天问一号探测器

**天問一號**是中華人民共和國正在進行的一項火星探測任務，中國行星探測工程下的中國火星探測計劃的一部分。

天問一號火星探測車於 2020 年 7 月 23 日 12 時 41 分由長征五號遙四運載火箭從海南文昌太空發射場發射升空，成功送入預定軌道。天問一號在地火轉移軌道飛行約 7 個月後到達火星附近，在 2021 年 2 月 10 日完成火星捕獲後進入環火軌道。之後天問一號陸續展開著陸、巡視等火星科學探測任務。其既定目標是尋找當前和過去生命的證據，並評估行星的環境。2021 年 5 月 15 日北京時間上午 7 時 18 分，天問一號所攜帶的「祝融號」火星車在火星烏托邦平原南部預選著陸區成功著陸，標誌著中國成為繼前蘇聯和美國後，世界上第三個在火星著陸探測器的國家 ；成為繼美國後，世界上第二個在火星部署火星車的國家 。

## 命名來源

「天問」一詞取材來自《楚辭》由屈原所創作的長詩《天問》，以此提出自己的疑問，表達了對真理執著的追求。此命名並非為火星任務的專屬命名，其他的行星任務將也會以此為命名方向（只是編號不同）。

## 背景

中國國家航天局的深空探測始於月球，2007 年中國探月工程發射了第一顆月球探測器「嫦娥一號」對月球進行探測並積累經驗。由於火星探測的難度遠大於月球，在這一時期火星並不是中國太空探索的主要目標。

中國對火星的探測的首次試水是 2011 年的螢火一號任務，該任務由中國科學院國家太空科學中心發起，並不在國家重大航太工程之內。螢火一號作為中國的首顆火星探測車，搭載於聯邦太空總署福布斯 - 土壤之上，於 2011 年 11 月 9 日從拜科努爾發射場發射，原設計壽命兩年，主要科學探測目標是對火星的空間磁場、電離層和粒子分布變化規律，以及火星大氣離子逃逸率進行探測。然而俄羅斯負責的部分出現故障，福布斯 - 土壤探測器主推動系統上的兩個引擎都未能點火啟動導致發射後無法離開近地軌道，最終於 2012 年 1 月 15 日再入地球大氣層，並墜毀於太平洋海域，這次任務並沒有輪到考驗中國自主研製的螢火一號探測器的性能即結束。

儘管螢火一號任務失敗，但它為中國培養了人才隊伍，奠定了未來中國自主火星探測的基礎。在螢火一號之後，中國組建了原本沒有的專門研究火星的科研團隊，翻譯出版了關於火星的教科書，並提出了一系列新的科學目標和探測方案，開始建設可以遠達火星軌道的深空測控站，中國自此開始走上獨立自主的火星探索之路，將火星探測任務列入國家航太規劃之內，並將首次獨立火星任務本應分兩步、甚至三步走的「繞、落、巡」計劃，合併在一次實施。

2014 年 6 月，中國月球探測工程首席科學家、「嫦娥之父」歐陽自遠在第 22 屆國際天文館學會大會的開幕式上透露中國計劃在 2020 年實現火星的著陸巡視。同年 11 月 11 日，在第十屆中國國際航空太空博覽會上，中國火星車的早期等比例模型首次亮相。

2016 年 4 月 22 日，時任國家航天局局長許達哲在首個中國航太日來臨前透露中國的火星探測任務已於當年 1 月 11 日獲批，將在 2020 年前後發射火星探測車，一步實現繞火星的探測和著陸巡視。同年 8 月 23 日，國家國防科工局探月與航太工程中心發布中國首個火星探測車和火星車外觀設計構型圖，並啟動中國火星探測工程名稱和圖形標識全球徵集活動，標誌著中國火星探測任務的全面公開。

2019 年 11 月 14 日，國家航天局在位於河北省懷來縣的地外天體著陸綜合試驗場完成首次火星探測任務著陸器懸停避障試驗，並邀請了部分外國駐華使館及國際組織人員觀摩試驗並參觀相關試驗設施。

2020 年 4 月 24 日，國家航天局在 2020 年中國航太日啟動儀式上宣布了中國行星探測工程的名稱與圖形標識，將中國行星探測任務命名為「天問」，將中國首次獨立火星探測任務命名為「天問一號」。

## 目標與任務

這是中國的首次星際任務，也是對火星的首次獨立探測。因此，目標首先是驗證深空的通信和控制技術，在行星上繞軌道運行以及在其表面著陸。 軌道器還必須能夠找到地點，以便將來返回火星樣本。

從科學的角度來看，天問一號火星探測任務必須達到 5 個目標：

1. 研究火星形貌與地質構造特徵，及其演化和成因的研究。為此，該探測將使用來自特徵區域的精確數據來分析行星的地形，這些特徵區域包括河流的乾燥河床、火山、風蝕、兩極冰川等。軌道器上的兩個攝像機專用於此目標。
2. 研究火星表面土壤特徵和地下層的特徵，與水冰分布。探測火星土壤種類、風化沉積特徵和全球分布，搜尋水冰資訊並開展火星土壤剖面分層結構研究。這就是軌道器和火星車上的雷達的作用。
3. 研究火星表面物質組成，開展表面礦物組成分析。分析火星古代湖泊，河流和其他景觀中存在的風化的碳酸鹽，這些礦物是由地球上過去存在的水引起的，例如赤鐵礦，層狀矽酸鹽，硫酸鹽水合物甚至高氯酸鹽礦物，以建立與過去火星水的聯繫。軌道器和火星車上的光譜儀以及多光譜攝像機專用於此目標。
4. 研究火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵，開展火星電離層結構和表面天氣季節性變化規律研究。以及更廣泛的大氣研究，無論是在其近太空環境還是在其表面。這是軌道器上的兩個粒子探測器以及火星車上氣象站的作用。
5. 研究火星的內部結構，其磁場，其地質演化的歷史，其質量的內部分布及其引力場。軌道器和火星車上的磁強計以及雷達專用於此目標。

整個目標圍繞火星是否存在過生命或具備生命存在的環境，火星演化和太陽系的起源與演化兩大科學問題開展
。中國首次火星探測任務科學目標將通過環繞探測和巡視探測共同實現，這在國際尚屬首次。環繞探測主要開展火星全球性、整體性和綜合性的詳查探測，巡視探測專注於火星表面重點地區的高精度、高分辨的精細探測和就位分析。

## 基本技術方案

天問一號任務由工程總體和探測器、運載火箭、發射場、測控、地面應用五大系統組成：

### 探測器

天問一號探測器由環繞器和著陸巡視器組成，總質量約為 5 噸。

#### 環繞器

環繞器重約 3715 千克，主要任務為：火星大氣電離層分析及行星際環境探測；火星表面和地下水冰的探測；火星土壤類型分布和結構探測；火星地形地貌特徵及其變化探測；火星表面物質成分的調查和分析。為此，環繞器配置了中解析度相機、高解析度相機、環繞器次表層探測雷達火星礦物光譜分析儀、火星磁強計、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀共 7 種科學設備。

#### 著陸巡視器

著陸巡視器由進入艙和巡視器組成。進入艙重約 1285 千克，被包裹在球錐大底加球錐背罩內完成火星進入、下降、著陸（EDL）任務。巡視器重約 240 千克，完成巡視探測，其主要任務為：火星巡視區形貌和地質構造探測；火星巡視區土壤結構（剖面）探測和水冰探查；火星巡視區表面元素、礦物和岩石類型探測；火星巡視區大氣物理特徵與表面環境探測。為此，火星車配置了火星表面成分探測儀、多光譜相機、地形相機、火星車次表層探測雷達、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀共 6 種科學設備。

巡視器經全球徵名、評審、網絡投票等層層遴選，在 2021 年 4 月 24 日中國航太日開幕儀式上被正式命名為「祝融號」。祝融在中國傳統文化中被尊為最早的火神，象徵著用火照耀大地，帶來光明。

### 運載火箭

天問一號任務由長征五號運載火箭負責發射並直接送入地火轉移軌道。

長征五號地火轉移軌道發射能力超過 5 噸，是中國唯一有能力執行天問一號任務的運載火箭。長征五號於 2016 年 11 月成功首飛，但在 2017 年 7 月的第二次任務中遭遇失利。經過兩年多的歸零工作後，長征五號於 2019 年 12 月 27 日成功重飛，保證了 2020 年 7 月地火轉移窗口期火星探測任務的按計劃實施。

天問一號是長征五號系列火箭的首次應用性發射。

### 發射場

天問一號任務發射地點為 2014 年建成的海南文昌太空發射場，該發射場是中國最先進、緯度最低的發射場，可為火箭提供最大運力，也是唯一有能力進行長征五號發射的發射場。

### 測控

深空測控能力對於火星探測任務的成功至關重要，中國最早的火星任務螢火一號與俄羅斯合作的主要原因之一即為中國在當時尚未擁有真正的深空測控網。經過數年建設，在 2017 年中國基本建成了兼具 S/X/Ka 多頻段測控能力，集測控、數傳和長基線干涉測量等多種功能於一體的中國深空測控網，對深空太空載具的測控覆蓋率提高到了 90% 以上，綜合水平處於世界前列。

參與天問一號任務的測控系統包括：

* 北京航太飛行控制中心
* 佳木斯深空測控站：位於黑龍江省佳木斯市，擁有一座 66 米直徑天線，於 2012 年建成。
* 喀什深空測控站：位於新疆喀什市，於 2020 年完全建成，擁有四座 35 米的深空天線組陣系統，達到等效 66 米口徑天線的數據接收能力，是中國首個深空天線組陣系統。
* 阿根廷深空站：位於阿根廷內烏肯省拉斯拉哈斯市，擁有一座 35 米直徑天線，於 2017 年落成並投入使用，是中國在海外的首個深空測控站。

在 2016 年 10 月至 2017 年 8 月期間，中國科學家利用中國深空站對在木星軌道運行的朱諾號探測器進行了多次跟蹤與測量，表明中國已擁有了遠至地 - 木距離的深空測控能力，為預定在 2020 年實施的火星探測計劃做好了充分準備。

### 地面應用系統

為接收天問一號來自火星的信號，地面應用系統在天津武清新建一台全亞洲最大的單口徑全可動天線，直徑 70 米，高 72 米，總重約 2700 噸，與已有地面數據接收天線進行組陣，達到等效 103 米直徑面積的數據接收能力。

在接收到信號後，武清站會對數據進行解碼處理，然後用專用光纖發送到位於北京的國家天文台天問一號任務地面應用系統的運行控制與科學操作中心進行分析。

## 科學儀器

環繞器和巡視器帶有總共 13 個科學儀器，其中 7 個由環繞器攜帶，6 個由巡視器攜帶：

### 環繞器

* **中解析度相機**（MoRIC）在 400 千米的軌道上解析度為 100 米，在可見光波段進行彩色成像。
* **高解析度相機**（HiRIC）在 265 千米軌道上的解析度為 0.5 米（全色模式）和 2.0 米（彩色模式）。
* **火星磁強計**（MOMAG）進行火星空間磁場環境探測。
* **火星礦物光譜分析儀**（MMS）可確定元素組成，用以進行遠距離火星土壤和表面物質成分分析。
* **環繞器次表層探測雷達**（MOSIR）通過主動發射和接收電磁波信號來探測火星表面和地下水冰。
* **火星離子與中性粒子分析儀**（MINPA）進行火星大氣電離層分析及行星際環境探測。
* **火星能量粒子分析儀**（MEPA）同上。

### 巡視器

* **導航與地形相機**（NaTeCam）拍攝可見光波段彩色照片以記錄巡視區地形地貌，像素 2048×2048。
* **火星車次表層探測雷達**（RoPeR）探測火星車沿途地下的淺表層結構，與環繞器上的次表層探測雷達原理相同，但解析度更高。祝融號和與其同年發射及著陸的毅力號並列為最早裝備該類儀器的火星地表探測器。
* **火星表面磁場探測儀**（RoMAG），探測著陸區火星磁場，確定火星磁指數。
* **火星氣象測量儀**（MCS）配備風、聲傳感器和溫、壓傳感器，對巡視器附近的氣溫、氣壓、風速、風向和聲音資訊進行記錄。
* **火星表面成分探測儀**（MarSCoDe）進行火星巡視區表面元素、礦物和岩石類型探測。
* **多光譜相機**（MSCam）同上。

除科學儀器外，環繞器與巡視器均配置了若干工程儀器（如避障相機、監視相機等）用以輔助任務進行。

## 任務經過

### 主要事件

2020 年 7 月 23 日，天問一號在海南文昌太空發射場由長征五號運載火箭成功發射並順利進入地火轉移軌道。

2021 年 2 月 10 日，在經過了 202 天的飛行後，天問一號順利實施近火制動，成功進入環火軌道，成為中國第一顆人造火星衛星。

2021 年 5 月 15 日凌晨 1 時許，天問一號探測器在停泊軌道實施降軌，下降至火星進入軌道開始降落程序。7 時 18 分，在經過了約三小時的降落過程後，天問一號著陸器攜帶祝融號巡視器通過傘降及反推的方式成功著陸於火星烏托邦平原南部預選著陸區。

2021 年 5 月 22 日 10 時 40 分，祝融號巡視器安全駛離著陸平台，到達火星表面，開始巡視探測。

2021 年 6 月 11 日，國家航天局公布了由祝融號巡視器拍攝的首批科學影像圖，標誌著中國首次火星探測任務取得圓滿成功。

2021 年 8 月，祝融號達到了 90 個火星日的預定工作時長，累計行駛距離達到 889 米且狀態良好，探測任務繼續進行。

2021 年 9 月下旬開始，由於日凌作用導致的電磁干擾，天問一號環繞器與祝融號火星車按計劃暫停工作，進入休眠狀態。兩者於 2021 年 10 月安全度過首次日凌並恢復工作。

2021 年 11 月 8 日，天問一號環繞器進入遙感使命軌道，開展火星全球遙感探測。

2021 年 12 月 1 日，國家航天局與歐洲太空總署共同宣布中國的祝融號火星車與歐洲太空總署的火星快車號軌道器進行了在軌中繼通信試驗並取得圓滿成功。

2022 年 5 月，祝融號火面工作時間達到一年。為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，祝融號火星車於此時轉入休眠模式，預計將於同年 12 月前後的初春季節恢復正常工作。

2022 年 6 月，天問一號環繞器完成獲取覆蓋火星全球的中解析度影像數據，各科學載荷均實現火星全球探測，至此天問一號任務環繞器和火星車均完成既定科學探測任務。後續環繞器將繼續開展全球遙感探測，並擇機開展拓展技術試驗，為相關任務開展先期技術驗證。

2023 年 4 月 24 日中國航太日主場活動啟動儀式上，國家航天局和中國科學院聯合發布了空間解析度 76 米的中國首次火星探測火星全球影像圖。

### 詳細經過

## 國際合作

為了天問一號任務的順利進行，國家航天局與多個不同國家的航太機構進行了國際合作：

* 歐洲太空總署（ESA）的歐洲太空總署跟蹤站網絡 (ESTRACK) 在天問一號從發射到前往火星的過程中提供了測控支持，其在火星運行的火星快車號會為著陸後的祝融號火星車提供備份通信功能。雙方在 2021 年 11 月進行了試驗並獲得成功。
* 法國國家太空研究中心（CNES）為祝融號上的表面成分探測儀中的雷射誘導擊穿光譜探測儀（LIBS）提供了校正協助，用以和好奇號上的同類型設備進行比對。
* 阿根廷國家空間活動委員會（CONAE）通過阿根廷內烏肯深空站為天問一號的測控提供幫助。
* 奧地利研究促進署（FFG）參與了火星磁強計的開發和探測器飛行儀器的校準。

## 圖集

## 備註

## 參見

## 參考資料