火星表面有哪些元素和礦物？“火眼金睛”300毫秒完成一次探測

“大家沒日沒夜地幹了3年，得到的就是這條光譜曲線，對光譜進行分析，可以知道火星表面到底有哪些元素，眼下原始資料正在處理中。”中科院上海技物所副所長、月球與深空探測系列載荷指揮舒嶸，指著電腦上的光譜曲線，話裡透著期待和興奮。

6月11日，“天問一號”著陸火星首批科學影像圖公佈，標誌著我國首次火星探測任務取得圓滿成功。上海技物所是唯一研製兩個有效載荷的科研機構，即火星表面成分探測儀和火星礦物光譜分析儀。

6月4日，火星表面成分探測儀順利開機，對“祝融號”火星車附近的岩石進行了探測，6月5日第一組探測資料成功下傳回地球；在環繞器上工作的火星礦物光譜分析儀，已於2月28日開機，對祝融號預選著陸區域進行了多次探測，提供了一些科學探測資料。

【從-100℃到30℃都做過模擬實驗】

當“天問一號”成功著陸火星，舒嶸既興奮又緊張。重量佔了火星車載荷一半多的火星表面成分探測儀即將登場，它能否經受落火時的熱衝擊以及晝夜溫差大的雙重考驗？

儘管其中的光譜儀技術曾用於嫦娥四號，為驗證分析月壤的成分做出過貢獻，但火星距離地球實在太遠，沒法實時看到遙測資料，這對火星表面成分探測儀的自主適應性就要求很高。

火星表面成分探測儀地面光校除錯

“第一次開機是火星時間下午兩點，當時氣溫只有-47℃，好在我們從-100℃到30℃都做過模擬實驗，探測儀順利開機工作。”舒嶸說。

抗低溫，是一個重要挑戰。一到夜晚，大氣稀薄的火星表面最低氣溫會降到-130℃。除了選用抗低溫材料來強其“筋骨”，技術人員還為探測儀穿上了輕薄的“保暖外套”。

“火星表面成分探測儀有一個‘獨門秘笈’——主動鐳射誘導擊穿光譜探測儀，它相當於火力十足的“鐳射槍”，300毫秒就可完成一次探測，此類儀器在我國深空探測中是第一次應用。”火星表面成分探測儀電子學主管設計師張振強說。

每種元素在受熱發光時都會發出獨一無二的光譜，火星表面成分探測儀可發出瞬時功率百萬瓦的強鐳射脈衝，被瞄準的火星礦物或岩石表面則會瞬間被加熱為等離子氣體，透過對氣體的光譜進行分析，從而得到元素的種類和含量。

“如果說主動鐳射誘導擊穿光譜探測儀相當於‘鐳射槍’，其中的銦鎵砷探測器就是這把槍的‘準星’，可以把光訊號轉為電訊號。”上海技物所邵秀梅研究員介紹，美國波士頓大學發表了一篇綜述，引用了她所在的銦鎵砷探測器專案組十幾篇論文，專門來研究分析他們的技術方案。

【2。7微米到3。4微米的譜段，可以用來探測水分子】

上海技物所研製的火星礦物光譜分析儀，涵蓋了從可見光至中波紅外的譜段，也就是從0。4微米到3。4微米，可為火星礦物資源種類、含量及空間分佈探測提供科學資料。

“特別是2。4微米到3。4微米的高光譜成像，是我國第一次在空間進行驗證。尤其是2。7微米到3。4微米的譜段很有價值，可以用來探測水分子。”上海技物所火星礦物光譜分析儀主任設計師何志平研究員介紹。

火星礦物光譜分析儀標定測試

相比普通相機一次只看一個譜段的資訊，火星礦物光譜分析儀採用推帚式成像，可以同時看到576個譜段。“這相當於可以看到576個顏色的彩虹。”何志平說。

輕量化，也是一個挑戰。原本一臺普通的光譜分析儀至少上百千克，但火星探測對重量把控特別苛刻，經過高度整合，火星礦物光譜分析儀最終控制在了7千克左右。

火星礦物光譜分析儀在1微米-3。4微米譜段的探測中，碲鎘汞探測器在200℃溫差範圍需經受幾百次考驗。“這就像不斷地把儀器扔入火爐，再扔到冰塊，迴圈往復。”火星礦物光譜分析儀紅外面陣探測器主管設計師周松敏介紹，他們為此已在地面進行多達2000次的溫度迴圈壽命試驗，來適應“冰火兩重天”。不久之後，當環繞器進入科學探測軌道，火星礦物光譜分析儀將再次啟動科學探測，期待它能有更多的發現。

上海技物所火星探測任務部分試驗隊員在基地合影

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作者：黃海華