龐之浩

2023 年7 月23 日是我國(guó)成功發(fā)射首個(gè)火星探測(cè)器天問(wèn)一號(hào)3 周年的日子。在這3 年里，天問(wèn)一號(hào)實(shí)現(xiàn)了工程和科學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域的雙豐收，超額完成了既定任務(wù)。

“一舉三得”創(chuàng)奇跡

2020年7月23日，我國(guó)天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器升空，此后經(jīng)過(guò)202天的飛行，于2021年2月10日成功進(jìn)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(hào)火星車(chē)安全駛離著陸平臺(tái)，到達(dá)火星表面，開(kāi)始巡視探測(cè)；2021年6月11日，國(guó)家航天局公布了祝融號(hào)火星車(chē)著陸火星后拍攝的首批科學(xué)影像圖，這標(biāo)志著我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)取得圓滿(mǎn)成功。

這是我國(guó)行星探測(cè)工程的首次任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)一次發(fā)射完成火星環(huán)繞、著陸和巡視3個(gè)目標(biāo)，這在世界火星探測(cè)史上前所未有。這種“一舉三得”的探火方式，具有起點(diǎn)高、效益高、挑戰(zhàn)大的特點(diǎn)。其成功使我國(guó)的深空探測(cè)能力和水平實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，成為世界上第三個(gè)完成火星著陸的國(guó)家、第二個(gè)實(shí)現(xiàn)火星巡視的國(guó)家。

天問(wèn)一號(hào)由環(huán)繞器、著陸巡視器組成，其中著陸巡視器又由進(jìn)入艙和火星車(chē)組成，進(jìn)入艙用于完成火星進(jìn)入、下降和著陸任務(wù)。天問(wèn)一號(hào)總質(zhì)量約5噸（含燃料），其中環(huán)繞器3.6噸，祝融號(hào)火星車(chē)240千克，剩下的就是進(jìn)入艙的質(zhì)量。

環(huán)繞探測(cè)建奇功

天問(wèn)一號(hào)的環(huán)繞器設(shè)計(jì)壽命為1個(gè)火星年（合687個(gè)地球日）。它攜帶著陸巡視器前往火星，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(chē)提供3個(gè)月的數(shù)據(jù)中繼支持服務(wù)，并通過(guò)攜帶的科學(xué)載荷對(duì)火星開(kāi)展約1個(gè)火星年的科學(xué)探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的全球普查和局部詳查。

環(huán)繞器的主要科學(xué)任務(wù)是：拍攝中國(guó)首張火星全圖；探測(cè)火星土壤類(lèi)型分布和結(jié)構(gòu)；探測(cè)火星表面和地下水冰；探測(cè)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(cè)行星際環(huán)境。

為此，環(huán)繞器攜帶了7臺(tái)科學(xué)儀器：中分辨率相機(jī)，用于獲取火星全球遙感影像圖；高分辨率相機(jī)，用于著陸區(qū)和高科學(xué)價(jià)值區(qū)域成像；次表層雷達(dá)，用于開(kāi)展火星表面次表層結(jié)構(gòu)和極地區(qū)冰層的探測(cè)；礦物光譜分析儀，用于探測(cè)火星表面的礦物種類(lèi)、含量和空間分布情況；磁強(qiáng)計(jì)，用于探測(cè)火星空間磁場(chǎng)環(huán)境；離子與中性粒子分析儀，用于測(cè)量太陽(yáng)風(fēng)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?jǐn)?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(xué)成果。

技高一籌游火星

環(huán)繞器的主要探測(cè)任務(wù)是對(duì)火星進(jìn)行全球性、綜合性的普查，而祝融號(hào)火星車(chē)的主要探測(cè)任務(wù)是對(duì)有科研價(jià)值的局部地區(qū)開(kāi)展高精度、高分辨率的詳細(xì)調(diào)查。祝融號(hào)高1.85米，重約240千克，用于在著陸區(qū)開(kāi)展巡視探測(cè)，設(shè)計(jì)工作壽命3個(gè)火星月（合92個(gè)地球日）。

其主要科學(xué)任務(wù)是：探測(cè)火星巡視區(qū)表面元素、礦物和巖石類(lèi)型；探查火星巡視區(qū)土壤結(jié)構(gòu)并探查水冰；探測(cè)火星巡視區(qū)大氣物理特征與表面環(huán)境；探測(cè)火星巡視區(qū)形貌和地質(zhì)構(gòu)造。

為此，祝融號(hào)攜帶了6臺(tái)科學(xué)儀器：導(dǎo)航/ 地形相機(jī)，為火星車(chē)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；多光譜相機(jī)，用于探測(cè)火星表面物質(zhì)類(lèi)型分布；次表層雷達(dá)，用于探測(cè)巡視區(qū)次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)；表面成分探測(cè)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(chǎng)探測(cè)儀，用于探測(cè)巡視區(qū)局部磁場(chǎng)；氣象測(cè)量?jī)x，用于探測(cè)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(yuǎn)離太陽(yáng)， 火星表面的陽(yáng)光強(qiáng)度只有地球上的40%，所以火星車(chē)需要更大、更高效的太陽(yáng)翼。為此，我國(guó)火星車(chē)采用了新穎的四展方案。火星車(chē)上的4片太陽(yáng)翼展開(kāi)后，火星車(chē)就像一只藍(lán)色蝴蝶。

祝融號(hào)主要靠太陽(yáng)翼發(fā)出的電能工作。但到了夜晚，祝融號(hào)只能利用儲(chǔ)存的電能繼續(xù)工作，因?yàn)槠涮?yáng)翼的光電轉(zhuǎn)換電能效率為30%，所以光靠太陽(yáng)翼是不能滿(mǎn)足電能需求的。

為此，祝融號(hào)頂部裝備了一種像雙筒望遠(yuǎn)鏡的集熱窗，它可以直接吸收太陽(yáng)能，利用一種叫正十一烷的物質(zhì)儲(chǔ)存能量?；鹦前滋鞙囟壬邥r(shí)，這種物質(zhì)吸熱融化；晚上溫度下降后，這種物質(zhì)在凝固的過(guò)程中釋放熱能。這種能量轉(zhuǎn)換方式的效率可以達(dá)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(shí)能達(dá)到-100℃。因此，在夜晚必須為火星車(chē)保溫。

祝融號(hào)采用了一種新型隔熱保溫材料——高性能納米氣凝膠，來(lái)應(yīng)對(duì)火星上極熱和極寒兩種嚴(yán)酷環(huán)境。納米氣凝膠是世界上最輕的固體，也是導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體，其導(dǎo)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高達(dá)1200℃的高溫?zé)崃?，而其密度僅為常規(guī)納米氣凝膠的1/10。

排除萬(wàn)難落火星

天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)任務(wù)的實(shí)施包括發(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(cè)6個(gè)階段，其中最難的是著陸巡視器從火星軌道離軌著陸。

天問(wèn)一號(hào)在距離火星約220萬(wàn)千米處創(chuàng)新性地“玩”了一次自拍。它采用“分離式監(jiān)測(cè)方案”，即在合適的光照條件下“拋”出一個(gè)輕型相機(jī)對(duì)自己進(jìn)行拍攝，并實(shí)時(shí)把圖像傳到探測(cè)器上，再傳回地球。

2021年5月15日凌晨2時(shí)許，天問(wèn)一號(hào)在火星停泊軌道上進(jìn)入著陸窗口，隨后實(shí)施了降軌機(jī)動(dòng)，以及環(huán)繞器與著陸巡視器的分離。著陸巡視器運(yùn)行到距離火星表面125千米高度時(shí)進(jìn)入火星大氣，依次完成配平翼展開(kāi)、超聲速降落傘開(kāi)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)作后，最終在火星表面軟著陸。

著陸后，祝融號(hào)與著陸平臺(tái)解鎖分離。2021年5月22日10時(shí)40分，祝融號(hào)駛離著陸平臺(tái)，到達(dá)火星表面，開(kāi)始巡視探測(cè)。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，著陸巡視器的具體著陸過(guò)程也可分為以下4個(gè)階段：一是氣動(dòng)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(lái)的阻力，將其速度由460米/秒降到95米/秒；三是動(dòng)力減速段，即用大推力發(fā)動(dòng)機(jī)反推，將其速度減小到3.6米/秒；四是著陸緩沖段，即通過(guò)著陸巡視器上4個(gè)著陸腿的緩沖作用，實(shí)現(xiàn)在火星表面軟著陸。

由于地火距離非常遙遠(yuǎn)，使得地火通信延時(shí)單程超過(guò)20分鐘。所以在整個(gè)“落火”過(guò)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(jìn)入火星大氣后要在9分鐘內(nèi)自主完成10多個(gè)動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作都必須一氣呵成，不容有半點(diǎn)兒差錯(cuò)。我國(guó)著陸巡視器一舉獲得了成功。

精心選擇著陸點(diǎn)

為火星探測(cè)器選擇一個(gè)合適的著陸點(diǎn)也不是一件容易的事情。它必須滿(mǎn)足兩個(gè)最基本的條件：一是在工程上可實(shí)施，二是在科研上有價(jià)值。經(jīng)過(guò)綜合考慮多種因素，我國(guó)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(yáng)光照射條件比較好。另外，烏托邦平原很可能是火星遠(yuǎn)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(dāng)前火星探測(cè)的熱門(mén)問(wèn)題，所以有很高的科學(xué)價(jià)值。

另外，我國(guó)火星車(chē)采用太陽(yáng)能電池供電，所攜帶的用于導(dǎo)航和檢測(cè)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?yàn)槟抢镪?yáng)光充足，晝夜溫差較小，有利于祝融號(hào)工作。

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

我國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)由佳木斯深空測(cè)控站、喀什深空測(cè)控站，以及我國(guó)首個(gè)海外深空測(cè)控站阿根廷深空測(cè)控站組成。另外，我國(guó)主反射面直徑70米的高性能接收天線(xiàn)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(xiàn)，主要負(fù)責(zé)接收火星探測(cè)器傳回的科學(xué)數(shù)據(jù)。

已獲得豐碩成果

2021年8月15日，祝融號(hào)在完成了90個(gè)火星日的既定探測(cè)任務(wù)后，繼續(xù)實(shí)施拓展任務(wù)。

2022年6月29日，環(huán)繞器實(shí)現(xiàn)了全球遙感探測(cè)。我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)目標(biāo)已圓滿(mǎn)完成。

2023年4月24日，天問(wèn)一號(hào)攜帶的13臺(tái)有效載荷累計(jì)獲取原始科學(xué)數(shù)據(jù)1800GB，形成了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品?？茖W(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)這些科學(xué)數(shù)據(jù)的研究，已取得了一批原創(chuàng)性科學(xué)成果，例如：

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

我國(guó)通過(guò)研究祝融號(hào)上的相機(jī)獲取的火星車(chē)車(chē)轍圖像數(shù)據(jù)，獲得了著陸區(qū)土壤凝聚力和承載強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，揭示了著陸區(qū)表面物理特性。

我國(guó)通過(guò)研究火星車(chē)雙頻全極化雷達(dá)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(fēng)沙塵下約30米和80米，存在兩套向上變細(xì)的沉積層序，揭示了距今30億年以來(lái)，多期次水活動(dòng)相關(guān)的火星表面改造事件和地質(zhì)過(guò)程。

我國(guó)通過(guò)對(duì)火星車(chē)導(dǎo)航地形相機(jī)、火星表面成分探測(cè)儀和火星氣象測(cè)量?jī)x獲取的數(shù)據(jù)開(kāi)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(dòng)和現(xiàn)代水汽循環(huán)的證據(jù)。

2023年4月24日，國(guó)家航天局和中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合發(fā)布了中國(guó)首次火星探測(cè)火星全球影像圖，空間分辨率為76米，它為開(kāi)展火星探測(cè)工程和火星科學(xué)研究提供了質(zhì)量更好的基礎(chǔ)底圖。

這幅火星全球彩色影像圖，是地面應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)環(huán)繞器中分辨率相機(jī)獲取的1 4 7 5 7幅影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到的。科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)它，識(shí)別了著陸點(diǎn)附近大量的地理實(shí)體。國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)根據(jù)相關(guān)規(guī)則，將其中的22個(gè)地理實(shí)體，以中國(guó)人口數(shù)小于10萬(wàn)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(diǎn)是分辨率高、顏色真。

2023年5月18日，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院肖龍教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)綜合分析祝融號(hào)上的多光譜相機(jī)獲取的科學(xué)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(xué)證據(jù)，證明了火星北部曾經(jīng)存在過(guò)海洋。相關(guān)研究成果以《烏托邦平原海洋沉積巖的證據(jù)：祝融號(hào)火星車(chē)的觀(guān)測(cè)》為題發(fā)表在綜合性權(quán)威期刊《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》。

2023年7月6日，祝融號(hào)在火星上的新發(fā)現(xiàn)在線(xiàn)發(fā)表于《自然》雜志?；谧Ｈ谔?hào)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，我國(guó)科研人員領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，在祝融號(hào)著陸區(qū)發(fā)現(xiàn)了火星古風(fēng)場(chǎng)改變的沉積層序證據(jù)，證實(shí)風(fēng)沙活動(dòng)記錄了火星古環(huán)境隨火星自轉(zhuǎn)軸和冰期變化的情況。

祝融號(hào)經(jīng)歷考驗(yàn)

踏上火星大地后，祝融號(hào)經(jīng)歷了多重考驗(yàn)。在完成了90個(gè)火星日的巡視探測(cè)任務(wù)后，祝融號(hào)度過(guò)了日凌階段。由于器地通信不穩(wěn)定，祝融號(hào)在日凌期間暫停了科學(xué)工作。

日凌結(jié)束后，“超期服役”的祝融號(hào)繼續(xù)開(kāi)展拓展性巡視探測(cè)任務(wù)，獲取了巡視區(qū)域地形地貌影像、行駛路徑磁場(chǎng)信息和地下剖面結(jié)構(gòu)信息，巖石、沙丘等典型地物的成分信息以及溫度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等第一手科學(xué)數(shù)據(jù)，探尋火星起源與演化之謎的線(xiàn)索。

2022年5月，祝融號(hào)的巡視區(qū)已進(jìn)入冬季。根據(jù)測(cè)量，火星車(chē)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(qiáng)度進(jìn)一步減弱，影響火星車(chē)太陽(yáng)翼的發(fā)電能力。為此，地面團(tuán)隊(duì)通過(guò)采取轉(zhuǎn)動(dòng)太陽(yáng)翼調(diào)整光照角度、減少每天工作項(xiàng)目和時(shí)長(zhǎng)等措施，實(shí)現(xiàn)了火星車(chē)的能源平衡。

為了應(yīng)對(duì)沙塵天氣導(dǎo)致的太陽(yáng)翼發(fā)電能力降低及冬季極低的環(huán)境溫度，按照設(shè)計(jì)方案和飛控策略，祝融號(hào)于2022年5月18日轉(zhuǎn)入休眠模式。其實(shí)，為了安全度過(guò)火星寒冬、沙塵暴等極端天氣，祝融號(hào)設(shè)計(jì)了自主休眠等工作模式，在能源降低到一定程度后會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，等到環(huán)境條件逐漸好轉(zhuǎn)后，再恢復(fù)正常工作模式。在此期間，環(huán)繞器繼續(xù)開(kāi)展遙感探測(cè)。

截至休眠，祝融號(hào)火星車(chē)已工作了358個(gè)火星日，行駛里程累計(jì)1921米。

祝融號(hào)原定在2022年年底蘇醒，但是目前還沒(méi)有醒來(lái)。我國(guó)行星探測(cè)工程總設(shè)計(jì)師張榮橋認(rèn)為，沒(méi)有自主喚醒的最大可能是不可預(yù)知的火星沙塵累積，導(dǎo)致火星車(chē)發(fā)電能力降低，從而不足以使它蘇醒。

祝融號(hào)自動(dòng)蘇醒需要同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)條件：一是艙內(nèi)溫度要高于-15℃，二是太陽(yáng)翼發(fā)電需滿(mǎn)足火星車(chē)當(dāng)天的最小用電量。所以，祝融號(hào)蘇醒的絕佳機(jī)會(huì)是在火星的夏季。如果夏季還沒(méi)有蘇醒的話(huà)，就沒(méi)有機(jī)會(huì)了。

其實(shí)，祝融號(hào)是否蘇醒已經(jīng)不重要了，因?yàn)樗呀?jīng)完成了預(yù)定任務(wù)。但是我們還是祝愿祝融號(hào)在夏季能夠蘇醒，從而再立新功。

本文轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào)“中國(guó)國(guó)家天文”