2023 年 7 月 23 日是我國成功發射首個火星探測器天問一號三周年的日子。在這三年里，天問一號實現了工程和科學兩個領域的雙豐收，超額完成了既定任務。

(相關資料圖)

著陸器與火星車合影。火星車行駛至著陸平臺南向約 10 米處，釋放安裝在車底部的分離相機，之后火星車退至著陸平臺附近。分離相機拍攝了火星車移動過程和火星車與著陸平臺的合影。圖像通過無線信號傳送到火星車，再由火星車通過環繞器中繼傳回地面。圖片來源：國家航天局

“一舉三得”創奇跡

2020 年 7 月 23 日，我國天問一號火星探測器升空，此后經過 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，其上的著陸巡視器成功在火星表面著陸；同年 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；6 月 11 日，國家航天局公布了由祝融號火星車在著陸火星后拍攝的首批科學影像圖，這標志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，實現了通過一次發射完成對火星的環繞、著陸和巡視三個目標，這在世界火星探測史上是前所未有的。

這種“一舉三得”的探火方式，具有起點高、效益高，但挑戰大的特點。其成功使我國深空探測能力和水平實現了跨越式發展，成為世界第三個在火星著陸的國家，第二個在火星巡視的國家。

根據火星探測技術的主要特點和中外空間探測的經驗教訓，我國事先為天問一號制定了既符合我國國情，又能跨越式發展的工程目標和科學目標。現在，天問一號已順利完成了這兩大目標。

工程目標：

突破火星制動捕獲；

進入/下降/著陸；

長期自主管理；

遠距離測控通信；

火星表面巡視等關鍵技術；

實現火星環繞探測和巡視探測；

獲取火星探測科學數據

實現我國在深空探測領域的技術跨越。

該工程目標現已完成。

科學目標：

研究火星形貌與地質構造特征；

調查火星表面土壤特征與水冰分布；

分析火星表面物質組成；

測量火星大氣電離層及表面氣候與環境特征；

探索火星物理場與內部結構，探測火星磁場特性。

該科學目標也已完成。天問一號由環繞器、著陸巡視器組成，其中的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），其中環繞器 3.6 噸（燃料重量占總重的大部分），祝融號火星車 240 千克，剩下的就是進入艙質量。

天問一號環繞器尾部示意圖

環繞探測建奇功

天問一號的環繞器設計壽命為 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 個月的數據中繼支持服務，并通過攜帶的科學載荷對火星開展約一個火星年的科學探測，實現對火星全球普查和局部詳查。

環繞器具備三大功能：

飛行器；通信器；探測器。

其任務包括五個主要階段：

地火轉移；火星捕獲；離軌著陸；中繼通信；科學探測。

環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境。

為此，環繞器攜帶了 7 臺科學儀器：

用于獲取火星全球遙感影像圖的中分辨率相機；

用于對著陸區和高科學價值區域成像的高分辨率相機；

用于開展火星表面次表層結構、極地區冰層探測的次表層雷達；

用于探測火星表面的礦物種類、含量和空間分布情況的礦物光譜分析儀；用于探測火星空間磁場環境的磁強計；

用于對太陽風以及火星空間離子和中性粒子的能量、通量和成分進行測量的離子與中性粒子分析儀；

用于獲取火星空間環境中能量粒子的能譜通量和元素成分數據的能量粒子分析儀。

天問一號環繞器獲取的火衛一高清影像。圖片來源：國家航天局環繞器目前仍正在火星軌道“超期服役”，因為可以獲得更多的科學成果。

技高一籌游火星

環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開展高精度、高分辨率的詳細調查。祝融號高度有 1.85 米，重約 240 千克，用于在著陸區開展巡視探測，設計工作壽命 3 個火星月（合 92 個地球日）。

其主要科學任務：

探測火星巡視區表面元素、礦物和巖石類型；探查火星巡視區土壤結構并探查水冰；探測火星巡視區大氣物理特征與表面環境，探測火星巡視區形貌和地質構造。

為此，祝融號火星車攜帶 6 臺科學儀器：

導航/地形相機用于為火星車提供導航和定位依據，獲取著陸區及巡視區高分辨率三維圖像；

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的光譜特征信息；

表面磁場探測儀用于探測巡視區局部磁場；

氣象測量儀用于探測巡視區環境氣溫等氣象環境。

祝融號是世界第一輛采用主動懸架技術的火星車，它在遇到復雜地形時可以把整車底盤提高。由于祝融號火星車的六個輪都能獨立轉向和獨立的行進控制，所以它還可以像螃蟹一樣橫著走。

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。火星車上的四片太陽翼展開之后像一只藍色蝴蝶。

祝融號主要靠太陽翼發出的電能工作。但到了夜晚，該火星車只能利用儲存的電能繼續工作。因為光能轉換成電能效率為 30%，所以光靠太陽翼還不能滿足需求。為此，在祝融號車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，利用一種叫做正十一烷的物質儲存能量。

火星白天溫度升高時，這種物質吸熱融化，到了晚上溫度下降，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。

祝融號火星車太陽翼

保溫采用黑科技

由于火星到夜晚的時候氣溫到達零下，不同緯度、不同季節的夜晚氣溫不同，最冷能達到 -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”兩種嚴酷環境，并且憑借其超輕特性極大地減輕了火星車的負擔，可讓它跑得更快，跑得更遠。

納米氣凝膠的密度是世界上最輕的固體；其導熱系數僅為靜止空氣的一半，是導熱系數最低的固體。超低密度納米氣凝膠隔熱板可用于阻隔火星表面低至 -120℃ 的極寒環境，也能阻隔著陸發動機產生的高達 1200℃ 的高溫熱流，其密度僅為常規氣凝膠材料的 1/10。

由導航相機拍攝的祝融號，鏡頭指向火星車尾部。圖中可見火星車的圓形集熱窗，太陽翼、天線展開正常到位；火星表面紋理清晰，地貌信息豐富。圖片來源：國家航天局

排除萬難落火星

我國天問一號火星探測任務的實施包括發射、地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學探測六個階段，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 萬千米處曾創新性地“玩”了一次自拍。它采用“分離式監測方案”，即在合適的光照條件下“拋”出一個輕型相機對天問一號進行拍攝，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 時多，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（我國的一種新技術）、超音速降落傘開傘（我國的一種新技術）、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，著陸巡視器具體著陸過程也可分以下四個階段。

一是氣動減速段，即靠火星大氣的阻力，把其速度從 4.8 千米/秒減速到 460 米/秒。

二是傘降減速段，即用降落傘，把其速度由 460 米/秒降到 95 米/秒。

三是動力減速段，即用大推力發動機，把其速度減小到 3.6 米/秒。

四是著陸緩沖段，即通過著陸巡視器上的 4 個著陸腿的緩沖作用在火星表面軟著陸。

在整個落“火”過程中，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。在落“火”過程中著陸巡視器和地面“指揮部”處于“失聯”狀態。它進入火星大氣后要在 9 分鐘時間內要自主完成 10 多個動作，每個動作都是一氣呵成，環環相扣，不容得有半分的差錯，但我國著陸巡視器一舉獲得了成功。

“中國印跡”圖。祝融號火星車行駛到著陸平臺東偏南 60° 方向約 6 米處，拍攝的著陸平臺影像圖。圖像顯示，著陸平臺熠熠生輝，國旗鮮紅方正，表面地貌細節豐富。圖片來源：國家航天局

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。

經過綜合考慮多種因素，我國火星著陸區在火星北緯 5°～30° 的烏托邦平原。烏托邦平原比較平坦，陽光照射條件也比較好。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，由于我國火星車采用太陽能電池供電，它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，為此，祝融號著陸在緯度小于 30° 的烏托邦平原，因為這里陽光充足，晝夜溫差較小，有利于祝融號工作。

因為火星距離地球遙遠，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。我國深空測控網包括佳木斯的 66 米直徑天線測控站，喀什和阿根廷各有一個 35 米直徑天線測控站等。

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，工作頻段為 S、X 和 Ku 頻段，主要負責接收火星探測器傳回的科學數據。

我國首次火星探測天問一號任務著陸區域高分影像圖。左圖為著陸前，右圖為著陸后。圖片來源：國家航天局

已獲得豐碩成果

2021 年 8 月 15 日，祝融號火星車在完成了 90 個火星日的既定探測任務后繼續實施拓展任務，至此，它已累計巡視探測 358 個火星日，行駛 1921 米，目前處于休眠期。至 2022 年 6 月 29 日，環繞器實現了全球遙感探測。目前它狀態良好，繼續在遙感使命軌道上開展科學探測，積累原始數據。我國首次火星探測任務目標已圓滿完成。

到 2023 年 4 月 24 日，天問一號任務攜帶的 13 臺有效載荷累計獲取原始科學數據 1800GB，形成了標準數據產品。科學研究團隊通過對一手科學數據的研究，已取得了一批原創性科學成果。

例如：我國利用環繞器上的高分辨率相機獲取的著陸區亞米分辨率地形數據，對著陸區分布的凹錐、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系。

天問一號環繞器拍攝的火星全色圖。圖片來源：國家航天局

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

我國通過研究火星車雙頻全極化雷達獲得的著陸區地下分層信息，發現了火表數米厚的風沙塵下約 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據開展綜合分析，發現了巡視區存在距今約 7.6 億年的鹽水活動和現代水汽循環的證據。

上述原創性成果已在《自然》《自然-天文學》《自然-地球科學》《科學進展》和《國家科學評論》等國內外權威學術期刊發表。2023 年 4 月 24 日，國家航天局和中國科學院聯合發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。

這是地面應用系統對環繞器中分辨率相機獲取的 14757 幅影像數據進行處理后得到的火星全球彩色影像圖。科學研究團隊通過它識別了著陸點附近大量的地理實體。

國際天文學聯合會根據相關規則，將其中的 22 個地理實體，以中國人口數小于 10 萬的歷史文化名村名鎮西柏坡、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。

國際天文學聯合會命名的 22 個地理實體分布圖。圖片來源：國家航天局

近日，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據，首次在火星表面發現了海洋沉積巖的巖石學證據，證明了火星北部曾經存在過海洋。相關研究成果以《烏托邦平原海洋沉積巖的證據：祝融號火星車的觀測》為題發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現在線發表于《自然》雜志。基于祝融號觀測數據，我國科研人員領導的國際研究團隊在祝融號著陸區發現了火星古風場改變的沉積層序證據，證實風沙活動記錄了火星古環境隨火星自轉軸和冰期的變化情況。

祝融號經歷考驗

踏上火星大地后，祝融號火星車經歷了多重考驗。在完成了 90 個火星日的巡視探測任務后，祝融號火星車度過了日凌階段。由于器地通信不穩定，火星車在日凌期間暫停了科學工作。

日凌結束后，“超期服役”的祝融號繼續開展拓展性巡視探測任務，獲取了巡視區域地形地貌影像、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、風速氣象信息等第一手科學數據，探尋火星起源與演化之謎的線索。

2022 年 5 月，祝融號火星車的巡視區已進入冬季。根據測量，火星車當地正午最高溫度已降至 -20℃，夜間環境溫度低至 -100℃ 以下。此外，由于存在沙塵天氣，致使光照強度進一步減弱，影響火星車太陽翼的發電能力。為此，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，實現了能源平衡。

祝融號火星車拍攝的火星沙丘。圖片來源：國家航天局

為了應對沙塵天氣導致的太陽翼發電能力降低及冬季極低的環境溫度，按照設計方案和飛控策略，祝融號火星車于 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，等到環境條件逐漸轉好后，再恢復正常工作模式。在此期間，環繞器繼續開展遙感探測。

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。

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，導致了火星車發電能力降低，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：一是艙內的溫度要高于 -15℃；二是太陽翼發電需滿足火星車當天最小的用電量。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不重要了，因為它已經完成了預定任務。但是我們還是祝愿祝融號在夏季能夠蘇醒，從而再立新功。

祝融號行駛路線圖。圖片來源：北京航天飛行控制中心

責任編輯：落木