青年报·青春上海记者 刘晶晶

6月11日，国家航天局公布了天问一号探测器着陆火星首批科学影像图。火星表面究竟由什么组成的？富含什么元素？要探究这些问题，离不开正在火星上“漫步”的“祝融号”上所搭载的火星表面成分探测仪等载荷。熬过了数十个火星上的寒夜，本月初，这台探测仪开机并完成首次探测。

  从零下100℃到常温  

熬过“寒夜”是最大挑战

2021年6月4日，这台搭载于“祝融号”上的火星表面成分探测仪开机，并于6月5日成功下传数据。“终于对上话了。”中科院上海技术物理研究所副所长、月球与深空探测系列载荷指挥、火星表面成分探测仪主任设计师舒嵘松了口气。

分别位于火星车和环绕器上的火星表面成分探测仪和火星矿物光谱分析仪，都是中科院上海技物所负责研制的，也是此次唯一承担两个有效载荷研制的单位。

探测仪的第一次开机实验，持续了三天。开机时间选择的是火星时间下午2点，即地球上的晚上9点左右，考虑的正是能让机器“晒太阳”。火星上的日照一般从早上10点到下午2点比较好，这样就可以通过日照让机器缓缓升温，进入工作模式。

“温度是对探测仪能否按照设定正常工作的最大挑战之一。”舒嵘说。火星上的夜晚非常冷，探测仪位于火星车外，在耐低温的同时，还要能承受每天循环往复的温差考验。探头部分设定能承受的最低为零下120℃。“我们预估为零下90℃，实际发现最冷达到零下87℃，与预估值一样。”

此外，探测仪还得经验另一种冲击——经过发射、落火、分离等一系列操作，要保证火星车上的探测仪不被一次次冲撞破坏，需要无数的实验来确保稳定性。“地面试验做了14天。5月15日着陆后到现在，主要解决成像问题，所以开机时间比较晚，等待这么久，经过这么多天的低温冲击，开机后到底能不能正常运行？这是我们的一个焦虑点。我们也做了很多预案，包括故障模式。”舒嵘说。

“开机前探测仪经历过3次开机自检，查看状态，确保出现问题后状态的可追溯性。”火星表面成分探测仪电子学主管设计师张振强介绍说，幸好，落火后的第一次开机，一切正常，也获得了不少有用的探测数据。

  从378纳米到3425纳米  

“宽度”达到国际先进

另一台火星矿物光谱分析仪是在火星环绕器上工作，开机时间就早得多，2月28日顺利开机，期间对“祝融号”预选着陆区域进行了多次探测，分析仪获取的火星表面图像纹理清晰，遥测和科学数据正常，将为火星表面物质成分调查和分析的探测任务提供科学数据。

“是岩石还是土壤？含些什么成分？”火星矿物光谱分析仪主任设计师、研究员何志平告诉记者，这台仪器通过获取火星表面可见光至中波红外宽谱段的光谱成像数据，为矿物种类、含量及空间分布的探测提供科学数据。

“以光谱为技术手段的资源探测、成分分析，国际上也在做，但这次我们依然有自己的特色。”何志平说。最终无论是数据还是技术上都达到了一定的先进性。

首先是较好的光谱分辨能力。从378纳米到3425纳米，其涵盖的谱段之宽，达到国际先进水平。这也让它有着不一般的“火眼金睛”。采用推帚式成像，相比普通相机一次只看一个谱段的信息，矿物光谱分析仪可以同时看到576个谱段，“就相当于可以看到576个不同颜色，光谱分得越细，就越能精准分析出是什么物质。”

仪器本身也会产生噪声信号，因此需要屏蔽仪器自身信号，把红外背景的干扰做到最小。和手表一样，火星上的仪器要得到一个真实的测量值，同样需要定标校准。“光谱分析仪就像是一把尺子，定标相当于在上面刻刻度。”为了把火星矿物的红外信号测得更准，研究人员突破了红外背景抑制、组合定标等关键技术。这也使得此次探测的数据可以获得更多的国际认可。

  从无到有  

自主研发技术成为底气

“深空探测需要走向国际合作。这次火星探测，我们与法国建立了双向的数据开放合作。”舒嵘介绍，而关键技术的自主研发也是一种底气。

做光谱分析时需要一个关键器件把光信号转换为电信号给仪器来进行工作，相当于一个“眼睛”，这个重要核心器件就是技物所经过十几年的自主研发，最终形成了从材料到核心组部件到系统集成等成套的知识产权技术。

技物所铟镓砷探测器项目组成员、研究员邵秀梅介绍说，目前这套从无到有的自主技术已经在多个空间项目上使用。此次火星表面成分探测仪上的最大特点就是波长延伸，灵敏度更高。“任务要求0.9微米-2.4微米的波长范围，常规铟镓砷探测器是0.9微米-1.7微米，我们将波长延长到了2.5微米，这在深空探测也是首次运用，项目组的相关学术论文还被国外不少同行专门引用研究。”

火星矿物光谱分析仪需要用到的碲镉汞芯片，它拥有了一个“小房子”。通过这个杜瓦封装一体化设计的“小房子”，既能给需要在极低温下工作的芯片提供零下190℃-200℃的低温环境，同时还能“抗震”，抵抗火星上的各种运动带来的冲撞。“抗冲击达到了1400个G，一般航天项目只要几十个G。”邵秀梅还记得，为了完成这个项目，2019年整个暑假的高温假期间，所在部门的项目组同事都在加班。

火星矿物光谱分析仪红外面阵探测器主管设计师周松敏则记得，为了给这次火星探测做“定制产品”，让芯片能够适应火星极大的温差，保证在数个月时间内都能正常工作，在地面所做的模拟寿命实验就达到近2000次。

“深空探测的确会有各种挑战，对仪器设计挑战很高，对仪器的自主能力要求也非常高。”舒嵘感叹，从嫦娥探月，到如今的祝融落火，一次次考验才能促使进步。“后续我们还会做一些工作模式的优化，以期实现探的更精、测的更准的科学探测目标。后续，矿物光谱分析仪与表面成分探测仪还有望开展天地协同实验。”

青年报·青春上海记者 刘晶晶

编辑:梁文静

来源:青春上海News—24小时青年报