2020年世界火星探測概覽

龐之浩 高開源（北京神舟航天文化創意傳媒有限責任公司）

2020年是火星探測器的發射窗口，為此，有3個國家的火星探測器于7月下旬相繼升空，即阿聯酋的希望號（Hope）、中國的天問一號、美國的“火星2020”（Mars 2020）火星探測器，從而在全球掀起了空前的火星探測新高潮。

1 探火方式精彩紛呈

火星是太陽系中與地球最相似且距離第二近的行星，因此成為目前除地球以外人類研究程度最高的行星。人類用空間探測器對火星進行探測的歷史幾乎貫穿整個人類航天史，因為探測火星，了解火星起源和演化，有助于人類進一步認識地球和太陽系的形成和演化，預測地球的未來變化趨勢。

人類探測火星的方式與探測月球的方式基本相似，包括環繞探測、著陸探測、巡視探測、采樣返回探測和載人登陸探測等,早期還有飛越式探測。其中，采用環繞探測方式是對火星進行全球性綜合普查；采用著陸探測和巡視探測方式是對火星進行區域性細致詳查；采用采樣返回探測和載人登陸探測方式是對火星進行區域性深入精查。但它們按前后順序來說技術難度是越來越大，所以一般都采用循序漸進的方針。

與月球探測相比，由于火星距離地球比月球遙遠得多，探測火星的難度也比探測月球的難度大得多。因此，至今人類對火星的探測只采用過環繞探測、著陸探測和巡視探測方式，未來的目標是對火星進行采樣返回探測和載人登陸探測，但難度、投資和風險都將很大。

值得關注的是，通過一次發射采用多種探測方式、完成多種探測任務的好處是可以“少花錢，多辦事”，但技術復雜，風險很大，所以一般很少采用。目前，只有美國的海盜－1、2（Viking－1、2）火星探測器成功實現了通過一次發射完成環繞和著陸兩項探測任務。歐洲曾進行過2次類似的火星探測活動，但都只完成了環繞探測，而著陸探測均告失敗。我國2020年發射的天問一號火星探測器，將通過一次發射完成環繞、著陸、巡視三項任務，這在人類的火星探測史上是前所未有的，起點很高，風險也很大。

探測火星需要突破火星環境不確定性分析及地面模擬驗證、火星進入氣動外形與防熱、火星進入大帆面降落傘、火星表面高精度軟著陸導航與制導控制、火星表面長期生存和移動技術、火星自主導航管理與控制、行星際測控通信等關鍵技術。

2 阿聯酋的希望所在

阿聯酋的首個火星探測器希望號也是阿拉伯國家首個深空探測器。它是由美國提供技術支持研制的，如同一顆火星的氣象衛星用于全面探測火星大氣，研究火星氣候變化、低空天氣變化、沙塵暴預報等。

2020年7月20日，阿聯酋希望號火星探測器率先使用日本H－2A火箭發射升空。

希望號有三大科學探測目標：一是觀測火星低層大氣，研究火星氣候動力學和火星全球的天氣；二是比較火星低層大氣和高層大氣，從而解釋火星上的氫和氧是如何流失的；三是探測火星高層大氣中氫和氧的結構變化，并確定火星失去氫與氧的機理。

阿聯酋希望號火星軌道器飛行示意圖

希望號火星探測器為箱式(近似立方體)，設計壽命為2年，可能再進行為期2年的擴展任務。探測器上裝有2副太陽電池翼，翼展7.9m，總功率600W，探測器的額定功率為477W；裝有一個直徑1.85m的碟形高增益定向天線和3個低增益非定向天線，采用X頻段通信；裝有6臺用于軌控的120N推力器和8臺用于姿控的5N推力器。

希望號上有3臺探測火星大氣的科學有效載荷：“阿聯酋探索成像儀”（EXI），“阿聯酋火星紅外光譜儀”（EMIRS），“阿聯酋火星紫外光譜儀”（EMUS）。

希望號將于2021年初接近火星，減速后進入為期近3個月的“捕獲軌道階段”，并進行檢測科學載荷和初步觀測。在此軌道上，EXI將拍攝第一張火星圖像，并回傳至地面。然后經過約6周的測試和調整，進入最終的目標軌道。這個軌道是進行了專門設計的，使探測器能夠進行全火星成像。

此后，希望號將拍攝火星全球大氣圖，在火星高軌道上同時觀測火星低層和上層大氣，獲取火星大部分表面在一天的大部分時間內的影像，研究火星低層和上層大氣的相互作用關系，并搜尋現在的和遠古的火星氣候之間的聯系。它還將研究火星低層大氣的變化情況、上層大氣中氫和氧的逃逸情況等，以揭示原本火星表面可維持液態水存在的大氣濃密在幾十億年的時間內變得稀薄的原因。

地面控制中心與希望號的通信每周兩次，每次6～8h。其探火數據超過1000GB，阿聯酋將與全球200多家大學和科研機構免費分享這些數據，這將為科學家構建火星大氣全息模型提供第一手數據。

3 天問一號“一舉三得”

我國火星探測計劃是中國航天局第一個火星探測計劃，于2016年1月11日正式立項，2020年4月24日被正式命名為天問一號，是中國行星探測工程的首次任務，它將深化中國人對火星乃至太陽系的科學認知，推進比較行星學等重大問題的研究。

概述

天問一號將通過一次發射實現火星環繞、著陸和巡視三項任務，用環繞器對火星開展全球性、綜合性的環繞探測，用巡視器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。這在人類火星探測史上是前所未有的。采用這種“一舉三得”的探火方式，起點高，效益高，但挑戰大。如果成功了，將使我國深空探測能力和水平實現跨越式發展，成為世界第3個在火星著陸的國家，第2個在火星巡視的國家。從科學上講，天問一號是對火星形態、地質學、礦物學、空間環境、土壤和水冰分布等進行研究的最全面的任務，這有利于建立起對火星全面而基礎的認識。

天問一號火星探測器飛向火星示意圖

2020年7月23日，我國用長征五號遙四運載火箭發射了我國首個火星探測器。這是長征五號系列運載火箭首次應用性發射，將探測器直接送入地火轉移軌道。天問一號將于2021年2月左右到達火星軌道，其著陸巡視器組合體將在探測器到達約2～3個月后，在火星表面進行軟著陸，候選著陸點為烏托邦平原（Utopia Planitia）。

天問一號的工程目標：突破火星制動捕獲、進入/下降/著陸（EDL）、長期自主管理、遠距離測控通信、火星表面巡視等，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。

天問一號的科學目標有5個：

一是研究火星形貌與地質構造特征。探測火星全球地形地貌特征，獲取典型地區的高精度形貌數據，開展火星地質構造成因和演化研究，繪制火星形態和地質結構圖。

二是調查火星表面土壤特征與水冰分布。探測火星土壤種類、風化沉積特征和全球分布，搜尋水冰信息，開展火星土壤剖面分層結構研究。

三是分析火星表面物質組成。識別火星表面巖石類型，探查火星表面次生礦物，開展表面礦物組成分析。

四是測量火星大氣電離層及表面氣候與環境特征。探測火星空間環境及火星表面氣溫、氣壓、風場，開展火星電離層結構和表面天氣季節性變化規律研究。

五是探索火星物理場（電磁場、引力場）與內部結構，探測火星磁場特性。開展火星早期地質演化歷史及火星內部質量分布和重力場研究。

天問一號火星探測器組成

我國首次火星探測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。其中，天問一號火星探測器由環繞器、著陸巡視器（進入艙和火星車）組成，總質量約5t（含燃料）。

（1）環繞器

質量3.6t左右（燃料質量占總質量的大部分）的環繞器，設計壽命1個火星年（687個地球日），采用“外部六面柱體+中心承力錐筒”構型，滿足5個飛行階段和11種飛行模式的設備布局需求。它主要完成地火轉移、火星制動捕獲、軌道調整等任務，為火星車提供3個月的中繼支持服務，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、通信器和探測器。需克服飛行時間長、面臨環境差、控制要求高和空間動作繁多四大困難。涉及5個主要環節：地火轉移、火星捕獲、離軌著陸、中繼通信和科學探測。

地火轉移段：環繞器需要進行4～5次中途修正和1次深空機動修正飛行路徑，飛過超過4.0×108km的路徑，才能逐漸飛近火星；火星捕獲段：發射約200天后，探測器將被火星捕獲，此時距離地球近1.93×108km，通信時延約11min；離軌著陸段：進入捕獲軌道后，環繞器將調整至停泊軌道，將擇機降軌釋放著陸器，著陸器分離后環繞器再抬軌回到停泊軌道；中繼通信段：環繞器將再次進入中繼軌道，為地球與著陸器提供為期3個月的中繼通信服務；科學探測段：中繼任務結束后，環繞器將再次進行降軌進入科學探測軌道，對火星軌道空間、火星表面開展科學探測。

其主要科學任務：拍攝中國首張火星全景圖；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：

1）中分辨率相機，用于獲取火星全球遙感影像圖。

2）高分辨率相機，用于對著陸區和高科學價值區域成像。

3）次表層雷達，用于開展火星表面次表層結構、極地區冰層探測。

4）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。

5）磁強計，用于探測火星空間磁場環境。

6）離子與中性粒子分析儀，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。

7）能量粒子分析儀，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。

（2）火星車

火星車約240kg，質量幾乎是玉兔號月球車的2倍，用于在著陸區開展巡視探測，設計工作壽命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；探測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，火星車攜帶6臺科學儀器：

1）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。

2）多光譜相機，用于探測火星表面物質類型分布，獲取巡視區可見、近紅外波段的圖像。

3）次表層雷達，用于探測巡視區次表層地質結構。

4）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。

5）表面磁場探測儀，用于探測巡視區局部磁場。

6）氣象測量儀，用于探測巡視區環境氣溫等氣象環境。

火星探測實施步驟

探測任務飛行過程包括發射、地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學探測等幾個階段。具體實施步驟如下：

1）用長征五號遙四運載火箭將天問一號送入地火轉移軌道。

2）器箭分離后，探測器太陽電池翼和定向天線相繼展開，在測控系統支持下，飛行約7個月抵達環火軌道，其間進行深空機動和中途修正。

3）進入環火軌道并經過制動后，天問一號通過2～3個月的環繞飛行后首選進入窗口，其間在著陸區上空對著陸區開展探測。

4）探測器擇機實施降軌機動，著陸巡視器與環繞器分離。環繞器升軌返回到停泊軌道，為著陸過程提供中繼通信；著陸巡視器進入火星大氣，依次完成配平翼展開、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，著陸于火星表面。

5）著陸后，火星車與著陸平臺解鎖分離。火星車駛離著陸平臺，開始巡視探測。著陸巡視器安全著陸后，環繞器進入中繼軌道，為火星車提供中繼通信并兼顧科學探測。火星車完成探測任務后，環繞器進入使命軌道，開展火星全球遙感探測，兼顧火星車擴展任務中繼通信。

我國火星著陸區在火星5°（N）～30°（N）。從光照考慮，火星赤道附近好，但地形復雜。另外，由于登陸火星99%以上減速是靠大氣，因此著陸點海拔越低減速時間越長，著陸越安全。

測控

測控系統由北京航天飛行控制中心、運載火箭測控系統、中繼衛星系統、近地航天測控網、深空測控網、甚長基線干涉測量（VLBI）測軌分系統和國際聯網站組成。其中，深空測控網包括佳木斯66m直徑天線測控站，喀什和阿根廷各有一個35m直徑天線測控站等。

2020年7月27日，天問一號探測器在飛離地球約1.2×106km處，利用環繞器上的光學導航敏感器拍攝到了地月合影。8月2日，天問一號在距地球3.0×106km，飛行230h，3000N發動機工作20s，完成第一次軌道中途修正。

我國還計劃在2028年左右進行第二次火星探測任務，采集火星土壤返回地球。

天問一號拍攝的地月合影

4 毅力號將繼續在火星上尋找生命

經過多次推遲，美國于2020年7月30日發射“火星2020”探測器，它由巡航級、下降級、減速器和毅力號（Perseverance）火星車等部件組成，最后只有毅力號火星車降落在火星表面。

毅力號火星車計劃2021年2月18日在火星杰澤羅隕環形山（Jezero Crater）著陸，那里在35億年前存在湖泊，可能是一個尋找生命跡象的好地方。它將至少工作1個火星年，通過收集火星的第一批樣本，并在未來的任務將這些樣本送回地球，為載人登陸火星鋪平道路。該項目耗資24.4億美元。

毅力號火星車是在好奇號（Curiosity）火星車的基礎上改進而成的，但整個系統也采用了多項新技術，例如，用地形相對導航（TRN）裝置使火星車在進入火星大氣層避開危險的地形；用距離觸發器（RT）提高打開降落傘的時間精度；機械臂有較大改進，“手”更大，裝有采集鉆頭、儀器和相機，其中用于對火星巖石和土壤樣本取芯的鉆機，能挑選放入未來樣品緩存系統的巖石樣品，并把這些樣品收集、存儲在火星表面的金屬管內存放于預定地點，以便以后的火星車找到并帶回地球進行更深入的實驗分析，這是首次采用這一技術；火星車內有一處專門裝樣品和鉆頭等的內部寄存地；其車輪設計有較大的改進，性能和安全性有明顯提高，擬行駛5～20km。

毅力號將主要通過研究地形尋找古代生命存在過的印記。由于科學目標與好奇號有很大的不同，因此裝了7臺新的科學儀器，使毅力號火星車有四大“絕活”：

一是將收集30塊內部巖石和土壤（風化層）的樣本，然后放置在火星表面上，未來將發射探測器把樣本帶回地球。

二是裝有23臺相機（好奇號有17臺相機），堪稱歷史之最。除工程相機和避險相機外，還有可實現彩色成像、三維成像、微距成像、發射紫外激光等一系列復雜功能的相機，將提供更多高分辨率、色彩鮮明的3D圖像，這對探測火星地質特征和潛在樣本非常有利。

三是攜帶了火星氧元素原位資源利用實驗儀，可以將占火星大氣約96%的二氧化碳變為氧氣和一氧化碳，氧氣對于探索火星的航天員至關重要。

四是攜帶一架小型無人駕駛直升機機智號（Ingenuity），可前往漫游車難以到達的地區或生物敏感地區進行區域勘探。

美國機智號微型火星直升機概念圖