天問一號探火3年的高光時刻

龐之浩

2023 年7 月23 日是我國成功發(fā)射首個火星探測器天問一號3 周年的日子。在這3 年里，天問一號實現(xiàn)了工程和科學兩個領域的雙豐收，超額完成了既定任務。

“一舉三得”創(chuàng)奇跡

2020年7月23日，我國天問一號火星探測器升空，此后經(jīng)過202天的飛行，于2021年2月10日成功進入火星軌道。2021年5月15日，其著陸巡視器成功在火星表面著陸；2021年5月22日，祝融號火星車安全駛離著陸平臺，到達火星表面，開始巡視探測；2021年6月11日，國家航天局公布了祝融號火星車著陸火星后拍攝的首批科學影像圖，這標志著我國首次火星探測任務取得圓滿成功。

這是我國行星探測工程的首次任務，實現(xiàn)了通過一次發(fā)射完成火星環(huán)繞、著陸和巡視3個目標，這在世界火星探測史上前所未有。這種“一舉三得”的探火方式，具有起點高、效益高、挑戰(zhàn)大的特點。其成功使我國的深空探測能力和水平實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，成為世界上第三個完成火星著陸的國家、第二個實現(xiàn)火星巡視的國家。

天問一號由環(huán)繞器、著陸巡視器組成，其中著陸巡視器又由進入艙和火星車組成，進入艙用于完成火星進入、下降和著陸任務。天問一號總質量約5噸（含燃料），其中環(huán)繞器3.6噸，祝融號火星車240千克，剩下的就是進入艙的質量。

環(huán)繞探測建奇功

天問一號的環(huán)繞器設計壽命為1個火星年（合687個地球日）。它攜帶著陸巡視器前往火星，主要完成地火轉移、火星制動捕獲、軌道調整等任務，為火星車提供3個月的數(shù)據(jù)中繼支持服務，并通過攜帶的科學載荷對火星開展約1個火星年的科學探測，實現(xiàn)對火星的全球普查和局部詳查。

環(huán)繞器的主要科學任務是：拍攝中國首張火星全圖；探測火星土壤類型分布和結構；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；調查和分析火星表面物質成分；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臺科學儀器：中分辨率相機，用于獲取火星全球遙感影像圖；高分辨率相機，用于著陸區(qū)和高科學價值區(qū)域成像；次表層雷達，用于開展火星表面次表層結構和極地區(qū)冰層的探測；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；磁強計，用于探測火星空間磁場環(huán)境；離子與中性粒子分析儀，用于測量太陽風以及火星空間離子和中性粒子的能量、通量和成分；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、通量和元素成分數(shù)據(jù)。

環(huán)繞器目前仍在火星軌道“超期服役”，以獲得更多的科學成果。

技高一籌游火星

環(huán)繞器的主要探測任務是對火星進行全球性、綜合性的普查，而祝融號火星車的主要探測任務是對有科研價值的局部地區(qū)開展高精度、高分辨率的詳細調查。祝融號高1.85米，重約240千克，用于在著陸區(qū)開展巡視探測，設計工作壽命3個火星月（合92個地球日）。

其主要科學任務是：探測火星巡視區(qū)表面元素、礦物和巖石類型；探查火星巡視區(qū)土壤結構并探查水冰；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)形貌和地質構造。

為此，祝融號攜帶了6臺科學儀器：導航/ 地形相機，為火星車提供導航和定位依據(jù)，獲取著陸區(qū)及巡視區(qū)高分辨率三維圖像；多光譜相機，用于探測火星表面物質類型分布；次表層雷達，用于探測巡視區(qū)次表層地質結構；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；表面磁場探測儀，用于探測巡視區(qū)局部磁場；氣象測量儀，用于探測巡視區(qū)環(huán)境氣溫等氣象環(huán)境。

獲取能源有新招

由于遠離太陽， 火星表面的陽光強度只有地球上的40%，所以火星車需要更大、更高效的太陽翼。為此，我國火星車采用了新穎的四展方案?；鹦擒嚿系?片太陽翼展開后，火星車就像一只藍色蝴蝶。

祝融號主要靠太陽翼發(fā)出的電能工作。但到了夜晚，祝融號只能利用儲存的電能繼續(xù)工作，因為其太陽翼的光電轉換電能效率為30%，所以光靠太陽翼是不能滿足電能需求的。

為此，祝融號頂部裝備了一種像雙筒望遠鏡的集熱窗，它可以直接吸收太陽能，利用一種叫正十一烷的物質儲存能量?；鹦前滋鞙囟壬邥r，這種物質吸熱融化；晚上溫度下降后，這種物質在凝固的過程中釋放熱能。這種能量轉換方式的效率可以達到80% 以上。

保溫采用黑科技

火星夜晚的氣溫能夠降到零下（攝氏度），且不同緯度、不同季節(jié)的夜晚氣溫不同，最冷時能達到-100℃。因此，在夜晚必須為火星車保溫。

祝融號采用了一種新型隔熱保溫材料——高性能納米氣凝膠，來應對火星上極熱和極寒兩種嚴酷環(huán)境。納米氣凝膠是世界上最輕的固體，也是導熱系數(shù)最低的固體，其導熱系數(shù)僅為靜止空氣的1/2。

超低密度納米氣凝膠隔熱板， 可用于阻隔火星表面低至-120℃的極寒環(huán)境，也能阻隔著陸發(fā)動機產生的高達1200℃的高溫熱流，而其密度僅為常規(guī)納米氣凝膠的1/10。

排除萬難落火星

天問一號火星探測任務的實施包括發(fā)射、地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學探測6個階段，其中最難的是著陸巡視器從火星軌道離軌著陸。

天問一號在距離火星約220萬千米處創(chuàng)新性地“玩”了一次自拍。它采用“分離式監(jiān)測方案”，即在合適的光照條件下“拋”出一個輕型相機對自己進行拍攝，并實時把圖像傳到探測器上，再傳回地球。

2021年5月15日凌晨2時許，天問一號在火星停泊軌道上進入著陸窗口，隨后實施了降軌機動，以及環(huán)繞器與著陸巡視器的分離。著陸巡視器運行到距離火星表面125千米高度時進入火星大氣，依次完成配平翼展開、超聲速降落傘開傘、大底分離、背罩分離、動力減速、懸停、避障及緩速下降、著陸緩沖等動作后，最終在火星表面軟著陸。

著陸后，祝融號與著陸平臺解鎖分離。2021年5月22日10時40分，祝融號駛離著陸平臺，到達火星表面，開始巡視探測。

簡單地說，著陸巡視器的具體著陸過程也可分為以下4個階段：一是氣動減速段，即靠火星大氣的阻力，將其速度從4.8千米/秒降到460米/秒；二是傘降減速段，即利用降落傘帶來的阻力，將其速度由460米/秒降到95米/秒；三是動力減速段，即用大推力發(fā)動機反推，將其速度減小到3.6米/秒；四是著陸緩沖段，即通過著陸巡視器上4個著陸腿的緩沖作用，實現(xiàn)在火星表面軟著陸。

由于地火距離非常遙遠，使得地火通信延時單程超過20分鐘。所以在整個“落火”過程中，著陸巡視器和地面指揮部處于“失聯(lián)”狀態(tài)。著陸巡視器進入火星大氣后要在9分鐘內自主完成10多個動作，每個動作都必須一氣呵成，不容有半點兒差錯。我國著陸巡視器一舉獲得了成功。

精心選擇著陸點

為火星探測器選擇一個合適的著陸點也不是一件容易的事情。它必須滿足兩個最基本的條件：一是在工程上可實施，二是在科研上有價值。經(jīng)過綜合考慮多種因素，我國火星著陸區(qū)定在了火星北緯5°～30°的烏托邦平原。

烏托邦平原比較平坦，陽光照射條件比較好。另外，烏托邦平原很可能是火星遠古海洋的所在地，在那里著陸，有利于探索和研究火星上是否存在生命這一當前火星探測的熱門問題，所以有很高的科學價值。

另外，我國火星車采用太陽能電池供電，所攜帶的用于導航和檢測障礙的光敏感器也需要較好的光照條件。選擇著陸在緯度小于30°的烏托邦平原，是因為那里陽光充足，晝夜溫差較小，有利于祝融號工作。

由于火星距離地球遙遠，而傳輸信號的強度與距離的平方成反比，天線的直徑和探測距離成正比，所以必須使用天線直徑很大的地面深空測控網(wǎng)。

我國深空測控網(wǎng)由佳木斯深空測控站、喀什深空測控站，以及我國首個海外深空測控站阿根廷深空測控站組成。另外，我國主反射面直徑70米的高性能接收天線已于2021年2月在天津武清投入使用。它是目前亞洲最大的單口徑天線，主要負責接收火星探測器傳回的科學數(shù)據(jù)。

已獲得豐碩成果

2021年8月15日，祝融號在完成了90個火星日的既定探測任務后，繼續(xù)實施拓展任務。

2022年6月29日，環(huán)繞器實現(xiàn)了全球遙感探測。我國首次火星探測任務目標已圓滿完成。

2023年4月24日，天問一號攜帶的13臺有效載荷累計獲取原始科學數(shù)據(jù)1800GB，形成了標準數(shù)據(jù)產品?？茖W研究團隊通過對這些科學數(shù)據(jù)的研究，已取得了一批原創(chuàng)性科學成果，例如：

我國利用環(huán)繞器上的高分辨率相機獲取的著陸區(qū)亞米分辨率地形數(shù)據(jù)，對著陸區(qū)分布的凹錐、壁壘撞擊坑、溝槽等典型地貌開展了綜合研究，揭示了上述地貌的形成與水活動之間存在的重要聯(lián)系。

我國通過研究祝融號上的相機獲取的火星車車轍圖像數(shù)據(jù)，獲得了著陸區(qū)土壤凝聚力和承載強度等力學參數(shù)，揭示了著陸區(qū)表面物理特性。

我國通過研究火星車雙頻全極化雷達獲得的著陸區(qū)地下分層信息，發(fā)現(xiàn)了火表數(shù)米厚的風沙塵下約30米和80米，存在兩套向上變細的沉積層序，揭示了距今30億年以來，多期次水活動相關的火星表面改造事件和地質過程。

我國通過對火星車導航地形相機、火星表面成分探測儀和火星氣象測量儀獲取的數(shù)據(jù)開展綜合分析，發(fā)現(xiàn)了巡視區(qū)存在距今約7.6億年的鹽水活動和現(xiàn)代水汽循環(huán)的證據(jù)。

2023年4月24日，國家航天局和中國科學院聯(lián)合發(fā)布了中國首次火星探測火星全球影像圖，空間分辨率為76米，它為開展火星探測工程和火星科學研究提供了質量更好的基礎底圖。

這幅火星全球彩色影像圖，是地面應用系統(tǒng)對環(huán)繞器中分辨率相機獲取的1 4 7 5 7幅影像數(shù)據(jù)進行處理后得到的。科學研究團隊通過它，識別了著陸點附近大量的地理實體。國際天文學聯(lián)合會根據(jù)相關規(guī)則，將其中的22個地理實體，以中國人口數(shù)小于10萬的歷史文化名村名鎮(zhèn)西柏坡、楊柳青、周莊等加以命名。這幅火星全球圖最大的亮點是分辨率高、顏色真。

2023年5月18日，中國地質大學（武漢）地球科學學院肖龍教授領導的國際研究團隊，通過綜合分析祝融號上的多光譜相機獲取的科學數(shù)據(jù)，首次在火星表面發(fā)現(xiàn)了海洋沉積巖的巖石學證據(jù)，證明了火星北部曾經(jīng)存在過海洋。相關研究成果以《烏托邦平原海洋沉積巖的證據(jù)：祝融號火星車的觀測》為題發(fā)表在綜合性權威期刊《國家科學評論》。

2023年7月6日，祝融號在火星上的新發(fā)現(xiàn)在線發(fā)表于《自然》雜志。基于祝融號觀測數(shù)據(jù)，我國科研人員領導的國際研究團隊，在祝融號著陸區(qū)發(fā)現(xiàn)了火星古風場改變的沉積層序證據(jù)，證實風沙活動記錄了火星古環(huán)境隨火星自轉軸和冰期變化的情況。

祝融號經(jīng)歷考驗

踏上火星大地后，祝融號經(jīng)歷了多重考驗。在完成了90個火星日的巡視探測任務后，祝融號度過了日凌階段。由于器地通信不穩(wěn)定，祝融號在日凌期間暫停了科學工作。

日凌結束后，“超期服役”的祝融號繼續(xù)開展拓展性巡視探測任務，獲取了巡視區(qū)域地形地貌影像、行駛路徑磁場信息和地下剖面結構信息，巖石、沙丘等典型地物的成分信息以及溫度、氣壓、風向、風速等第一手科學數(shù)據(jù)，探尋火星起源與演化之謎的線索。

2022年5月，祝融號的巡視區(qū)已進入冬季。根據(jù)測量，火星車所在地正午最高溫度已降至-20℃，夜間環(huán)境溫度低至-100℃。此外，沙塵天氣致使光照強度進一步減弱，影響火星車太陽翼的發(fā)電能力。為此，地面團隊通過采取轉動太陽翼調整光照角度、減少每天工作項目和時長等措施，實現(xiàn)了火星車的能源平衡。

為了應對沙塵天氣導致的太陽翼發(fā)電能力降低及冬季極低的環(huán)境溫度，按照設計方案和飛控策略，祝融號于2022年5月18日轉入休眠模式。其實，為了安全度過火星寒冬、沙塵暴等極端天氣，祝融號設計了自主休眠等工作模式，在能源降低到一定程度后會自動進入休眠模式，等到環(huán)境條件逐漸好轉后，再恢復正常工作模式。在此期間，環(huán)繞器繼續(xù)開展遙感探測。

截至休眠，祝融號火星車已工作了358個火星日，行駛里程累計1921米。

祝融號原定在2022年年底蘇醒，但是目前還沒有醒來。我國行星探測工程總設計師張榮橋認為，沒有自主喚醒的最大可能是不可預知的火星沙塵累積，導致火星車發(fā)電能力降低，從而不足以使它蘇醒。

祝融號自動蘇醒需要同時滿足兩個條件：一是艙內溫度要高于-15℃，二是太陽翼發(fā)電需滿足火星車當天的最小用電量。所以，祝融號蘇醒的絕佳機會是在火星的夏季。如果夏季還沒有蘇醒的話，就沒有機會了。

其實，祝融號是否蘇醒已經(jīng)不重要了，因為它已經(jīng)完成了預定任務。但是我們還是祝愿祝融號在夏季能夠蘇醒，從而再立新功。

本文轉自微信公眾號“中國國家天文”