探测器）
  • 雷达
    • SHARAD （Shallow Subsurface Radar，浅地层雷达）
  • 科学实验设备
    • Gravity Field Investigation Package （重力场探测套件）
    • Atmospheric Structure Investigation Accelerometers （大气层结构探测加速仪）
  • 新科技实验设备
    • Electra UHF Communications and Navigation Package （Electra超高频通讯与导航套件）
    • Optical Navigation Camera （光学导航摄影机）
    • Ka-band Telecommunications Experiment Package （Ka频段通讯实验套件）

科学仪器

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HiRISE（高分辨率成像科学设备）

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主条目：HiRISE
 
HiRISE

HiRISE摄影机包含一台0.5米的反射望远镜，这是深太空任务中使用过最大的望远镜。在300公里高度的轨道上，它的火星地表分辨率将可以达到0.3米。(Google Maps的分辨率约为1米，一般的卫星照片可达到0.1米)。这台摄影机将可撷取三个彩色频段的影像：蓝-绿（400至600nm）、红（550至850nm）与近红外线（800至1000nm）。

红频段的影像可以达到20264像素宽（在300公里的高空中约可撷取6公里宽的地表影像），蓝-绿与近红外线的频段则是4048像素宽。HiRISE上的电脑将根据轨道器的对地速度进行即时自动摄影，因此所照出来的影像在理论上是没有高度限制的；而在实务上影像大小的限制为HiRISE电脑上的记忆体容量（约有28Gb），因此红频段的最大影像约为20000 × 40000像素，蓝-绿与近红外线频段为4000 × 40000 像素。单一未压缩影像约会占用16.4Gb的储存空间。

为了寻找合适的登陆地点，HiRISE亦可产生成对的立体影像，让地形的分辨率准确率达到0.25米。

CTX （背景摄影机）

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CTX摄影机将会提供灰阶影像（500至800nm），最高可拍摄40公里宽的影像，影像中每个像素的分辨率约为8米。CTX主要将与其他两个摄影装备配合，以提供观测地点的背景地图。

摄影机的光学装置包括了一台焦长350毫米的Maksutov望远镜以及一台5064像素宽的线性阵列CCD。摄影机上的记忆体将可容纳160公里长的影像。

MARCI （火星彩色成像机）

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MARCI

MARCI将以五个可见光频段与两个紫外线频段拍摄火星影像以组成火星全球影像，以帮助研究人员描绘火星每天、每季与每年气候的特征，并且为火星提供每天的天气预报。

CRISM （火星专用小型侦察影像频谱仪）

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主条目：CRISM
 
CRISM

CRISM为一个红外线/可见光频谱仪，提供科学家关于火星矿藏的详细地图。CRISM在300公里的高空中分辨率约为18米，并且在450至4050nm的频段工作，分析频谱中的560频道。

MCS （火星气候探测器）

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MCS为一个九个频道的频谱仪，一个为可见光/近红外线，剩下八个为远红外线，这些频段可以用来观测气温、压力、水蒸气与沙尘等级。MCS将会观测火星地平面上的大气，并且将大气以五公里为一单位垂直分层，针对每一层的大气进行测量。

这些测量值将会组成火星的每日全球天气图，让科学家了解火星天气的基本变数：气温、压力、湿度与沙尘密度。

SHARAD （浅地层雷达）

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艺术家笔下的SHARAD观测火星地表下示意图

浅地层雷达（英语：SHARAD）主要为探测火星极地冰冠的内部结构，并且收集火星地层下的冰、岩石甚或是地下水的结构。浅地层雷达将会在15至25MHz的高频无线电波工作，垂直分辨率将可达到7米，并且探测火星地表下一公里深的地层；水平分辨率为0.3公里，探测3公里宽的地表。浅地层雷达将会与火星快车号上的MARSIS雷达一起工作，因为MARSIS雷达的分辨率较低，但可深入地表下较深之处。这两个雷达均由意大利航天局操作。

科学实验设备

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Gravity Field Investigation Package （重力场探测套件）

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火星重力场的变化可以由火星侦察轨道器的速度变化推导而来，而火星侦察轨道器的速度变化可以由轨道器接收地球无线电讯号时的而得知。

Atmospheric Structure Investigation Accelerometers （大气层结构探测加速仪）

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轨道器上灵敏的加速器可以用来侦测轨道器所在位置的大气密度。这项实验仅会在准备进入火星轨道时的空气刹车阶段，且当轨道器进入火星大气层较密的高度时进行。

新科技实验设备

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Electra UHF Communications and Navigation Package （Electra超高频通讯与导航套件）

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Electra为一超高频天线，将与为未来的火星计划进行通讯，并且帮助这些计划的登陆器导航、登陆与定位。

Optical Navigation Camera （光学导航摄影机）

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光学导航摄影机将会拍摄火星的两个卫星（火卫一与火卫二）在背景星象上的移动，以精确侦测火星侦察轨道器的轨道。本任务并不是必须达成的重要任务，主要是测试该系统，让未来的火星计划可以更加精确的进入火星轨道与登陆火星。本设备已在2006年二月与三月成功测试完成。

工程设计资料

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主结构

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MRO和之前的火星探测器体积比较

位在丹佛的洛克希德·马丁公司负责组合整体结构与附属的仪器，而这些仪器是在以下的地方设计与制造的：

太空船主要的结构均是由强化碳纤维化合物铝制蜂巢结构版所组成，而钛金属所制造的燃料槽占了整体结构与质量的绝大部分，并且维持了太空船的结构完整性。

  • 总质量为低于2180公斤（4806磅）
  • 空重（不含燃料）为低于1031公斤（2273磅）

动力系统

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MRO的太阳能板

火星侦察轨道器的主要电力来源为两片太阳能板，两片太阳能板能够独立进行上下左右的移动。每片太阳能板的大小为5.35×2.53米，而在太阳能板表面共9.5平方米的范围内包含了3744个光电电池。这些太阳能电池的转换效率非常高，约可将26%的太阳能量转换为电力，并且可以提供绝大多数仪器运作所需的32V电力。这两片太阳能板在火星约可提供2000瓦特的电力。

除了太阳能板之外，轨道器还使用了两个可充电式镍氢电池，当太阳能板无法面对太阳，或是火星将太阳光遮住时便会使用电池供给电力。每个电池约可提供50安培小时的电力，但轨道器无法使用全部的电力，因电池放电时连带的电压也会跟着降低，当电压低于20V时电脑便会停止工作，因此在设计上将只会使用约40%的电池电力。

电脑系统

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轨道器的主电脑为一133MHz的RAD750处理器，这颗处理器为强化辐射防护的PowerPC处理器，可以在太阳风肆虐的深太空中提供可靠的运算处理。探测资料则是存放在20GB的快闪存储器中，记忆体的量虽然似乎很充足，但是跟仪器所收集到的各项资料相比就不见得有多大了，比如说HiRISE的火星地表影像每张最高就可以达到28Gb。

电脑的操作系统则是VxWorks，并另外加上许多的防护与监测协定。

导航系统

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导航系统将会在整个任务过程中提供位置、航道与高度的各项资讯。

  • 16个太阳感测器（其中8个是备份）将会提供轨道器方向与太阳的相对位置资讯。
  • 两个恒星追踪器将会提供轨道器完整的位置与高度资讯。恒星追踪器仅是两个普通的数码相机，自动拍摄已分类过的星空影像进行自动定位。
  • 两个惯性导航设备将提供轨道器飞行的资讯，每个惯性导航设备包括了三个加速器与三个陀螺仪。

通讯系统

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MRO和其他行星探测器每日资料传输量比较

通讯系统将使用大型天线，利用一般深太空所使用的频段（X-band，8GHz）传送资料，也将会使用可以高速传输的Ka-Band（32 GHz）传送各项资料。预计从火星传送到地球的最大传输速度为6Mb/s，轨道器飞到白天与夜晚的交界处传输速度为666.70Kb/s，约为以往火星任务的10倍。

此外，轨道器另外有两个小型低增益天线，在紧急与特殊事件时提供低速通讯，比如说发射与进入火星轨道时。

推进系统

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燃料槽共可容纳1175升（1187公斤重）的联胺单推进燃料，而这些燃料的70%将会使用在进入火星轨道时。

轨道器上共有20个火箭推进器：

  • 六个大型推进器，主要使用在进入火星轨道时。
  • 六个中型推进器，主要提供航道校正与高度控制。
  • 八个小型推进器，主要是一般作业时修正高度与航道用。

轨道器中亦包含四个动量轮，提供轨道器精准的高度控制，比如拍摄高分辨率影像时，某些震动将会模糊影像。

发现与图片

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冰块

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根据2009年雷达的测量报告显示，火星北极地区冰盖下的冰块的体积有821,000立方千米(197,000 立方英里), 这等于地球上格陵兰岛冰块的30%[6]。

撞击坑的冰

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2008年1月到9月间形成的撞击坑图片，CRISM运用光谱分析显示冰的存在

2009年9月发表的一篇科学文章[7] 揭示，在一些新的撞击坑周围有纯净的水冰。这个事实暴光后，这些冰后来似乎逐渐随着升华而消失了。新的撞击坑由CTX摄象机发现，CRISM后来证实冰在五个位置的存在：三个位于Cebrenia quadrangle，具体地点分别是55°34′N 150°37′E / 55.57°N 150.62°E / 55.57; 150.62;43°17′N 176°54′E / 43.28°N 176.9°E / 43.28; 176.9;和 45°00′N 164°30′E / 45°N 164.5°E / 45; 164.5。其他两处位于Diacria quadrangle: 46°42′N 176°48′E / 46.7°N 176.8°E / 46.7; 176.8和46°20′N 176°54′E / 46.33°N 176.9°E / 46.33; 176.9[8][9][10]。

叶状碎片围裙地区的冰

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氯化物矿藏

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位于萨瑞南高地的氯化物

根据MRO和其他一些火星探测器的数据显示，科学家已经发现火星上分布着广泛的氯化物。这些氯化物是由富含水分的矿物蒸发形成的。其中的碳酸盐，硫酸盐，二氧化硅应该都会率先沉淀下来。而且火星车已经在火星表面上发现了硫酸盐和二氧化硅。有氯化物的地方过去可能存在着各种生命形式，因此，这是人类探索火星是否存在生命遗迹的理想地区[11]。

其他水成矿物

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雪崩

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MRO的CTX和HiRISE摄象机已经拍摄到，在火星北极盖附近陡峭的山地发生的大量雪崩的照片[12]。

  •  
    火星雪崩与剩余的残骸图(HiRISE 2008)
  •  
    雪崩比例照片

其他航天器

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  •  
    (MRO) 拍摄的凤凰号火星探测器着陆火星的图（左下角）。背景是直径约10公里的海姆达尔撞击坑（凤凰号在该撞击坑前方约20公里）。
  •  
    凤凰号以及它的挡热板，HiRISE拍摄。
  •  
    机遇号在火星上的轨迹图，HiRISE拍摄。白色是机遇号停留下来做科学观测以及转弯的痕迹。
  •  
    机遇号正在朝奋进坑(Endeavour Crater)行驶，大约差17公里。HiRISE拍摄于2009年1月29日。
  •  
    好奇号降落过程。
  •  
    MRO在南部乌托邦平原拍摄到中国的天问一号着陆器（中上）和祝融号火星车（中下）。

流动的水

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2011年8月4日，NASA宣布MRO侦察到火星在温暖的月份里，其表面似乎存在流动的液态水[13]。

参阅

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参考文献

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  1. ^ Justin Ray. Mission Status Center: Atlas Launch Report - Mars Reconnaissance Orbiter. Spaceflight Now. 12 August 2005 [2010-03-02]. （原始内容存档于2010-01-05）. 
  2. ^ Zurek, Richard W.; Smrekar, Suzanne E. An overview of the Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) science mission. Journal of Geophysical Research: Planets. 2007-05-12, 112 (E5): E05S01 [2022-07-13]. Bibcode:2007JGRE..112.5S01Z. ISSN 2156-2202. doi:10.1029/2006JE002701  . （原始内容存档于2022-03-07） （英语）. 
  3. ^ Erica Hupp，Guy Webster，NASA's New Mars Orbiter Returns Test Images （页面存档备份，存于互联网档案馆），NASA
  4. ^ 美探测飞船发回火星表面高清晰照片 （页面存档备份，存于互联网档案馆），新华网
  5. ^ 张忠霞，美国火星探测器出故障 Archive.is的存档，存档日期2012-07-18，新华网
  6. ^ Radar Map of Buried Mars Layers Matches Climate Cycles. Keith Cowing, 09/22/2009. 互联网档案馆的存档，存档日期2010-12-21.
  7. ^ Byrne, S. et al. 2009. Distribution of Mid-Latitude Ground Ice on Mars from New Impact Craters: 329.1674-1676
  8. ^ Water Ice Exposed in Mars Craters. Andrea Thompson, 24 September 2009. (Space.com). [2011-08-06]. （原始内容存档于2010-12-25）. 
  9. ^ 存档副本. [2011-09-08]. （原始内容存档于2009-10-26）. 
  10. ^ http://www.nasa.gov/mission/MRO/news/mro20090924.html [失效链接]
  11. ^ Osterloo, M. et.al. 2008. Chloride-Bearing Materials in the Southern Highlands of Mars. Science. 319:1651-1654
  12. ^ Russell, P. et al. (2008). Seasonally active frost-dust avalanches on a north polar scarp of Mars captured by HiRISE. Geophysical Research Letters 35, doi:10.1029/2008GL035790.
  13. ^ 存档副本. [2011-08-06]. （原始内容存档于2011-08-11）. 

外部链接

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维基共享资源上的相关多媒体资源：火星侦察轨道器
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