火星勘測軌道飛行器

火星勘測軌道飛行器(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO)是美國國家航空航天局的2005年火星探測計畫之一。這項計畫的主要目的是將一枚偵察衛星送往火星，以前所未有的解析度對火星這顆紅色行星進行詳細考察，並且為往後的火星地表任務尋找適合的登入地點，同時為這些任務提供高速的通訊傳遞功能。這項計畫預計將在火星軌道運行至少四年，並且成為火星的第四個正在使用中的人造衛星（前三個為Mars Express、Mars Odyssey與Mars Global Surveyor）與第六個正在使用中的火星探測器（四個衛星加上兩台火星探測漫遊者）。

基本介紹

• 中文名：火星勘測軌道飛行器
• 外文名：Mars Reconnaissance Orbiter, MRO
• 所屬國家：美國
• 主要製造商：洛克希德·馬丁…等
• 主要儀器：HiRISE、CTX、MARCI 
• 發射時間：2005年8月12日
• 發射地點：卡納維拉爾角空軍基地
• 發射載體：Atlas V-401
• 目的星球：火星

基本信息

火星勘測軌道飛行器預期將在減速進入火星軌道，並且完成各項檢查之後（預期將在2006年11月完成）後進行為期兩年的科學任務，任務結束之後一般預期將會延伸其任務長度，以進行其他科學與通訊傳遞的工作。

火星勘測軌道飛行器將會為美國國家航空航天局未來的火星地面任務鋪路，包括預計在2007年發射的登入器鳳凰號與2009年發射的多功能探測車：火星科學實驗室。火星勘測軌道飛行器上的高解析度儀器將會幫助這些計畫評估適合的登入地點，以確保可以進行最多的科學研究，並且降低登入風險。同時火星勘測軌道飛行器的通訊能力將會為火星地表任務提供重要的資訊傳遞功能，甚至在登入時提供重要的導航資訊；此外，火星勘測軌道飛行器也可能為之前失敗的火星任務提出可能的失敗原因，如Mars Polar Lander與英國的Beagle計畫。

火星勘測軌道飛行器

火星勘測軌道飛行器於2005年08月12日發射升空。在08月10日到08月30日之間，幾乎每天都有一個長度約兩小時的發射視窗。軌道器是由卡那維爾角空軍基地的41號太空發射台發射發射進入太空，載具由Atlas-V火箭與人馬座上段推進器所組成。發射五十六分鐘之後人馬座上段推進器燃燒完畢，將火星勘測軌道飛行器送入前往火星的軌道中。

在到達火星之前，火星勘測軌道飛行器在行星間航行了七個半月，而在這段期間內NASA對其所搭在的科學儀器與預計進行的實驗進行了多項測試與校正工作；同時在這段期間內，為了確保火星勘測軌道飛行器可以正確進入繞行火星的軌道，原本預計進行四次軌道修正，但最後僅實施三次軌道修正，科學家認為不需要進行第四次修正；同時，原本被視為緊急應變方案的第五次軌道修正最後也沒有實施。

發射與航向時間表

2005年04月30日：火星勘測軌道飛行器送達發射地點。

火星勘測軌道飛行器

2005年08月09日：由於Atlas-V火箭的陀螺儀可靠度問題，08月10日的發射機會往後順延。

2005年08月10日：陀螺儀的問題已被解決。預計發射時間為美國東部時間08月11日早上7:50。

2005年08月11日：由於天候考量，發射時間往後順延至早上9:00，但在裝填人馬座火箭的液化氫燃料時由於燃料槽偵測器數值發生錯誤，且無法即時修正，導致發射時間再度順延至美國東部時間08月12日早上7:43。

2005年08月12日：早上7:43順利發射升空。在發射與準備進入行星軌道的過程中並未發生任何異常狀況。

2005年08月15日：對MARCI進行測試與校正。

2005年08月25日：在UTC下午3:19:32時，火星勘測軌道飛行器進入離火星一億公里的地方。

2005年08月27日：進行第一次軌道修正。軌道器的主推進引擎燃燒了15秒鐘，進行每秒鐘7.8米的速度修正。

2005年09月08日：對HiRISE與CTX進行修正與測試，並且在離月球一千萬公里的地方對拍下了月球的照片。

2005年11月18日：進行第二次軌道修正。軌道器的六個輔助引擎燃燒了20秒，進行每秒鐘75厘米的速度修正。

2006年01月29日：在UTC下午3:19:32時，火星勘測軌道飛行器進入離火星一千萬公里的地方。

2006年02月03日：軌道器開始進行火星接近作業。

2006年03月10日：進入火星軌道，並且預計在接下來的數周內降低軌道高度以進行科學觀測計畫。

科學作業與延伸業務

2006年3月24日，美國國家航空航天局下屬的噴氣推進實驗室公布了火星勘測軌道飛行器發回的火星表面第一批由CTX與MCI所拍攝的高清晰照片。這次拍攝儘管以校準相機為目的，卻證明了飛船的探測能力。

從2006年11月開始，火星勘測軌道飛行器將會在兩個地球年的時間之內進行各項科學研究作業，之後的延伸任務將會包括為登入器與探測車進行通訊與導航資訊傳遞。

2007年2月7日，美國宇航局說，火星勘測軌道飛行器的高清晰成像科學實驗照相機和火星氣候探測器出現技術故障。

研究儀器

火星勘測軌道飛行器最主要的目的為尋找火星上是否有水存在的證據，並且收集火星大氣與地理的特徵。軌道器上共搭載六項科學儀器與兩項科學工具；此外，也搭載三項可以用在未來太空任務的技術實驗裝備。

攝影機

高解析度成像科學設備HiRISE（High Resolution Imaging Science Experiment）

HiRISE

背景攝影機CTX（Context Camera）

火星彩色成像機頻譜儀MARCI（Mars Color Imager）

火星專用小型偵察影像頻譜儀CRISM（Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars）

頻譜儀

CRISM （Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars，火星專用小型偵察影像頻譜儀）

輻射計

MCS （Mars Climate Sounder，火星氣候探測器）

雷達

SHARAD （Shallow Subsurface Radar，淺地層雷達）

科學實驗設備

Gravity Field Investigation Package （重力場探測套件）

Atmospheric Structure Investigation Accelerometers （大氣層結構探測加速儀）

新科技實驗設備

Electra UHF Communications and Navigation Package （Electra超高頻通訊與導航套件）

Optical Navigation Camera （光學導航攝影機）

Ka-band Telecommunications Experiment Package （Ka頻段通訊實驗套件）

科學儀器

HiRISE（高解析度成像科學設備）

HiRISE攝影機包含一台0.5米的反射式望遠鏡，這是深太空任務中使用過最大的望遠鏡。在300公里高度的軌道上，它的火星地表解析度將可以達到0.3米。(Google Maps的解析度約為1米，一般的衛星照片可達到0.1米)。這台攝影機將可擷取三個彩色頻段的影像：藍-綠（400至600nm）、紅（550至850nm）與近紅外線（800至1000nm）。

紅頻段的影像可以達到20264像素寬（在300公里的高空中約可擷取6公里寬的地表影像），藍-綠與近紅外線的頻段則是4048像素寬。HiRISE上的電腦將根據軌道器的對地速度進行即時自動攝影，因此所照出來的影像在理論上是沒有高度限制的；而在實務上影像大小的限制為HiRISE電腦上的記憶體容量（約有28Gb），因此紅頻段的最大影像約為20000 × 40000像素，藍-綠與近紅外線頻段為4000 × 40000 像素。單一未壓縮影像約會占用16.4Gb的儲存空間。

為了尋找合適的登入地點，HiRISE亦可產生成對的立體影像，讓地形的解析度準確率達到0.25米。

CTX （背景攝影機）

CTX攝影機將會提供灰階影像（500至800nm），最高可拍攝40公里寬的影像，影像中每個像素的解析度約為8米。CTX主要將與其他兩個攝影裝備配合，以提供觀測地點的背景地圖。

攝影機的光學裝置包括了一台焦長350公厘的Maksutov望遠鏡以及一台5064像素寬的線性陣列CCD。攝影機上的記憶體將可容納160公里長的影像。

MARCI （火星彩色成像機）

MARCI將以五個可見光頻段與兩個紫外線頻段拍攝火星影像以組成火星全球影像，以幫助研究人員描繪火星每天、每季與每年氣候的特徵，並且為火星提供每天的天氣預報。

CRISM （火星專用小型偵察影像頻譜儀）

CRISM為一個紅外線/可見光頻譜儀，提供科學家關於火星礦藏的詳細地圖。CRISM在300公里的高空中解析度約為18米，並且在450至4050nm的頻段工作，分析頻譜中的560頻道。

MCS （火星氣候探測器）

MCS為一個九個頻道的頻譜儀，一個為可見光/近紅外線，剩下八個為遠紅外線，這些頻段可以用來觀測氣溫、壓力、水蒸氣與沙塵等級。MCS將會觀測火星地平面上的大氣，並且將大氣以五公里為一單位垂直分層，針對每一層的大氣進行測量。

這些測量值將會組成火星的每日全球天氣圖，讓科學家了解火星天氣的基本變數：氣溫、壓力、濕度與沙塵密度。

SHARAD （淺地層雷達）

SHARAD主要為探測火星極地冰冠的內部結構，並且收集火星地層下的冰、岩石甚或是地下水的結構。SHARAD將會在15至25MHz的高頻無線電波工作，垂直解析度將可達到7米，並且探測火星地表下一公里深的地層；水平解析度為0.3公里，探測3公里寬的地表。SHARAD將會與Mars Express上的MARSIS雷達一起工作，因為MARSIS雷達的解析度較低，但可深入地表下較深之處。這兩個雷達均由義大利太空總署操作。

科學實驗設備

Gravity Field Investigation Package （重力場探測套件）

火星重力場的變化可以由火星勘測軌道飛行器的速度變化推導而來，而火星勘測軌道飛行器的速度變化可以由軌道器接收地球無線電訊號時的而得知。

Atmospheric Structure Investigation Accelerometers （大氣層結構探測加速儀）

軌道器上靈敏的加速器可以用來偵測軌道器所在位置的大氣密度。這項實驗僅會在準備進入火星軌道時的空氣煞車階段，且當軌道器進入火星大氣層較密的高度時進行。

新科技實驗設備

Electra UHF Communications and Navigation Package （Electra超高頻通訊與導航套件）

Electra為一超高頻天線，將與為未來的火星計畫進行通訊，並且幫助這些計畫的登入器導航、登入與定位。

Optical Navigation Camera （光學導航攝影機）

光學導航攝影機將會拍攝火星的兩個衛星（火衛一與火衛二）在背景星象上的移動，以精確偵測火星勘測軌道飛行器的軌道。本任務並不是必須達成的重要任務，主要是測試該系統，讓未來的火星計畫可以更加精確的進入火星軌道與登入火星。本設備已在2006年二月與三月成功測試完成。

工程設計

主結構

火星勘測軌道飛行器太空船主要的結構均是由強化碳纖維 化合物鋁製蜂巢結構版所組成，而鈦 金屬所製造的燃料槽占了整體結構與質量的絕大部分，並且維持了太空船的結構完整性。總質量為低於2180公斤（4806磅），空重（不含燃料）為低於1031公斤（2273磅）。

動力系統

火星勘測軌道飛行器的主要電力來源為兩片太陽能板，兩片太陽能板能夠獨立進行上下左右的移動。每片太陽能板的大小為5.35×2.53米，而在太陽能板表面共9.5平方米的範圍內包含了3744個光電電池。這些太陽能電池的轉換效率非常高，約可將26%的太陽能量轉換為電力，並且可以提供絕大多數儀器運作所需的32V電力。這兩片太陽能板在火星約可提供2000瓦特的電力。

除了太陽能板之外，軌道器還使用了兩個可充電式鎳氫電池，當太陽能板無法面對太陽，或是火星將太陽光遮住時便會使用電池供給電力。每個電池約可提供50安培小時的電力，但軌道器無法使用全部的電力，因電池放電時連帶的電壓也會跟著降低，當電壓低於20V時電腦便會停止工作，因此在設計上將只會使用約40%的電池電力。

電腦系統

軌道器的主電腦為一133MHz的RAD750處理器，這顆處理器為強化輻射防護的PowerPC處理器，可以在太陽風肆虐的深太空中提供可靠的運算處理。探測資料則是存放在20GB的快閃記憶體中，記憶體的量雖然似乎很充足，但是跟儀器所收集到的各項資料相比就不見得有多大了，比如說HiRISE的火星地表影像每張最高就可以達到28Gb。

電腦的作業系統則是VxWorks，並另外加上許多的防護與監測協定。

導航系統

導航系統將會在整個任務過程中提供位置、航道與高度的各項資訊。

16個太陽感測器（其中8個是備份）將會提供軌道器方向與太陽的相對位置資訊。

兩個恆星追蹤器將會提供軌道器完整的位置與高度資訊。恆星追蹤器僅是兩個普通的數位相機，自動拍攝已分類過的星空影像進行自動定位。

兩個慣性導航設備將提供軌道器飛行的資訊，每個慣性導航設備包括了三個加速器與三個陀螺儀。

通訊系統

通訊系統將使用大型天線，利用一般深太空所使用的頻段（X-band，8Ghz）傳送資料，也將會使用可以高速傳輸的Ka-Band（32GHz）傳送各項資料。預計從火星傳送到地球的最大傳輸速度為6Mb/s，約為以往火星任務的10倍

此外，軌道器另外有兩個小型低增益天線，在緊急與特殊事件時提供低速通訊，比如說發射與進入火星軌道時。

推進系統

燃料槽共可容納1175升（1187公斤重）的聯胺單推進燃料，而這些燃料的70%將會使用在進入火星軌道時。

軌道器上共有20個火箭推進器：

六個大型推進器，主要使用在進入火星軌道時。

六個中型推進器，主要提供航道校正與高度控制。

八個小型推進器，主要是一般作業時修正高度與航道用。

軌道器中亦包含四個動量輪，提供軌道器精準的高度控制，比如拍攝高解析度影像時，某些震動將會模糊影像。

勘測任務

美國宇航局的火星勘測軌道飛行器(MRO)經過7個月的長途飛行後，預計於3月10日造訪這個紅色星球，執行美國宇航局委派的“十大太空任務”。

第十：與火星眾鄰居匯合

火星勘測軌道飛行器(MRO)是一個遲到者,因為在它之前，已經有好幾個探測器要么在火星表面，要么在火星軌道上，執行著各種探測任務。這個造價4.5億美元的探測器將成為第4個運行於火星上空的軌道的飛行器，同時也是第6個用於研究火星的飛船。美國宇航局的雙子星座“勇氣”號與“機遇”號，正“摸爬滾打”於那顆紅色星球的表面；宇航局的“火星奧德賽”號探測器、“火星全球調查者”號探測器和歐洲航天局的“火星快車”也正從上空軌道對“紅色帝國”進行掃描。

第九：扮演雙重角色

火星勘測軌道飛行器的初始任務為期2年：在對火星表面和大氣層進行全面探測時，掃描過去和現在發現的火星上有水的證物。但軌道飛行器的太空任務並不會就此結束。在完成首要任務後，飛行器還將利用自身的巨大天線充當行星間電話接線員的角色，負責傳送地球上的飛行控制器與未來在火星上登入的著陸器、漫遊者之間的數據和指令。整個太空任務的成本預計為7.2億美元。

第八：尋找火星地下水

像歐洲航天局的“火星快車”一樣，火星勘測軌道飛行器將利用自身的雷達裝置探測深埋於火星地表以下的冰層或者液體水。美國宇航局的這個探測器備有淺層地下雷達，能夠發射85毫秒的雷達脈衝，穿透深度可達到0.6英里(1千米)——實際深度取決於火星表面外殼的狀況。除了尋找潛在的“水庫”外，雷達裝置還將記錄火星上不同岩層的情況，以備地質學家研究。

第七：確定火星天氣類型

研究人員希望火星勘測軌道飛行器能夠確定火星的天氣類型。在美國宇航局的“機遇”號和“勇氣”號執行勘測任務中，火星上的強風和塵暴將太陽能電池板清理的乾乾淨淨，幫助它們吸收了更多的能量，它們的服役時間已經超出科學家的預期。這讓科學家對火星的天氣狀況十分著迷。另外，軌道飛行器的“火星彩色影像器”(拍攝地平線-到-地平線的圖像)，將用來記錄日常氣象圖；“火星氣候測音器”將對火星大氣層的構成進行研究。

第六：將太空眼鎖定火星

火星勘測軌道飛行器備有3台照相機和1台分光儀，負責拍攝火星表面的全方點陣圖片。飛行器的“高解析影像科學實驗”照相機將捕捉更為具體的火星特徵；“Context”相機能夠記錄寬18英里(30千米)以上的地形帶變化；“火星彩色影像器”可以覆蓋整個星球，跟蹤記錄火星表面和大氣層的每分鐘變化；“火星複式偵察影像分析儀”將搜尋與水有關的礦石，在房屋大小的區域內測定火星表面的構成成份，其精確度大約是火星軌道上其它任何裝置的10倍。除此之外，軌道飛行器還將對一台光學導航照相機進行測試，這台相機可能用於未來的太空任務。

第五：大量蒐集火星數據

這可能存在一定的技術問題，但火星勘測軌道飛行器將數據傳回地球的本事不能小視。10英尺(3米)長的天線預計可以傳送34兆兆位左右的數據。34兆兆位是一個什麼概念？全部數據大約是美國宇航局“卡西尼”號、“深太空1”號、“麥哲倫”號、“火星奧德賽”號和“火星全球調查者”號在執行任務中傳送數據總和的3倍。

火星勘測軌道飛行器的天線以及所有科學儀器的電力供應，全部來自於它的2個太陽能電池板，這些電池板也是太空任務中所使用過的最大的2個。飛船工程師表示，太陽能電池板由7000個太陽能電池組成，面積為220平方英尺(20平方米)，電池板產生的電力大約是所需電力的2倍——也就是2千瓦。

第四：勘察火星著陸點

火星勘測軌道飛行器的一個主要任務就是為未來的火星表面探測——“火星科學實驗室”和“鳳凰”號登入車——尋找最佳登入點。軌道飛行器可以利用圖像尋找美國宇航局的“勇氣”號漫遊車的登入點古瑟夫環形山；尋找“機遇號”進行太空礦物研究的梅里迪亞尼平面地區。飛行器的照相機、雷達和分光儀將發揮關鍵作用，決定登入車的最佳登入地點，以獲得更為詳細的火星資料，同時驗證一些科學疑問，例如過去的火星是否是一個擁有水資源的星球？曾經是否也是適合人類居住的家園？

第三：調查火星水效應

研究人員希望，在火星勘測軌道飛行器所有科學儀器的緊密配合下，能夠蒐集到任何與水有關的信息，無論是火星表面還是地表以下。科學家認為水是地球生命的主要組成元素。他們特別期盼可以在火星上發現地下水的蹤影。這一願望如果得以實現，火星儲藏的水資源將成為決定它是否適合人類居住的關鍵因素——火星地表下溫泉周圍是否只有微生物的存在？如果有的話，是現在還是遙遠的過去？

第二：搜尋“火星極地”號

火星勘測軌道飛行器配備的“高解析影像科學實驗”照相機，能夠辨析3英尺(1米)長的物體，它將負責搜尋美國宇航局“陣亡”的“火星極地”號登入車。這個登入車於1999年11月在火星墜毀。宇航局曾進行過多次搜尋，也發現了一些可能的目標，但都沒有得到最終確認。利用“千里眼”照相機和低飛行軌道——上空199英里(320千米)——軌道飛行器也許能夠尋找到“陣亡”的“火星極地號”。

第一：演練“氣動制動”

美國宇航局的火星勘測軌道飛行器開始任何太空任務前，首先必須做到慢慢地“剎車”。 軌道飛行器將利用一種相關的已經通過測試的方法達到“剎車”目的。這種方法被稱為“氣動制動”，即在飛行器掠過上大氣層時利用氣動阻力使其減速，達到降低軌道高度的目的。

但是,制動過程並非一點風險沒有。1999年，美國宇航局的“火星氣候探測器”就在氣動制動階段神秘消失，儘管“火星奧德賽”號和“火星全球探勘者”號都曾成功的使用過這個方法。從3月30日開始，火星勘測軌道飛行器預計要進行數百次氣動制動，最終完成最初的任務。截止到2006年11月，飛行器的橢圓形軌道將變成類圓形。

探測發現

冰塊

根據2009年雷達的測量報告顯示，火星北極地區冰蓋下的冰塊的體積有821,000立方千米(197,000 立方英里), 這等於地球上格陵蘭島冰塊的30%。

撞擊坑的冰

2009年9月發表的一篇科學文章揭示，在一些新的撞擊坑周圍有純淨的水冰。這個事實暴光後，這些冰後來似乎逐漸隨著升華而消失了。新的撞擊坑由CTX攝象機發現，CRISM後來證實冰在五個位置的存在：三個位於Cebrenia quadrangle，具體地點分別是55.57°N 150.62°E;43.28°N 176.9°E;和 45°N 164.5°E。其他兩處位於Diacria quadrangle: 46.7°N 176.8°E和46.33°N 176.9°E。

氯化物礦藏

根據MRO和其他一些火星探測器的數據顯示，科學家已經發現火星上分布著廣泛的氯化物。這些氯化物是由富含水分的礦物蒸發形成的。其中的碳酸鹽，硫酸鹽，二氧化矽應該都會率先沉澱下來。而且火星車已經在火星表面上發現了硫酸鹽和二氧化矽。有氯化物的地方過去可能存在著各種生命形式，因此，這是人類探索火星是否存在生命遺蹟的理想地區。

雪崩

MRO的CTX和HiRISE攝象機已經拍攝到，在火星北極蓋附近陡峭的山地發生的大量雪崩的照片。

流動的水

2011年8月4日，NASA宣布MRO偵察到火星在溫暖的月份里，其表面似乎存在流動的液態水。