2020-05-29 20:34:23                 
“天问一号”是我国首个火星探测任务，一次实现“绕、落、巡”三大任务，并且任务重点比美国的好奇号更进一步，重点包括发现当前和以前的火星生命，以及行星的表面和环境，是人类航空史上史无前例的壮举，做到一次发射就超越到火星探测任务第一的位置。

天问一号的取名来自于屈原长诗“天问”，该诗一共提出了一百七十多个问题，其中天文方面三十问，地理方面四十二问，历史方面多达九十五问，可谓包罗万象。“天问”行星探测任务的命名，表达了中华民族对真理追求的坚韧与执著，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技不断创新永无止境。





为何我国第一次火星探测任务就要高起点高难度？
我国天问一号首次探测火星，就要实现“绕、落、巡”三大任务，开创了世界航空史的先例，为何第一次发射就要高起点高难度，一步一步来不是更好吗？主要是三个原因造成的。


图表：我国火星探测任务正式立项，2020年发射首个火星探测器。（新华社记者 陈琛 编制）


技术的进步
我国在嫦娥和玉兔探月工程里已经积累相当多的经验，天问系列吸取了探月工程的经验，同时我国航天技术也取得了长足的进步，有信心和能力一次实现火星探测的“绕、落、巡”三大任务。同时，我国于2019年11月15日在河北省怀来县成功测试火星着陆器，该着陆器在模拟低重力下降过程中成功避开地面障碍物，技术储备均已完成。


中国探测器在火星低重力环境下悬停进行的试验（图源：中国青年报）


火星发射时间窗口太宝贵
由于地球和火星的相对位置在不断变化中，为了让探测器顺利抵达火星，每26个月才有一次发射窗口。为了节省燃料和推力，要从地球上去往火星，必须通过一条叫做“霍曼转移轨道”的椭圆形轨道飞行。航天器发射升空后，先在地球附近加速，进入霍曼转移轨道，再在火星附近减速，被火星捕获。深空航天器通过霍曼转移轨道从地球到火星轨道的飞行时间是固定不变的，因此航天器发射时，火星和地球的相对位置必须要使航天器到达转移轨道的远日点时，火星刚好在那里“等待”航天器的到来。这样的发射时机，大约每26个月才会出现一次。错过之后，就必须等待下一次发射窗口。

我国火星探测器失败过一次，时间上耗不起
“天问一号”并非我国第一颗火星探测器，2011年11月我国曾将一颗“萤火一号”火星探测器搭载在俄罗斯福布斯-土壤号上，一起奔向火星。然而由于火箭未能成功变轨，2012年1月遗憾坠毁于太平洋。当时的“萤火一号”是个小不点，长、宽各约75厘米，高60厘米，重只有大约115公斤，所以用“萤火一号”命名倒也恰如其分。


萤火一号全貌（图源：中国航天局）


由于“萤火一号”的失败，我国的火星探测任务被印度后来居上，印度2013年发射的火星探测器成功了，成为第一个成功的亚洲国家。所以我国此次“天问一号”之所以选择高起点高难度，就是要一次将所有的课都补上，同时占领火星探测的最高峰。

为何选择火星
首先，火星是我们能够看到的五颗行星之一。在金、木、水、火、土这五颗行星当中，金星跟火星跟地球相对比较近，但是金星周围包含着一层厚厚的大气看不清它的表面。尽管现在我们知道金星其实跟地球更为接近，它的大小跟地球更为接近，而火星的直径其实差不多是地球直径的一半，所以它要小非常多，但是火星的大气要薄很多，所以我们可以直接看到它表面的各种状况，这为我们可以有目的的探测火星创造了良好条件。

我们现在知道有可能火星另外还具有一些其他的跟地球很接近的特性。火星有四季的变化。金星上就没有这种变化。


地球和火星尺寸对比（图源：NASA）


另外火星处于太阳系之内的宜居区的最外边缘。宜居区是在过去二十多年地外生命探测的过程中提出来的，也就是说在这个范围之内有可能会有生命的存在。而且美国的MRO(Mars Reconnaissance Orbiter 火星勘测轨道飞行器)的卫星发现了液态水的存在，这为下一步探寻火星的水和生命开启了新的大门。

现在科学界内大体有一个认识，在三四十亿年前，火星之上应该是充满着大量的液态水的，但是后来因为大气的蒸发，慢慢的没有足够的压力来维持这种液态水，以及温度的变化，就导致整个表面的水蒸发掉了,通过研究火星我们有可能可以预见到地球几十亿年以后的命运。

天问一号的任务和携带的科学测量仪器
天问一号任务的重点包括发现当前和先前的生命，以及评估行星的表面和环境。对火星轨道飞行器和火星探测器的单机或者两者的联合探索将产生火星表面地形图，土壤特征，物质组成，水冰，大气层，电离层场以及其他科学数据。


天问一号火星探测器（图源：中国航天局）

天问一号巡视器（图源：中国航天局）

天问一号着陆器（图源：中国航天局）


天问一号轨道飞行器和火星探测器将总共携带12台仪器：
轨道飞行器

中分辨率相机（MRC），在400 km的轨道上分辨率为100M

高分辨率相机（HRC），在400 km的轨道上具有2M的分辨率

火星磁力仪（MM）

火星矿物光谱仪（MMS），以确定元素组成

轨道器地下雷达（OSR）

火星离子和中性粒子分析仪（MINPA）

火星探测器

探地雷达（GPR），可在火星表面以下成像约100 m（330 ft）

火星表面磁场探测器（MSMFD）

火星气象测量仪（MMMI）

火星表面化合物探测器（MSCD）

多光谱相机（MSC）

导航和地形相机（NTC）

三大任务如何完成
据任务工程总设计师介绍，探测器与火箭分离后，它将在太空中巡航飞行近7个月，才能被火星捕获。环绕器环绕火星飞行后，要与着陆巡视器分离，进入任务使命轨道，开展对火星全球环绕探测，同时为着陆巡视器开展中继通讯，接着，着陆巡视器进入火星大气后，通过气动外形减速、降落伞减速、反推发动机动力减速、多级减速、着陆反冲后，软着陆在火星表面，开始火星表面巡视探测。

具体来说在飞行过程中，探测器总体上要经过两次加速：一次加速摆脱地球进入地火转移轨道，另一次加速赶上火星环绕太阳轨道。由于火星引力加速的影响，为切入环绕火星的轨道，探测器反而需要减速制动。

探测器达到火星附近后，需要被火星引力俘获。相比较地球而言，火星只是个小不点，质量仅有地球的10.7%，引力影响范围很小，这要求探测器必须精准切入环绕火星轨道。同时，必须拥有强大的变轨能力，能完成改变轨道、大幅增加燃料需求。

为给着陆器留足着陆窗口，探测器需要整体切入环绕火星轨道，再让着陆器择机着陆，这个入轨难度进一步提升。


一次标准的霍曼转移轨道（图自：《下一站火星》）


中国首次火星探测任务工程探测器系统总设计师、中国航天科技集团公司研究员孙泽洲表示，由于远距离数据传输的大时延，要求火星车必须具有很高的自主能力。同时，火星光照强度小，加上火星大气对阳光的削减作用，火星车能源供给也比月球车更为困难。火星车为规避火星极端天气的影响将设置自主休眠和自主唤醒功能，可工作3个火星月，相当于地球上的92天。届时，火星车上携带的6台科学载荷，可对大家关注的科学问题开展探测，特别是这次还携带了大气环境测试仪，可能获得老百姓听得懂且很关注的信息。比如，此时此刻火星上温度是多少，有没有风，风力是多少等等。

首次火星探测要探什么
中国火星探测任务工程总设计师张荣桥介绍，主要有5件事。

第一是照相，这是最基本的工作，去了总得看看是什么样。

第二是测物质、测元素，火星表面有什么物质，这些物质的构成成分是什么?在我们的环绕器上装备了多光谱相机，在我们着陆器上装备了匀速的分析仪。

第三是测环境，我们的环绕器和火星车，应该说这个仪器数量还是最多的，电的、磁的、高能的、中性的这些仪器都装配了。

第四是看看它的内部，当然不可能到更深，只是浅层的地质结构的情况，这也是大家关注的。火星地底下分层结构怎么样，到底有没有水冰的存在等等。因此我们在环绕器和火星车上面都配置了测表层的探测雷达，希望这个方面有所收获。

第五，最后一件事，就是看看气象是个什么样子。大家关注火星上有沙尘暴，火星上的温度变化到底怎么样，这次我们在火星车上配置了一个叫火星气象测量仪，我们能测风、能测温、能测气压，还能听听火星上的声音到底什么样。





火星任务被认为是最复杂的太空任务之一，愿我们的“天问一号”火星探测器能够成功进入轨道，并最终成功登陆火星表面。

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