先了解一下火星勘测轨道飞行器MRO
美国宇航局的火星勘测轨道飞行器（MRO）是一项长期运行的航天器任务，致力于从轨道上研究这颗红色星球。MRO于2005年发射升空，由位于南加州的NASA喷气推进实验室（JPL）代表NASA科学任务理事会进行管理，是NASA更广泛的火星探索计划的一部分。它利用一系列先进仪器，在分析火星表面、大气和地下结构方面发挥着关键作用。
MRO 的杰出工具之一是浅层雷达 (SHARAD)，它可以探测火星地表以下的特征，例如冰层和岩层。SHARAD 由意大利航天局提供，罗马大学运营，是一项由美意联合科学团队合作分析的成果，美国也参与其中，由亚利桑那州图森市的行星科学研究所牵头。总部位于丹佛的洛克希德马丁航天公司建造了该轨道器并继续支持其运行，确保该探测器的寿命和在第二个十年的科学生产力。
MRO 助力深层科学研究
MRO自2006年以来一直在火星轨道运行，如今已算得上是老将了。它搭载着五台仍在运行的仪器（第六台，火星紧凑型侦察成像光谱仪，CRISM，已于2023年关闭）。该航天器通常通过最多28度的倾斜，将这些仪器指向火星表面的目标。如果MRO为了某个仪器能够更好地观察某个物体而进行一次这样的翻转，通常意味着其他四台仪器会受到影响，因此这些翻转操作需要提前数周进行规划，以免干扰其他观测。事情通常会顺利进行——然而，SHARAD 仪器始终处于劣势。
SHARAD 向火星发射雷达脉冲，能够探测到埋藏在地表以下 1.2 英里（2 公里）深处的水冰。然而，SHARAD 位于航天器的后部，在高分辨率成像科学实验（HiRISE）等探测器面前处于劣势，后者拥有位于航天器前部的最佳视野。从后部发射时，SHARAD 的雷达波束通常会捕捉到航天器结构的一部分，从而造成干扰，降低清晰度并影响其探测地下深度。
SHARAD 仪器是为近地表地下区域设计的，火星上有些特定区域我们无法触及。仔细观察这些区域将会带来很多收获。
因此，从2023年开始，MRO的工程师们开始对航天器进行实验，进行他们所描述的120度“超大翻滚”，使航天器向后旋转，使其相对于火星几乎颠倒过来。在大翻滚过程中，SHARAD可以毫无阻碍地观察火星表面，这使得雷达信号强度提高10倍。这项新操作使MRO能够更有效地搜寻液态水和冰冻水的迹象，以及其他可能揭示火星隐藏历史的地下特征。
教会MRO火星轨道器新动作
论文作者之一、亚利桑那州图森市行星科学研究所的加雷思·摩根 (Gareth Morgan) 表示：“这样做不仅可以让老式航天器掌握新技巧，还可以开辟全新的地下区域进行探索。”
MRO 最初的设计目标是可以向任意方向旋转 30 度，以便将其仪器瞄准撞击坑、古河床和潜在着陆点等特征。但现在，工程师们又进一步提升了它的旋转能力。
“我们的独特之处在于，整个航天器及其软件的设计都让我们能够一直滚动，”南加州美国宇航局喷气推进实验室（ JPL ）的 MRO 项目经理里德·托马斯说。
协调复杂的探测器翻滚
滚动的过程并不简单。航天器携带五台运行中的科学仪器，它们对指向的要求各不相同。为了让其中一台仪器精确瞄准火星表面的某个位置，轨道器必须以特定的方式滚动，这意味着其他仪器在操作过程中可能无法获得理想的火星观测视野。
这就是为什么每次常规巡视都要提前数周进行规划，仪器团队会协商由谁在何时进行科学研究。然后，一种算法会检查火星勘测轨道器（MRO）在火星上方的位置，并自动指挥轨道器巡视，使相应的仪器指向火星表面的正确位置。同时，该算法会指挥航天器的太阳能电池阵列旋转并跟踪太阳，并指挥其高增益天线跟踪地球，以维持能源和通信。
120度的超大翻滚需要更周密的计划才能确保轨道器的安全。这项新操作的回报是，它使一种名为浅层雷达（SHARAD）的特殊仪器能够比以往更深入地观测火星。
这两张由NASA火星探测轨道器（MRO）上的SHARAD仪器拍摄的雷达照片揭示了该轨道器新的“超大翻滚”机动如何产生更强的信号，从而提供更明亮、更清晰的火星地表图像。上图为120度翻滚后拍摄的，下图为标准的28度翻滚拍摄的。图片来源：NASA/JPL-Caltech/ASI/罗马大学/PSI/史密森尼学会
更清晰的雷达地下探测
SHARAD 的设计目标是探测地下约半英里到一英里多一点（1-2 公里）的深度，使科学家能够区分岩石、沙子和冰等物质。该雷达在确定哪些地方可以找到离地表足够近的冰，以便未来宇航员有朝一日能够接触到它们方面尤其有用。冰将是生产返程火箭推进剂的关键，对于进一步了解火星的气候、地质和生命潜力也至关重要。
尽管 SHARAD 已经非常出色，但团队知道它还可以变得更好。这或许非常值得：在火星表面附近找到大量水冰对于未来的宇航员至关重要，他们可以利用这些水冰作为饮用水，以及生产氧气和火箭燃料。此外，不同纬度地区水的存在本身就能告诉我们更多关于火星水的历史和过去气候的信息。
克服信号干扰
为了让高分辨率成像科学实验（HiRISE）等相机在MRO前部获得最佳观测效果，SHARAD的两段天线被安装在轨道器的后部。虽然这种设置有助于相机，但也意味着SHARAD发射到下方表面的无线电信号会与航天器的部件发生碰撞，干扰信号，导致图像不够清晰。
“SHARAD 仪器是为近地表地下探测而设计的，火星上有些特定区域我们无法触及，”SHARAD 团队的联合研究员摩根说道。“仔细观察这些区域，将会有很多收获。”
2023年，该团队决定尝试开发120度超大角度的旋转，以便为无线电波提供一条畅通无阻的路径到达火星表面。他们发现，这种操作可以将雷达信号增强10倍或更多，从而提供更清晰的火星地下图像。
能源、通信和风险平衡
但由于滚动幅度太大，航天器的通信天线没有指向地球，其太阳能电池阵列也无法跟踪太阳。托马斯说：“非常大角度的翻滚需要进行特殊分析，以确保我们的电池有足够的电量来安全地完成卷轴。”
考虑到所需时间，该任务每年仅限进行一到两次大型翻滚。但工程师们希望通过简化流程来更频繁地使用它们。
气候探测器适应翻滚
虽然 SHARAD 科学家们从这些新举措中受益，但与另一台 MRO 仪器——火星气候探测器合作的团队正在充分利用 MRO 的标准滚动能力。
这台由喷气推进实验室（JPL）建造的辐射计是目前最详尽的火星大气信息来源之一。火星气候探测器通过测量多个季节内温度的细微变化，揭示了沙尘暴和云层形成的内部机制。了解尘埃和风至关重要：它们不断重塑火星表面，火星风带来的尘埃覆盖太阳能电池板，并对未来的宇航员构成健康风险。
火星气候探测器的设计是围绕一个万向架旋转，以便能够观测火星地平线和地表。它还能提供太空视图，供科学家校准仪器。但在2024年，老化的万向架变得不可靠。现在，火星气候探测器依赖于MRO的标准翻滚。
“大角度滚动曾经限制了我们的科学研究，”火星气候探测器的临时首席研究员、喷气推进实验室的阿明·克莱因博尔 (Armin Kleinboehl) 说，“但我们已将其纳入日常规划中，包括表面观测和校准。”
参考文献：《SHARAD借助MRO航天器的超大型滚动推进，照亮了火星更深层的地下结构》，作者：Nathaniel E. Putzig、Gareth A. Morgan、Matthew R. Perry、Bruce A. Campbell、Jennifer L. Whitten、Fabrizio Bernardini、Alessandro DiCarlofelice、Piero Tognolatti和Pierfrancesco Lombardo，2025年6月11日，《行星科学杂志》。DOI
：10.3847/PSJ/addbe1