香港理工大學兩支跨學科研究團隊為國家近日首個火星探測項目「天問一號」作出貢獻。理大的科研人員憑藉多年來在航太科研領域所累積的豐富經驗及卓越的研發成果，與中國空間技術研究院合作，在「天問一號」任務中發揮重要作用。當中吳波教授團隊研發創新的地形測量及地貌分析方法，協助選取火星著陸點；容啟亮教授的團隊則研發出精密的太空儀器「落火狀態監視相機」（「火星相機」），拍攝火星的周遭環境及火星車的狀況。
「天問一號」探測器由環繞器、著陸器和巡視器（又名「祝融」火星車）組成，目標是一次過完成「繞、落、巡」（即「環繞」、「著陸」和「巡視」）三大工作，是世界航天史上的首次嘗試。這次任務旨在獲取有關火星的科學勘探數據。目前，「天問一號」已完成火星軌道環繞及着陸烏托邦平原，「祝融」火星車正侍機展開巡視及勘探工作。
理大成立深空探測研究中心
理大校董會主席林大輝博士祝賀「天問一號」成功着陸火星，他表示︰「國家在深空探測的成績令人振奮，過去在月球探索及採月壤帶回地球的任務，均取得圓滿成功；今次國家的航天任務更跨越星際，首次探索火星，進一步印證中國的航天實力。理大的科研人員有份參與火星任務，並發揮關鍵作用，令我們十分鼓舞。理大科學家將繼續以非凡的創造力、毅力和創新思維，在不同領域上參與科研，冀為人類的福祉貢獻己力。」
香港特別行政區創新及科技局局長薛永恒則表示：「我衷心恭賀國家首次火星探測任務成功著陸。基礎研究是本地大學的強項，今次理大以其科創實力，再次獲邀參與國家重要航天任務，充分顯示香港科研實力雄厚，臥虎藏龍，是國家科技建設的一支重要力量，可為國家級的『大科學』項目作出貢獻。我深信本地大學亦可藉着與內地機構的科研協作，發揮協同效應，優勢互補。」
理大校長滕錦光教授說︰「我們衷心感謝國家對理大的信任，邀請兩位教授參與國家的火星探測任務。理大有機會再次為國家的重大航天科技項目做貢獻，我們深感自豪。基於理大在航天科技領域已經取得的成績，我們決定加大對該領域的支持力度。最近，理大已成立由容啟亮教授領導的『深空探測研究中心』，聚集地質學、土木工程、機械過程、物理學等不同領域的專家，在航天科技的不同方向展開深入研究。我們衷心祝願『天問一號』任務取得圓滿成功，讓世界對這個『紅色星球』有更加多的了解。」
理大協助測量評估火星着陸區
登陸火星是一項極具挑戰性的任務。火星表面的地形複雜，大氣層稀薄，而火星表面隨時可能出現的沙塵暴，加上火星與地球通訊有約5至20分鐘的延遲，凡此種種增加了登陸火星的難度。因此，選擇一個安全而具有科學價值的著陸點至關重要。
2017至2020年期間，理大土地測量及地理資訊學系吳波教授應中國空間技術研究院的邀請，率領團隊進行火星全球的分析和評估，篩選出三個候選着陸區，分別位於亞馬遜平原、克里斯平原和烏托邦平原。這些候選着陸區均處於火星緯度5°-30°N範圍，太陽日照充足，有助太陽能電池板供電，温度適中；且位處低海拔，可以延長探測器降落時減速的時間；地形平坦，有利探測器安全着陸。
理大團隊進一步對候選着陸區進行了詳細的地形及地貌特徵分析，包括其海拔、坡度、岩石密度、撞擊坑密度，以及該區域的地質歷史。綜合研究結果，火星北半球最大的撞擊盆地烏托邦平原南部區域，獲選為「天問一號」的目標着陸區。烏托邦平原的某些特徵，如其表面上廣泛存在的沉積物，顯示這個區域地下可能存在水冰，因此其科學意義重大，有助找出火星是否曾有生命的線索，了解火星的演化歷史。
「天問一號」自2021年2月10日進入環火軌道後，已收集並傳回大量覆蓋目標着陸區的納米級高解像度圖像回地球。是次任務的目標著陸區面積達70公里X180公里，比整個香港的面積大11倍。吳波教授及其團隊利用自行研發的「三維集成測量模型」，將「天問一號」傳回的高解像度圖像，製成高精確度、高解像度的三維數碼地形模型，以詳細分析地形特徵，識別可能影響着陸安全的大型斜坡。
為了幫助「天問一號」在火星上安全着陸和巡視，吳波教授及其團隊亦研發出「基於人工智能的撞擊坑、石塊提取方法」，在短時間內從高解像度的圖像上自動提取撞擊坑和石塊等地貌特徵，以作更精確的分析。吳教授說：「我們利用這項人工智能技術，在一個半月內分析了分布在目標着陸區內的67萬個隕石坑、逾200多萬塊岩石，和數百個火山錐，效率超卓，準確率達到了85%。」團隊根據地形和地貌的詳細測量結果，成功搜索出數個可能的着陸點，供「天問一號」任務的管理團隊作最終抉擇。
吳教授十分榮幸能夠參與國家的火星探測任務，並貢獻力量。他說：「『天問一號』火星探測任務是一個龐大的工程，是成千上萬人的努力成果，我們只是當中的一顆『螺絲釘』。過去幾個月，我的每一位團隊成員為這個項目全力以赴，日以繼夜工作，精益求精，沒有因為時間緊迫而對準確度和工作中的細節讓步，最終我們在限時內完成任務。」
火星相機輕巧堅固 成功抵受極端環境
理大工業及系統工程學系鍾士元爵士精密工程教授、精密工程講座教授及副系主任容啟亮教授研發精密太空儀器的經驗豐富。容教授自2017年起率領團隊，就「火星相機」進行研究、設計及製造。有賴整個團隊努力不懈，以及大學的支持，理大團隊在不到三年內，成功研製並交付火星相機，並通過多項相關的太空驗證。
理大的「火星相機」搭載於著陸器外層平台上，以監視着陸情況、火星的周遭環境，以及降落火星後巡視器「祝融」的操作狀態，包括太陽翼的打開及天線的狀況。這些資訊對掌握巡視器能否在火星表面成功巡視至關重要。
「火星相機」重量輕巧（約390克），然而外殼十分堅固，以抵受穿梭地球與火星超過9個月的旅程期間，出現約攝氏150度的極端溫差，及後須能在火星表面極低溫的環境下運作，並要承受相等於地球地心吸力6200倍的衝擊。此外，「火星相機」須具備廣闊測量視野（水平視野範圍達到120度，對角線視野範圍達到170度），同時顯著減低圖像變形的程度。
容教授解釋︰「為了拍攝超廣闊的圖像及影片作科學研究之用，火星相機須輕巧，並具備廣角拍攝及可控的影像變形，同時要在有限的重量內能抵受極大的衝擊力。此外，相機須在長時間的太空旅程中克服極端溫差、輻射、機械振動等挑戰，最後仍保持十分高的穩定性。」
容教授對於理大研發的「火星相機」能在地球前往火星的長途旅程中保持完好，感到如釋重負。「得悉天問一號成功着陸火星，我和我的團隊非常興奮。從國家航天局日前公布的圖片中，我很高興看到我們的『火星相機』狀態良好。期待理大的火星相機拍攝到火星的壯麗景色以及火星車打開及運行的情況。」
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