火星勘测轨道飞行器（美国2005年火星探测计划之一）

简介

火星勘测轨道飞行器预期将在减速进入火星轨道，并且完成各项检查之后（预期将在2006年11月完成）后进行为期两年的科学任务，任务结束之后一般预期将会延伸其任务长度，以进行其他科学与通讯传递的工作。

火星勘测轨道飞行器将会为美国国家航空航天局未来的火星地面任务铺路，包括预计在2007年发射的登陆器凤凰号与2009年发射的多功能探测车：火星科学实验室。火星勘测轨道飞行器上的高分辨率仪器将会帮助这些计划评估适合的登陆地点，以确保可以进行最多的科学研究，并且降低登陆风险。同时火星勘测轨道飞行器的通讯能力将会为火星地表任务提供重要的资讯传递功能，甚至在登陆时提供重要的导航资讯；此外，火星勘测轨道飞行器也可能为之前失败的火星任务提出可能的失败原因，如Mars Polar Lander与英国的Beagle计划。

火星勘测轨道飞行器于2005年08月12日发射升空。在08月10日到08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Atlas-V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，将火星勘测轨道飞行器送入前往火星的轨道中。

在到达火星之前，火星勘测轨道飞行器在行星间航行了七个半月，而在这段期间内NASA对其所搭在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，为了确保火星勘测轨道飞行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。

发射与航向时间表

2005年04月30日：火星勘测轨道飞行器送达发射地点。

2005年08月09日：由于Atlas-V火箭的陀螺仪可靠度问题，08月10日的发射机会往后顺延。

2005年08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08月11日早上7:50。

2005年08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08月12日早上7:43。

2005年08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08月15日：对MARCI进行测试与校正。

2005年08月25日：在UTC下午3:19:32时，火星勘测轨道飞行器进入离火星一亿公里的地方。

2005年08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09月08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对拍下了月球的照片。

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厘米的速度修正。

2006年01月29日：在UTC下午3:19:32时，火星勘测轨道飞行器进入离火星一千万公里的地方。

2006年02月03日：轨道器开始进行火星接近作业。

2006年03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。

科学作业与延伸业务

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勘测轨道飞行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。

从2006年11月开始，火星勘测轨道飞行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，美国宇航局说，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。

火星勘测轨道飞行器

研究仪器

火星勘测轨道飞行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

高分辨率成像科学设备HiRISE（High Resolution Imaging Science Experiment）

背景摄影机CTX（Context Camera）

火星彩色成像机频谱仪MARCI（Mars Color Imager）

火星专用小型侦察影像频谱仪CRISM（Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars）

频谱仪

CRISM （Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars，火星专用小型侦察影像频谱仪）

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

HiRISE（高分辨率成像科学设备）

HiRISE摄影机包含一台0.5米的反射式望远镜，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电脑上的内存容量（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）

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公厘的Maksutov望远镜以及一台5064像素宽的线性阵列CCD。摄影机上的内存将可容纳160公里长的影像。

MARCI （火星彩色成像机）

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）

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）

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量：气温、压力、湿度与沙尘密度。

SHARAD （浅地层雷达）

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。SHARAD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。SHARAD将会与Mars Express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太空总署操作。

科学实验设备

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

火星重力场的变化可以由火星勘测轨道飞行器的速度变化推导而来，而火星勘测轨道飞行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）

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煞车阶段，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

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

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）

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，以精确侦测火星勘测轨道飞行器的轨道。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

主结构

火星勘测轨道飞行器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

火星勘测轨道飞行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著降低，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

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，内存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

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个太阳传感器（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

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（32GHz）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，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

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。

火星勘测轨道飞行器

勘测任务

美国宇航局的火星勘测轨道飞行器(MRO)经过7个月的长途飞行后，预计于3月10日造访这个红色星球，执行美国宇航局委派的“十大太空任务”。

第十：与火星众邻居汇合

火星勘测轨道飞行器(MRO)是一个迟到者,因为在它之前，已经有好几个探测器要么在火星表面，要么在火星轨道上，执行着各种探测任务。这个造价4.5亿美元的探测器将成为第4个运行于火星上空的轨道的飞行器，同时也是第6个用于研究火星的飞船。美国宇航局的双子星座“勇气”号与“机遇”号，正“摸爬滚打”于那颗红色星球的表面；宇航局的“火星奥德赛”号探测器、“火星全球调查者”号探测器和欧洲航天局的“火星快车”也正从上空轨道对“红色帝国”进行扫描。

第九：扮演双重角色

火星勘测轨道飞行器的初始任务为期2年：在对火星表面和大气层进行全面探测时，扫描过去和现在发现的火星上有水的证物。但轨道飞行器的太空任务并不会就此结束。在完成首要任务后，飞行器还将利用自身的巨大天线充当行星间电话接线员的角色，负责传送地球上的飞行控制器与未来在火星上登陆的着陆器、漫游者之间的数据和指令。整个太空任务的成本预计为7.2亿美元。

第八：寻找火星地下水

像欧洲航天局的“火星快车”一样，火星勘测轨道飞行器将利用自身的雷达装置探测深埋于火星地表以下的冰层或者液体水。美国宇航局的这个探测器备有浅层地下雷达，能够发射85毫秒的雷达脉冲，穿透深度可达到0.6英里(1千米)——实际深度取决于火星表面外壳的状况。除了寻找潜在的“水库”外，雷达装置还将记录火星上不同岩层的情况，以备地质学家研究。

第七：确定火星天气类型

研究人员希望火星勘测轨道飞行器能够确定火星的天气类型。在美国宇航局的“机遇”号和“勇气”号执行勘测任务中，火星上的强风和尘暴将太阳能电池板清理的干干净净，帮助它们吸收了更多的能量，它们的服役时间已经超出科学家的预期。这让科学家对火星的天气状况十分着迷。另外，轨道飞行器的“火星彩色影像器”(拍摄地平线-到-地平线的图像)，将用来记录日常气象图；“火星气候测音器”将对火星大气层的构成进行研究。

第六：将太空眼锁定火星

火星勘测轨道飞行器备有3台照相机和1台分光仪，负责拍摄火星表面的全方位图片。飞行器的“高解析影像科学实验”照相机将捕捉更为具体的火星特征；“Context”相机能够记录宽18英里(30千米)以上的地形带变化；“火星彩色影像器”可以覆盖整个星球，跟踪记录火星表面和大气层的每分钟变化；“火星复式侦察影像分析仪”将搜寻与水有关的矿石，在房屋大小的区域内测定火星表面的构成成份，其精确度大约是火星轨道上其它任何装置的10倍。除此之外，轨道飞行器还将对一台光学导航照相机进行测试，这台相机可能用于未来的太空任务。

第五：大量搜集火星数据

这可能存在一定的技术问题，但火星勘测轨道飞行器将数据传回地球的本事不能小视。10英尺(3米)长的天线预计可以传送34兆兆位左右的数据。34兆兆位是一个什么概念？全部数据大约是美国宇航局“卡西尼”号、“深太空1”号、“麦哲伦”号、“火星奥德赛”号和“火星全球调查者”号在执行任务中传送数据总和的3倍。

火星勘测轨道飞行器的天线以及所有科学仪器的电力供应，全部来自于它的2个太阳能电池板，这些电池板也是太空任务中所使用过的最大的2个。飞船工程师表示，太阳能电池板由7000个太阳能电池组成，面积为220平方英尺(20平方米)，电池板产生的电力大约是所需电力的2倍——也就是2千瓦。

第四：勘察火星着陆点

火星勘测轨道飞行器的一个主要任务就是为未来的火星表面探测——“火星科学实验室”和“凤凰”号登陆车——寻找最佳登陆点。轨道飞行器可以利用图像寻找美国宇航局的“勇气”号漫游车的登陆点古瑟夫环形山；寻找“机遇号”进行太空矿物研究的梅里迪亚尼平面地区。飞行器的照相机、雷达和分光仪将发挥关键作用，决定登陆车的最佳登陆地点，以获得更为详细的火星资料，同时验证一些科学疑问，例如过去的火星是否是一个拥有水资源的星球？曾经是否也是适合人类居住的家园？

第三：调查火星水效应

研究人员希望，在火星勘测轨道飞行器所有科学仪器的紧密配合下，能够搜集到任何与水有关的信息，无论是火星表面还是地表以下。科学家认为水是地球生命的主要组成元素。他们特别期盼可以在火星上发现地下水的踪影。这一愿望如果得以实现，火星储藏的水资源将成为决定它是否适合人类居住的关键因素——火星地表下温泉周围是否只有微生物的存在？如果有的话，是现在还是遥远的过去？

第二：搜寻“火星极地”号

火星勘测轨道飞行器配备的“高解析影像科学实验”照相机，能够辨析3英尺(1米)长的物体，它将负责搜寻美国宇航局“阵亡”的“火星极地”号登陆车。这个登陆车于1999年11月在火星坠毁。宇航局曾进行过多次搜索，也发现了一些可能的目标，但都没有得到最终确认。利用“千里眼”照相机和低飞行轨道——上空199英里(320千米)——轨道飞行器也许能够寻找到“阵亡”的“火星极地号”。

第一：演练“气动制动”

美国宇航局的火星勘测轨道飞行器开始任何太空任务前，首先必须做到慢慢地“刹车”。 轨道飞行器将利用一种相关的已经通过测试的方法达到“刹车”目的。这种方法被称为“气动制动”，即在飞行器掠过上大气层时利用气动阻力使其减速，达到降低轨道高度的目的。

但是,制动过程并非一点风险没有。1999年，美国宇航局的“火星气候探测器”就在气动制动阶段神秘消失，尽管“火星奥德赛”号和“火星全球探勘者”号都曾成功的使用过这个方法。从3月30日开始，火星勘测轨道飞行器预计要进行数百次气动制动，最终完成最初的任务。截止到2006年11月，飞行器的椭圆形轨道将变成类圆形。

火星勘测轨道飞行器

探测发现

冰块

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%。

撞击坑的冰

2009年9月发表的一篇科学文章揭示，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55.57°N 150.62°E;43.28°N 176.9°E;和 45°N 164.5°E。其他两处位于Diacria quadrangle: 46.7°N 176.8°E和46.33°N 176.9°E。

氯化物矿藏

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。

雪崩

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。

流动的水

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。