科学|被“逼”出来的自主创新技术，“天问一号”将如何探测火星科学

【科学|被“逼”出来的自主创新技术，“天问一号”将如何探测火星】我国第一个火星探测器——“天问一号”正在赶赴火星的征途中，计划飞行约7个月抵达火星，并通过2至3个月的环绕飞行后着陆火星表面，开展探测任务。“天问一号”将怎样在火星上进行探测、巡视？请听中国科学院上海技术物理研究所研究员何志平在“造就Talk”上讲述“天问一号”的故事。以下为演讲主要内容。

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何志平在演讲中。（图片由“造就Talk”提供）
『火星上可能存在过微生物』
有效载荷相当于火星探测器的眼睛、耳朵，可以从不同方面探测火星的信息，包括地形地貌、物质成分、环境、地质活动以及气候条件等。
“天问一号”上一共配置了13台（套）有效载荷，其中环绕器上有7台（套），火星车上有6台（套）。我们将利用环绕器在火星上空进行大范围的宏观探测，利用火星车到我们最感兴趣的地方开展精细探测。
为什么利用光谱可以探测物质成分呢？这里不得不提到伟大的科学家牛顿。除了牛顿三大定律，光谱也是牛顿发现的，他利用棱镜把太阳光色散，发现太阳光其实是由很多颜色的光构成的。
人的眼睛也可以被认为是一个光谱成像仪器，能感知不同色彩的图像。而光谱学研究发现，在人眼看不到的地方，也有很多光谱信息。我们就是利用光谱信息与物质成分之间的关联性来进行探测的。
在火星上，环绕器利用分子吸收光谱，分析火星表面反射太阳的光谱特征数据，相当于给火星拍了一张特殊的照片。在这些光谱照片中，每一个像素都有一条光谱曲线。由此，我们可以知道每个像素对应目标位置中的成分信息，再结合照片中目标的几何形状与位置关系，就可以在宏观范围对火星进行成分探测。
很多国家已经对火星进行了探测，并得到了一系列有意义的探测成果。比如：火星上富含氧化铁，所以火星看起来才这么红；火星表面有辉石、橄榄石等矿产资源；在火星的极地有冰，其中大部分是干冰，小部分是水冰。火星上可能曾经有温暖湿润的环境，也可能存在过微生物。这些发现，都进一步激发了人类对火星的兴趣。
『“光谱眼”是如何探测火星的』
“天问一号”在环绕器上配置了火星矿物光谱分析仪，这台仪器的谱段主要是红外线，我们把它叫作“红外光谱眼” 。在火星车上配置了火星表面成分探测仪，主要是利用激光诱导技术，所以也叫“激光光谱眼” 。
我们先来看红外光谱眼。它是一台高集成的仪器设备，能探测576个不同谱段的信息，追求的是高灵敏度、高分辨率。
在探测过程中，精确定标是另一个技术难点。什么是定标呢？打个比方，我们以前用机械手表经常需要对时，以校正它的准确率。同理，红外光谱眼在探测过程中，也要将所获得的火星光谱特征信号进行校正。这主要依靠多溯源、综合性的光谱定标方法。多溯源指的是校准用了多个源，包括太阳、自带的标准灯、冷空间及火星特定区域。通过对这多个目标溯源的观测，可以更准确、全面了解仪器的响应状况，将探测的数据校对得更准确。
火星车上的激光光谱眼则是一台功能强大、系统复杂的载荷。它能在完成激光诱导光谱探测和红外光谱探测的同时，还能显微照相及灵活地指向想要探测的目标。它由5个部件组成，其中3个部件安装在火星车的外面。
激光诱导光谱在火星上探测，就像对火星进行针灸。它是把激光汇聚到约0.2毫米的小点上，发出的高能量密度激光射在火星表面，由此产生的高温使物质形成等离子体而发光，看起来就像一个很亮很亮的小点。通过探测其中的光谱信息，我们就能知道探测的火星部位是由什么元素组成的。分页标题
『被“逼”出来的自主创新』
火星上还有一个必须面对的难题，就是如何适应恶劣和复杂的环境。
温度是绕不过去的一个坎，虽然火星车对仪器有一定的保温作用，但激光光谱眼有3个部件安装在火星车外，这就意味着它要在接近-100℃的环境中工作。此外，火星上还有很多沙尘暴。
那么，光谱眼是如何克服这些困难的呢？主要是靠自主创新，而且是被“逼”出来的自主创新。
举例来讲，红外光谱探测用到了一个技术叫“声光光谱探测技术” ，我们最早研制这个技术，不是为了火星，而是围绕月球探测任务而研发的。它涉及一个核心器件叫声光可调滤光器（简称AOTF）。这个器件当时国内没有，我们找到美国的一家机构，希望能够定制购买，但是协调下来没有成功，只能靠我们自己研制。
整个研制过程非常艰难，因为我们不知道谁能生产原材料，也不知道设计方法与制作工艺，更没有制造、检测这个器件的设备条件。我们首先在国内找到了生产大口径、高性能的二氧化碲晶体材料的合作单位。接着又找到一家单位，虽然他们以前没有做过声光可调滤光器，但是他们做过声光原理的器件，具备设计和工艺基础。同时，我们开始研制专用设备，支撑产品研发中的优化设计、制备工艺确认以及最终产品检验所需要的测试。通过与国内多家单位的协作，我们最终高质量地完成了这个器件的国产化研制。
科学仪器探测的数据准确、可靠与否，关系到科学家运用这些数据所开展的科学研究是否能得到同行的认可。让我们很高兴的是，在我们成功研制出月球表面应用的声光光谱仪器后，欧洲有关专家认为：“这是迄今为止唯一成功实现表面原位探测的AOTF光谱仪器，是唯一成功用于空间应用的AOTF高光谱成像仪，也是唯一真正意义的画幅式高光谱成像仪。”因为之前顺利完成了月球的红外光谱探测，所以对于这次在火星上的应用，我们更有信心了。
其实， “天问一号”任务中对火星表面的物质成分探测，只是我们深空探测任务的一小步。我们能不能在火星上找到适合人类生存的地方？我们人类究竟如何走出地球，走向未来的太空时代？这些宏大的目标，都是由无数个“一小步”来实现的。
我们走向深空的征程，才刚刚开始。