国家自然科学基金重点国际合作研究项目

“火星大气风场探测关键科学与技术问题研究”科普性简介

（项目号：42020104008）

火星是太阳系中与地球最为相似的行星，是受早期文明监测的重要天体之一。目前火星探索目标可以概括为四个方面：火星生命、火星气候、火星地质探索和人类登陆火星。火星大气是改变火星表面地质特征的重要因素，而风是大气动力学的重要参数，对理解火星大气动力学过程、动量、能量和物质传输具有重要意义，能够提供火星气候变化、地质特征和生命演化痕迹的依据，为人类登陆计划提供环境预测。但迄今为止，由于风场探测难度大，火星大气风场直接测量完全空白。我们迫切需求一种科学方法、仪器方案和风场全球星载探测技术，以便长期有效地探测火星大气风场和臭氧信息，将对火星气候、地质、生命探索乃至人类登陆计划，都具有十分重大的科学意义。

项目研究目标旨在发展以高精度、高稳定性、多功能化新一代火星大气探测技术为载体的先进大气探测方法和手段；建立火星大气风速、温度、臭氧全球分布的大气基本动力学参数观测及反演理论与技术体系；研发能够同时观测火星大气风场、温度和成分的火星风成像干涉仪，开展模拟星载探测实验，进行技术体系验证。

目前国内即使在地球大气探测中也鲜有类似的星载技术，国际上也还没有把类似技术用于地外行星大气的探测。开拓这一具有“基础性、前瞻性和战略性”的研究，它将扩展火星科学前沿领域，引导国际导向，发展中国火星大气探测技术，使其达到国际领先水平。

仪器展示：

火星静态风成像干涉仪

火星静态风成像干涉仪主要技术指标（目前国际先进水平）

1）卫星平台高度：H=325km。

2）探测大气高度范围：15~45 km。

3）工作波段：近红外1270 nm (中心波长，准/单色光)；探测谱线：近红外

三强线RQ9 (1264.060nm)、SR3 (1264.277nm)、RR9 (1264.386nm)

4）风速探测范围： 0~300 m/s （最大风速接近 300m/s） 。

5）风速探测精度：±5 m/s（水平风场） 。

6）探测空间分辨率（垂直）： 1 km（考虑卫星载荷抖动影响，小于 2km）。

7）温度测量精度： 3~5 K（温度范围： 150~250 K）。

8）粒子辐射率：白天探测精度（1%），测量误差（10%）。

9）臭氧浓度：白天探测精度（1%），测量误差（10%）。

10）仪器尺寸：616㎜550㎜122㎜；总质量约14.4kg

应用前景：

风场探测的重要性体现在火星大气探测领域，长期以来各国对火星的研究大多偏重于火星的地形地貌、大气成分、水的存在形式等。而火星大气风场研究对火星大气动力学行为、热力学性质、动量、能量和物质传输具有重要意义。但迄今为止，对火星大气的运动规律，大气动力学行为的研究仍十分鲜见。火星大气风场探测对于解析火星大气行星尺度动力学过程、理解火星大气环流和成分传输特征、验证火星大气标准模型，以及预测航天运行环境和实施人类火星探测计划具有重要意义，这促使火星大气风场探测已然成为国际社会的研究热点和未来趋势。

NASA火星勘探项目分析组MEPAG在发布的火星探测科学目标指南中同样强调了火星风场探测的重大意义：

（1）风场测量在火星探测的实际操作（飞行器的升降、着陆、捕获、制动和轨道寿命，Entry/Descent/Landing, aerocapture, aerobraking, and orbit lifetimes）中的重要性不容忽视。

（2）风场探测难度大，如今火星大气风场（动量）测量完全空白，是测量低层火星大气中控制动力学和热结构的强迫机制的主要阻力。

发展火星大气风场的全球卫星测量不仅具有重大的科学意义，而且十分必要，这将有助于我们进一步理解火星大气环流和成分传输的特征，为航天器提供充分的火星大气环境预测。所以，实现大气风场（动量）的直接测量迫在眉睫。

综上所述，研究以高精度、高稳定性、多功能化的新一代火星大气探测仪器为载体的先进大气探测技术，同时获得火星大气风场和微量气体（臭氧）的全球信息是未来发展方向和迫切需求，可应用于火星生命、火星气候、火星地质探索和人类登陆火星；原理、技术、成果可应用于地球大气动力学（风场、成分）研究、大气探测、环境保护、航空航天、军事民用气象、导弹发射环境保障服务等。

军事应用：

临近空间高速飞行器能够在20km至100km之间的临近空间飞行，飞行速度高，可达到5倍音速或以上，一般具有对雷达隐身功能，地基和空基探测装置无法对其进行实时准确的探测。天基平台（卫星）探测范围广，探测距离远，是未来对这类飞行器探测的有效手段，但是飞行器体积较小，目标识别和发现十分困难。临近空间高速飞行器在大气中飞行时，会与其周围的大气相互作用，一是引起局部大气的运动状态异常，二是造成局部大气升温，并且影响范围可达数千米。如果对这种局部大气的风速以及温度进行监测，便可以对临近空间高速飞行器进行探测与识别。本项目研制的近红外静态风成像干涉仪采用四分区步进相位干涉技术，系统无动镜，具有实时、静态的优点，适用于航空航天环境；探测大气高度范围为25km~145km，探测空间分辨率1km（垂直），风速探测精度5m/s，温度测量精度3~5K，完全能够满足利用大气状态异常对临近空间高速飞行器进行高分辨率、高精度、实时探测的需求，具有良好、潜在的应用前景。