2023 年 7 月 23 日是我國成功發(fā)射首個(gè)火星探測器天問(wèn)一號三周年的日子。在這三年里，天問(wèn)一號實(shí)現了工程和科學(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，我國天問(wèn)一號火星探測器升空，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，其上的著(zhù)陸巡視器成功在火星表面著(zhù)陸；同年 5 月 22 日，祝融號火星車(chē)安全駛離著(zhù)陸平臺，到達火星表面，開(kāi)始巡視探測；6 月 11 日，國家航天局公布了由祝融號火星車(chē)在著(zhù)陸火星后拍攝的首批科學(xué)影像圖，這標志我國首次火星探測任務(wù)取得圓滿(mǎn)成功。
這是我國行星探測工程的首次任務(wù)，實(shí)現了通過(guò)一次發(fā)射完成對火星的環(huán)繞、著(zhù)陸和巡視三個(gè)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(diǎn)高、效益高，但挑戰大的特點(diǎn)。其成功使我國深空探測能力和水平實(shí)現了跨越式發(fā)展，成為世界第三個(gè)在火星著(zhù)陸的國家，第二個(gè)在火星巡視的國家。
根據火星探測技術(shù)的主要特點(diǎn)和中外空間探測的經(jīng)驗教訓，我國事先為天問(wèn)一號制定了既符合我國國情，又能跨越式發(fā)展的工程目標和科學(xué)目標?，F在，天問(wèn)一號已順利完成了這兩大目標。
工程目標：
突破火星制動(dòng)捕獲；
進(jìn)入/下降/著(zhù)陸；
長(cháng)期自主管理；
遠距離測控通信；
火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)；
實(shí)現火星環(huán)繞探測和巡視探測；
獲取火星探測科學(xué)數據
實(shí)現我國在深空探測領(lǐng)域的技術(shù)跨越。
該工程目標現已完成。
科學(xué)目標：
研究火星形貌與地質(zhì)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(zhì)組成；
測量火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征；
探索火星物理場(chǎng)與內部結構，探測火星磁場(chǎng)特性。
該科學(xué)目標也已完成。天問(wèn)一號由環(huán)繞器、著(zhù)陸巡視器組成，其中的著(zhù)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(zhù)陸任務(wù)。天問(wèn)一號總質(zhì)量約 5 噸（含燃料），其中環(huán)繞器 3.6 噸（燃料重量占總重的大部分），祝融號火星車(chē) 240 千克，剩下的就是進(jìn)入艙質(zhì)量。
環(huán)繞探測建奇功
天問(wèn)一號的環(huán)繞器設計壽命為 1 個(gè)火星年（合 687 個(gè)地球日）。它攜帶著(zhù)陸巡視器前往火星，主要完成地火轉移、火星制動(dòng)捕獲、軌道調整等任務(wù)，為火星車(chē)提供 3 個(gè)月的數據中繼支持服務(wù)，并通過(guò)攜帶的科學(xué)載荷對火星開(kāi)展約一個(gè)火星年的科學(xué)探測，實(shí)現對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；探測器。
其任務(wù)包括五個(gè)主要階段：
地火轉移；火星捕獲；離軌著(zhù)陸；中繼通信；科學(xué)探測。
環(huán)繞器的主要科學(xué)任務(wù)是：
拍攝中國首張火星全圖；探測火星土壤類(lèi)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(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 臺科學(xué)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(zhù)陸區和高科學(xué)價(jià)值區域成像的高分辨率相機；
用于開(kāi)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(lèi)、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(chǎng)環(huán)境的磁強計；
用于對太陽(yáng)風(fēng)以及火星空間離子和中性粒子的能量、通量和成分進(jìn)行測量的離子與中性粒子分析儀；
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據的能量粒子分析儀。
技高一籌游火星
環(huán)繞器的主要探測任務(wù)是對火星進(jìn)行全球性、綜合性的普查，而祝融號火星車(chē)的主要探測任務(wù)是對有科研價(jià)值的局部地區開(kāi)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(zhù)陸區開(kāi)展巡視探測，設計工作壽命 3 個(gè)火星月（合 92 個(gè)地球日）。
其主要科學(xué)任務(wù)：
探測火星巡視區表面元素、礦物和巖石類(lèi)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(huán)境，探測火星巡視區形貌和地質(zhì)構造。
為此，祝融號火星車(chē)攜帶 6 臺科學(xué)儀器：
導航/地形相機用于為火星車(chē)提供導航和定位依據，獲取著(zhù)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(zhì)類(lèi)型分布；次表層雷達用于探測巡視區次表層地質(zhì)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(chǎng)探測儀用于探測巡視區局部磁場(chǎng)；
氣象測量?jì)x用于探測巡視區環(huán)境氣溫等氣象環(huán)境。
祝融號是世界第一輛采用主動(dòng)懸架技術(shù)的火星車(chē)，它在遇到復雜地形時(shí)可以把整車(chē)底盤(pán)提高。由于祝融號火星車(chē)的六個(gè)輪都能獨立轉向和獨立的行進(jìn)控制，所以它還可以像螃蟹一樣橫著(zhù)走。
獲取能源有新招
由于遠離太陽(yáng)，火星表面的陽(yáng)光強度只有地球的 40%，所以火星車(chē)需要更大、更高效的太陽(yáng)翼。為此，我國火星車(chē)采用了新穎的四展方案?；鹦擒?chē)上的四片太陽(yáng)翼展開(kāi)之后像一只藍色蝴蝶。
祝融號主要靠太陽(yáng)翼發(fā)出的電能工作。但到了夜晚，該火星車(chē)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(yáng)翼還不能滿(mǎn)足需求。為此，在祝融號車(chē)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(yáng)能，利用一種叫做正十一烷的物質(zhì)儲存能量。
火星白天溫度升高時(shí)，這種物質(zhì)吸熱融化，到了晚上溫度下降，這種物質(zhì)在凝固的過(guò)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
由于火星到夜晚的時(shí)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(chē)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(lái)應對火星上“極熱”和“極寒”兩種嚴酷環(huán)境，并且憑借其超輕特性極大地減輕了火星車(chē)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(huán)境，也能阻隔著(zhù)陸發(fā)動(dòng)機產(chǎn)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。
排除萬(wàn)難落火星
我國天問(wèn)一號火星探測任務(wù)的實(shí)施包括發(fā)射、地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著(zhù)陸和科學(xué)探測六個(gè)階段，其中最難的是著(zhù)陸巡視器從火星軌道離軌著(zhù)陸。
天問(wèn)一號在距離火星約 220 萬(wàn)千米處曾創(chuàng )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(gè)輕型相機對天問(wèn)一號進(jìn)行拍攝，并實(shí)時(shí)把圖像傳到探測器上，再傳回地球。
2021 年 5 月 15 日凌晨 2 時(shí)多，天問(wèn)一號在火星停泊軌道上進(jìn)入著(zhù)陸窗口，隨后實(shí)施了降軌機動(dòng)以及環(huán)繞器與著(zhù)陸巡視器的分離。著(zhù)陸巡視器運行到距離火星表面 125 千米高度時(shí)進(jìn)入火星大氣，依次完成配平翼展開(kāi)（我國的一種新技術(shù)）、超音速降落傘開(kāi)傘（我國的一種新技術(shù)）、大底分離、背罩分離、動(dòng)力減速、懸停、避障及緩速下降、著(zhù)陸緩沖等動(dòng)作后，最終在火星表面軟著(zhù)陸。
著(zhù)陸后，祝融號與著(zhù)陸平臺解鎖分離。2021 年 5 月 22 日 10 時(shí) 40 分，祝融號駛離著(zhù)陸平臺，到達火星表面，開(kāi)始巡視探測。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，著(zhù)陸巡視器具體著(zhù)陸過(guò)程也可分以下四個(gè)階段。
一是氣動(dòng)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(dòng)力減速段，即用大推力發(fā)動(dòng)機，把其速度減小到 3.6 米/秒。
四是著(zhù)陸緩沖段，即通過(guò)著(zhù)陸巡視器上的 4 個(gè)著(zhù)陸腿的緩沖作用在火星表面軟著(zhù)陸。
在整個(gè)落“火”過(guò)程中，由于地火距離非常遙遠，使得地火通信延時(shí)單程超過(guò) 20 分鐘。在落“火”過(guò)程中著(zhù)陸巡視器和地面“指揮部”處于“失聯(lián)”狀態(tài)。它進(jìn)入火星大氣后要在 9 分鐘時(shí)間內要自主完成 10 多個(gè)動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作都是一氣呵成，環(huán)環(huán)相扣，不容得有半分的差錯，但我國著(zhù)陸巡視器一舉獲得了成功。
精心選擇著(zhù)陸點(diǎn)
為火星探測器選擇一個(gè)合適的著(zhù)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，我國火星著(zhù)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(yáng)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(zhù)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(mén)問(wèn)題，所以有很高的科學(xué)價(jià)值。
另外，由于我國火星車(chē)采用太陽(yáng)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(zhù)陸在緯度小于 30° 的烏托邦平原，因為這里陽(yáng)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(xiàn)的直徑和探測距離成正比，所以必須使用天線(xiàn)直徑很大的地面深空測控網(wǎng)。我國深空測控網(wǎng)包括佳木斯的 66 米直徑天線(xiàn)測控站，喀什和阿根廷各有一個(gè) 35 米直徑天線(xiàn)測控站等。
另外，我國主反射面直徑 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)，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(xué)數據。
已獲得豐碩成果
2021 年 8 月 15 日，祝融號火星車(chē)在完成了 90 個(gè)火星日的既定探測任務(wù)后繼續實(shí)施拓展任務(wù)，至此，它已累計巡視探測 358 個(gè)火星日，行駛 1921 米，目前處于休眠期。至 2022 年 6 月 29 日，環(huán)繞器實(shí)現了全球遙感探測。目前它狀態(tài)良好，繼續在遙感使命軌道上開(kāi)展科學(xué)探測，積累原始數據。我國首次火星探測任務(wù)目標已圓滿(mǎn)完成。
到 2023 年 4 月 24 日，天問(wèn)一號任務(wù)攜帶的 13 臺有效載荷累計獲取原始科學(xué)數據 1800GB，形成了標準數據產(chǎn)品?？茖W(xué)研究團隊通過(guò)對一手科學(xué)數據的研究，已取得了一批原創(chuàng )性科學(xué)成果。
例如：我國利用環(huán)繞器上的高分辨率相機獲取的著(zhù)陸區亞米分辨率地形數據，對著(zhù)陸區分布的凹錐、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。
我國通過(guò)研究祝融號上的相機獲取的火星車(chē)車(chē)轍圖像數據，獲得了著(zhù)陸區土壤凝聚力和承載強度等力學(xué)參數，揭示了著(zhù)陸區表面物理特性。
我國通過(guò)研究火星車(chē)雙頻全極化雷達獲得的著(zhù)陸區地下分層信息，發(fā)現了火表數米厚的風(fēng)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(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。
我國通過(guò)對火星車(chē)導航地形相機、火星表面成分探測儀和火星氣象測量?jì)x獲取的數據開(kāi)展綜合分析，發(fā)現了巡視區存在距今約 7.6 億年的鹽水活動(dòng)和現代水汽循環(huán)的證據。
上述原創(chuàng )性成果已在《自然》《自然-天文學(xué)》《自然-地球科學(xué)》《科學(xué)進(jìn)展》和《國家科學(xué)評論》等國內外權威學(xué)術(shù)期刊發(fā)表。2023 年 4 月 24 日，國家航天局和中國科學(xué)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(kāi)展火星探測工程和火星科學(xué)研究提供了質(zhì)量更好的基礎底圖。
這是地面應用系統對環(huán)繞器中分辨率相機獲取的 14757 幅影像數據進(jìn)行處理后得到的火星全球彩色影像圖?？茖W(xué)研究團隊通過(guò)它識別了著(zhù)陸點(diǎn)附近大量的地理實(shí)體。
國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì )根據相關(guān)規則，將其中的 22 個(gè)地理實(shí)體，以中國人口數小于 10 萬(wàn)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(diǎn)是分辨率高、顏色真。
近日，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院肖龍教授領(lǐng)導的國際研究團隊，通過(guò)綜合分析祝融號上的多光譜相機獲取的科學(xué)數據，首次在火星表面發(fā)現了海洋沉積巖的巖石學(xué)證據，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：祝融號火星車(chē)的觀(guān)測》為題發(fā)表在綜合性權威期刊《國家科學(xué)評論》。
2023 年 7 月 6 日，祝融號在火星上的新發(fā)現在線(xiàn)發(fā)表于《自然》雜志?；谧Ｈ谔栍^(guān)測數據，我國科研人員領(lǐng)導的國際研究團隊在祝融號著(zhù)陸區發(fā)現了火星古風(fēng)場(chǎng)改變的沉積層序證據，證實(shí)風(fēng)沙活動(dòng)記錄了火星古環(huán)境隨火星自轉軸和冰期的變化情況。
祝融號經(jīng)歷考驗
踏上火星大地后，祝融號火星車(chē)經(jīng)歷了多重考驗。在完成了 90 個(gè)火星日的巡視探測任務(wù)后，祝融號火星車(chē)度過(guò)了日凌階段。由于器地通信不穩定，火星車(chē)在日凌期間暫停了科學(xué)工作。
日凌結束后，“超期服役”的祝融號繼續開(kāi)展拓展性巡視探測任務(wù)，獲取了巡視區域地形地貌影像、行駛路徑磁場(chǎng)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(fēng)向、風(fēng)速氣象信息等第一手科學(xué)數據，探尋火星起源與演化之謎的線(xiàn)索。
2022 年 5 月，祝融號火星車(chē)的巡視區已進(jìn)入冬季。根據測量，火星車(chē)當地正午最高溫度已降至 -20℃，夜間環(huán)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(jìn)一步減弱，影響火星車(chē)太陽(yáng)翼的發(fā)電能力。為此，通過(guò)采取轉動(dòng)太陽(yáng)翼調整光照角度、減少每天工作項目和時(shí)長(cháng)等措施，實(shí)現了能源平衡。
為了應對沙塵天氣導致的太陽(yáng)翼發(fā)電能力降低及冬季極低的環(huán)境溫度，按照設計方案和飛控策略，祝融號火星車(chē)于 2022 年 5 月 18 日轉入休眠模式。
其實(shí)，為了安全度過(guò)火星寒冬、沙塵暴等極端天氣，祝融號設計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)境條件逐漸轉好后，再恢復正常工作模式。在此期間，環(huán)繞器繼續開(kāi)展遙感探測。
截至休眠，祝融號火星車(chē)已工作了 358 個(gè)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(méi)有醒。
我國行星探測工程總設計師張榮橋認為，沒(méi)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(chē)發(fā)電能力降低，從而不足以使它蘇醒。
祝融號自動(dòng)蘇醒需要同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)條件：一是艙內的溫度要高于 -15℃；二是太陽(yáng)翼發(fā)電需滿(mǎn)足火星車(chē)當天最小的用電量。所以，祝融號蘇醒的絕佳機會(huì )是在火星的夏季。如果夏季還沒(méi)有蘇醒的話(huà)就沒(méi)有機會(huì )了。其實(shí)，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(wù)。但是我們還是祝愿祝融號在夏季能夠蘇醒，從而再立新功。
