2020年世界火星探測概覽

龐之浩 高開源（北京神舟航天文化創(chuàng)意傳媒有限責(zé)任公司）

2020年是火星探測器的發(fā)射窗口，為此，有3個(gè)國家的火星探測器于7月下旬相繼升空，即阿聯(lián)酋的希望號(hào)（Hope）、中國的天問一號(hào)、美國的“火星2020”（Mars 2020）火星探測器，從而在全球掀起了空前的火星探測新高潮。

1 探火方式精彩紛呈

火星是太陽系中與地球最相似且距離第二近的行星，因此成為目前除地球以外人類研究程度最高的行星。人類用空間探測器對(duì)火星進(jìn)行探測的歷史幾乎貫穿整個(gè)人類航天史，因?yàn)樘綔y火星，了解火星起源和演化，有助于人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地球和太陽系的形成和演化，預(yù)測地球的未來變化趨勢。

人類探測火星的方式與探測月球的方式基本相似，包括環(huán)繞探測、著陸探測、巡視探測、采樣返回探測和載人登陸探測等,早期還有飛越式探測。其中，采用環(huán)繞探測方式是對(duì)火星進(jìn)行全球性綜合普查；采用著陸探測和巡視探測方式是對(duì)火星進(jìn)行區(qū)域性細(xì)致詳查；采用采樣返回探測和載人登陸探測方式是對(duì)火星進(jìn)行區(qū)域性深入精查。但它們按前后順序來說技術(shù)難度是越來越大，所以一般都采用循序漸進(jìn)的方針。

與月球探測相比，由于火星距離地球比月球遙遠(yuǎn)得多，探測火星的難度也比探測月球的難度大得多。因此，至今人類對(duì)火星的探測只采用過環(huán)繞探測、著陸探測和巡視探測方式，未來的目標(biāo)是對(duì)火星進(jìn)行采樣返回探測和載人登陸探測，但難度、投資和風(fēng)險(xiǎn)都將很大。

值得關(guān)注的是，通過一次發(fā)射采用多種探測方式、完成多種探測任務(wù)的好處是可以“少花錢，多辦事”，但技術(shù)復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)很大，所以一般很少采用。目前，只有美國的海盜－1、2（Viking－1、2）火星探測器成功實(shí)現(xiàn)了通過一次發(fā)射完成環(huán)繞和著陸兩項(xiàng)探測任務(wù)。歐洲曾進(jìn)行過2次類似的火星探測活動(dòng)，但都只完成了環(huán)繞探測，而著陸探測均告失敗。我國2020年發(fā)射的天問一號(hào)火星探測器，將通過一次發(fā)射完成環(huán)繞、著陸、巡視三項(xiàng)任務(wù)，這在人類的火星探測史上是前所未有的，起點(diǎn)很高，風(fēng)險(xiǎn)也很大。

探測火星需要突破火星環(huán)境不確定性分析及地面模擬驗(yàn)證、火星進(jìn)入氣動(dòng)外形與防熱、火星進(jìn)入大帆面降落傘、火星表面高精度軟著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)控制、火星表面長期生存和移動(dòng)技術(shù)、火星自主導(dǎo)航管理與控制、行星際測控通信等關(guān)鍵技術(shù)。

2 阿聯(lián)酋的希望所在

阿聯(lián)酋的首個(gè)火星探測器希望號(hào)也是阿拉伯國家首個(gè)深空探測器。它是由美國提供技術(shù)支持研制的，如同一顆火星的氣象衛(wèi)星用于全面探測火星大氣，研究火星氣候變化、低空天氣變化、沙塵暴預(yù)報(bào)等。

2020年7月20日，阿聯(lián)酋希望號(hào)火星探測器率先使用日本H－2A火箭發(fā)射升空。

希望號(hào)有三大科學(xué)探測目標(biāo)：一是觀測火星低層大氣，研究火星氣候動(dòng)力學(xué)和火星全球的天氣；二是比較火星低層大氣和高層大氣，從而解釋火星上的氫和氧是如何流失的；三是探測火星高層大氣中氫和氧的結(jié)構(gòu)變化，并確定火星失去氫與氧的機(jī)理。

阿聯(lián)酋希望號(hào)火星軌道器飛行示意圖

希望號(hào)火星探測器為箱式(近似立方體)，設(shè)計(jì)壽命為2年，可能再進(jìn)行為期2年的擴(kuò)展任務(wù)。探測器上裝有2副太陽電池翼，翼展7.9m，總功率600W，探測器的額定功率為477W；裝有一個(gè)直徑1.85m的碟形高增益定向天線和3個(gè)低增益非定向天線，采用X頻段通信；裝有6臺(tái)用于軌控的120N推力器和8臺(tái)用于姿控的5N推力器。

希望號(hào)上有3臺(tái)探測火星大氣的科學(xué)有效載荷：“阿聯(lián)酋探索成像儀”（EXI），“阿聯(lián)酋火星紅外光譜儀”（EMIRS），“阿聯(lián)酋火星紫外光譜儀”（EMUS）。

希望號(hào)將于2021年初接近火星，減速后進(jìn)入為期近3個(gè)月的“捕獲軌道階段”，并進(jìn)行檢測科學(xué)載荷和初步觀測。在此軌道上，EXI將拍攝第一張火星圖像，并回傳至地面。然后經(jīng)過約6周的測試和調(diào)整，進(jìn)入最終的目標(biāo)軌道。這個(gè)軌道是進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)的，使探測器能夠進(jìn)行全火星成像。

此后，希望號(hào)將拍攝火星全球大氣圖，在火星高軌道上同時(shí)觀測火星低層和上層大氣，獲取火星大部分表面在一天的大部分時(shí)間內(nèi)的影像，研究火星低層和上層大氣的相互作用關(guān)系，并搜尋現(xiàn)在的和遠(yuǎn)古的火星氣候之間的聯(lián)系。它還將研究火星低層大氣的變化情況、上層大氣中氫和氧的逃逸情況等，以揭示原本火星表面可維持液態(tài)水存在的大氣濃密在幾十億年的時(shí)間內(nèi)變得稀薄的原因。

地面控制中心與希望號(hào)的通信每周兩次，每次6～8h。其探火數(shù)據(jù)超過1000GB，阿聯(lián)酋將與全球200多家大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)免費(fèi)分享這些數(shù)據(jù)，這將為科學(xué)家構(gòu)建火星大氣全息模型提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)。

3 天問一號(hào)“一舉三得”

我國火星探測計(jì)劃是中國航天局第一個(gè)火星探測計(jì)劃，于2016年1月11日正式立項(xiàng)，2020年4月24日被正式命名為天問一號(hào)，是中國行星探測工程的首次任務(wù)，它將深化中國人對(duì)火星乃至太陽系的科學(xué)認(rèn)知，推進(jìn)比較行星學(xué)等重大問題的研究。

概述

天問一號(hào)將通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三項(xiàng)任務(wù)，用環(huán)繞器對(duì)火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測，用巡視器對(duì)有科研價(jià)值的局部地區(qū)開展高精度、高分辨率的詳細(xì)調(diào)查。這在人類火星探測史上是前所未有的。采用這種“一舉三得”的探火方式，起點(diǎn)高，效益高，但挑戰(zhàn)大。如果成功了，將使我國深空探測能力和水平實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為世界第3個(gè)在火星著陸的國家，第2個(gè)在火星巡視的國家。從科學(xué)上講，天問一號(hào)是對(duì)火星形態(tài)、地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、空間環(huán)境、土壤和水冰分布等進(jìn)行研究的最全面的任務(wù)，這有利于建立起對(duì)火星全面而基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)。

天問一號(hào)火星探測器飛向火星示意圖

2020年7月23日，我國用長征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭發(fā)射了我國首個(gè)火星探測器。這是長征五號(hào)系列運(yùn)載火箭首次應(yīng)用性發(fā)射，將探測器直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道。天問一號(hào)將于2021年2月左右到達(dá)火星軌道，其著陸巡視器組合體將在探測器到達(dá)約2～3個(gè)月后，在火星表面進(jìn)行軟著陸，候選著陸點(diǎn)為烏托邦平原（Utopia Planitia）。

天問一號(hào)的工程目標(biāo)：突破火星制動(dòng)捕獲、進(jìn)入/下降/著陸（EDL）、長期自主管理、遠(yuǎn)距離測控通信、火星表面巡視等，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測和巡視探測,獲取火星探測科學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)我國在深空探測領(lǐng)域的技術(shù)跨越。

天問一號(hào)的科學(xué)目標(biāo)有5個(gè)：

一是研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征。探測火星全球地形地貌特征，獲取典型地區(qū)的高精度形貌數(shù)據(jù)，開展火星地質(zhì)構(gòu)造成因和演化研究，繪制火星形態(tài)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖。

二是調(diào)查火星表面土壤特征與水冰分布。探測火星土壤種類、風(fēng)化沉積特征和全球分布，搜尋水冰信息，開展火星土壤剖面分層結(jié)構(gòu)研究。

三是分析火星表面物質(zhì)組成。識(shí)別火星表面巖石類型，探查火星表面次生礦物，開展表面礦物組成分析。

四是測量火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征。探測火星空間環(huán)境及火星表面氣溫、氣壓、風(fēng)場，開展火星電離層結(jié)構(gòu)和表面天氣季節(jié)性變化規(guī)律研究。

五是探索火星物理場（電磁場、引力場）與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，探測火星磁場特性。開展火星早期地質(zhì)演化歷史及火星內(nèi)部質(zhì)量分布和重力場研究。

天問一號(hào)火星探測器組成

我國首次火星探測任務(wù)由工程總體和探測器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場、測控、地面應(yīng)用五大系統(tǒng)組成。其中，天問一號(hào)火星探測器由環(huán)繞器、著陸巡視器（進(jìn)入艙和火星車）組成，總質(zhì)量約5t（含燃料）。

（1）環(huán)繞器

質(zhì)量3.6t左右（燃料質(zhì)量占總質(zhì)量的大部分）的環(huán)繞器，設(shè)計(jì)壽命1個(gè)火星年（687個(gè)地球日），采用“外部六面柱體+中心承力錐筒”構(gòu)型，滿足5個(gè)飛行階段和11種飛行模式的設(shè)備布局需求。它主要完成地火轉(zhuǎn)移、火星制動(dòng)捕獲、軌道調(diào)整等任務(wù)，為火星車提供3個(gè)月的中繼支持服務(wù)，通過攜帶的科學(xué)載荷對(duì)火星開展約1個(gè)火星年的科學(xué)探測，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星全球普查和局部詳查。

環(huán)繞器具備三大功能：飛行器、通信器和探測器。需克服飛行時(shí)間長、面臨環(huán)境差、控制要求高和空間動(dòng)作繁多四大困難。涉及5個(gè)主要環(huán)節(jié)：地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、離軌著陸、中繼通信和科學(xué)探測。

地火轉(zhuǎn)移段：環(huán)繞器需要進(jìn)行4～5次中途修正和1次深空機(jī)動(dòng)修正飛行路徑，飛過超過4.0×108km的路徑，才能逐漸飛近火星；火星捕獲段：發(fā)射約200天后，探測器將被火星捕獲，此時(shí)距離地球近1.93×108km，通信時(shí)延約11min；離軌著陸段：進(jìn)入捕獲軌道后，環(huán)繞器將調(diào)整至停泊軌道，將擇機(jī)降軌釋放著陸器，著陸器分離后環(huán)繞器再抬軌回到停泊軌道；中繼通信段：環(huán)繞器將再次進(jìn)入中繼軌道，為地球與著陸器提供為期3個(gè)月的中繼通信服務(wù)；科學(xué)探測段：中繼任務(wù)結(jié)束后，環(huán)繞器將再次進(jìn)行降軌進(jìn)入科學(xué)探測軌道，對(duì)火星軌道空間、火星表面開展科學(xué)探測。

其主要科學(xué)任務(wù)：拍攝中國首張火星全景圖；探測火星土壤類型分布和結(jié)構(gòu)，探測火星表面和地下水冰；探測火星地形地貌特征及其變化；調(diào)查和分析火星表面物質(zhì)成分；分析火星大氣電離層并探測行星際環(huán)境。

為此，環(huán)繞器攜帶了7臺(tái)科學(xué)儀器：

1）中分辨率相機(jī)，用于獲取火星全球遙感影像圖。

2）高分辨率相機(jī)，用于對(duì)著陸區(qū)和高科學(xué)價(jià)值區(qū)域成像。

3）次表層雷達(dá)，用于開展火星表面次表層結(jié)構(gòu)、極地區(qū)冰層探測。

4）礦物光譜分析儀，用于探測火星表面的礦物種類、含量和空間分布情況。

5）磁強(qiáng)計(jì)，用于探測火星空間磁場環(huán)境。

6）離子與中性粒子分析儀，用于對(duì)太陽風(fēng)以及火星空間離子和中性粒子的能量、通量和成分進(jìn)行測量。

7）能量粒子分析儀，用于獲取火星空間環(huán)境中能量粒子的能譜通量和元素成分?jǐn)?shù)據(jù)。

（2）火星車

火星車約240kg，質(zhì)量幾乎是玉兔號(hào)月球車的2倍，用于在著陸區(qū)開展巡視探測，設(shè)計(jì)工作壽命92個(gè)地球日。其主要科學(xué)任務(wù)：探測火星巡視區(qū)表面元素、礦物和巖石類型；探測火星巡視區(qū)土壤結(jié)構(gòu)并探查水冰；探測火星巡視區(qū)大氣物理特征與表面環(huán)境，探測火星巡視區(qū)形貌和地質(zhì)構(gòu)造。

為此，火星車攜帶6臺(tái)科學(xué)儀器：

1）導(dǎo)航/地形相機(jī)，用于為火星車提供導(dǎo)航和定位依據(jù)，獲取著陸區(qū)及巡視區(qū)高分辨率三維圖像。

2）多光譜相機(jī)，用于探測火星表面物質(zhì)類型分布，獲取巡視區(qū)可見、近紅外波段的圖像。

3）次表層雷達(dá)，用于探測巡視區(qū)次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

4）表面成分探測儀，用于獲取紫外至近紅外譜段的高分辨率光譜特征信息。

5）表面磁場探測儀，用于探測巡視區(qū)局部磁場。

6）氣象測量儀，用于探測巡視區(qū)環(huán)境氣溫等氣象環(huán)境。

火星探測實(shí)施步驟

探測任務(wù)飛行過程包括發(fā)射、地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學(xué)探測等幾個(gè)階段。具體實(shí)施步驟如下：

1）用長征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭將天問一號(hào)送入地火轉(zhuǎn)移軌道。

2）器箭分離后，探測器太陽電池翼和定向天線相繼展開，在測控系統(tǒng)支持下，飛行約7個(gè)月抵達(dá)環(huán)火軌道，其間進(jìn)行深空機(jī)動(dòng)和中途修正。

3）進(jìn)入環(huán)火軌道并經(jīng)過制動(dòng)后，天問一號(hào)通過2～3個(gè)月的環(huán)繞飛行后首選進(jìn)入窗口，其間在著陸區(qū)上空對(duì)著陸區(qū)開展探測。

4）探測器擇機(jī)實(shí)施降軌機(jī)動(dòng)，著陸巡視器與環(huán)繞器分離。環(huán)繞器升軌返回到停泊軌道，為著陸過程提供中繼通信；著陸巡視器進(jìn)入火星大氣，依次完成配平翼展開、降落傘開傘、大底分離、背罩分離、動(dòng)力減速、懸停、避障及緩速下降、著陸緩沖等動(dòng)作，著陸于火星表面。

5）著陸后，火星車與著陸平臺(tái)解鎖分離?；鹦擒囻傠x著陸平臺(tái)，開始巡視探測。著陸巡視器安全著陸后，環(huán)繞器進(jìn)入中繼軌道，為火星車提供中繼通信并兼顧科學(xué)探測。火星車完成探測任務(wù)后，環(huán)繞器進(jìn)入使命軌道，開展火星全球遙感探測，兼顧火星車擴(kuò)展任務(wù)中繼通信。

我國火星著陸區(qū)在火星5°（N）～30°（N）。從光照考慮，火星赤道附近好，但地形復(fù)雜。另外，由于登陸火星99%以上減速是靠大氣，因此著陸點(diǎn)海拔越低減速時(shí)間越長，著陸越安全。

測控

測控系統(tǒng)由北京航天飛行控制中心、運(yùn)載火箭測控系統(tǒng)、中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、近地航天測控網(wǎng)、深空測控網(wǎng)、甚長基線干涉測量（VLBI）測軌分系統(tǒng)和國際聯(lián)網(wǎng)站組成。其中，深空測控網(wǎng)包括佳木斯66m直徑天線測控站，喀什和阿根廷各有一個(gè)35m直徑天線測控站等。

2020年7月27日，天問一號(hào)探測器在飛離地球約1.2×106km處，利用環(huán)繞器上的光學(xué)導(dǎo)航敏感器拍攝到了地月合影。8月2日，天問一號(hào)在距地球3.0×106km，飛行230h，3000N發(fā)動(dòng)機(jī)工作20s，完成第一次軌道中途修正。

我國還計(jì)劃在2028年左右進(jìn)行第二次火星探測任務(wù)，采集火星土壤返回地球。

天問一號(hào)拍攝的地月合影

4 毅力號(hào)將繼續(xù)在火星上尋找生命

經(jīng)過多次推遲，美國于2020年7月30日發(fā)射“火星2020”探測器，它由巡航級(jí)、下降級(jí)、減速器和毅力號(hào)（Perseverance）火星車等部件組成，最后只有毅力號(hào)火星車降落在火星表面。

毅力號(hào)火星車計(jì)劃2021年2月18日在火星杰澤羅隕環(huán)形山（Jezero Crater）著陸，那里在35億年前存在湖泊，可能是一個(gè)尋找生命跡象的好地方。它將至少工作1個(gè)火星年，通過收集火星的第一批樣本，并在未來的任務(wù)將這些樣本送回地球，為載人登陸火星鋪平道路。該項(xiàng)目耗資24.4億美元。

毅力號(hào)火星車是在好奇號(hào)（Curiosity）火星車的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，但整個(gè)系統(tǒng)也采用了多項(xiàng)新技術(shù)，例如，用地形相對(duì)導(dǎo)航（TRN）裝置使火星車在進(jìn)入火星大氣層避開危險(xiǎn)的地形；用距離觸發(fā)器（RT）提高打開降落傘的時(shí)間精度；機(jī)械臂有較大改進(jìn)，“手”更大，裝有采集鉆頭、儀器和相機(jī)，其中用于對(duì)火星巖石和土壤樣本取芯的鉆機(jī)，能挑選放入未來樣品緩存系統(tǒng)的巖石樣品，并把這些樣品收集、存儲(chǔ)在火星表面的金屬管內(nèi)存放于預(yù)定地點(diǎn)，以便以后的火星車找到并帶回地球進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)分析，這是首次采用這一技術(shù)；火星車內(nèi)有一處專門裝樣品和鉆頭等的內(nèi)部寄存地；其車輪設(shè)計(jì)有較大的改進(jìn)，性能和安全性有明顯提高，擬行駛5～20km。

毅力號(hào)將主要通過研究地形尋找古代生命存在過的印記。由于科學(xué)目標(biāo)與好奇號(hào)有很大的不同，因此裝了7臺(tái)新的科學(xué)儀器，使毅力號(hào)火星車有四大“絕活”：

一是將收集30塊內(nèi)部巖石和土壤（風(fēng)化層）的樣本，然后放置在火星表面上，未來將發(fā)射探測器把樣本帶回地球。

二是裝有23臺(tái)相機(jī)（好奇號(hào)有17臺(tái)相機(jī)），堪稱歷史之最。除工程相機(jī)和避險(xiǎn)相機(jī)外，還有可實(shí)現(xiàn)彩色成像、三維成像、微距成像、發(fā)射紫外激光等一系列復(fù)雜功能的相機(jī)，將提供更多高分辨率、色彩鮮明的3D圖像，這對(duì)探測火星地質(zhì)特征和潛在樣本非常有利。

三是攜帶了火星氧元素原位資源利用實(shí)驗(yàn)儀，可以將占火星大氣約96%的二氧化碳變?yōu)檠鯕夂鸵谎趸?，氧氣?duì)于探索火星的航天員至關(guān)重要。

四是攜帶一架小型無人駕駛直升機(jī)機(jī)智號(hào)（Ingenuity），可前往漫游車難以到達(dá)的地區(qū)或生物敏感地區(qū)進(jìn)行區(qū)域勘探。

美國機(jī)智號(hào)微型火星直升機(jī)概念圖