今年“中國航天日”期間，國家航天局宣布中國行星探測任務命名為“天問”系列，包括火星采樣返回、小行星探測、木星系探測等系列任務。星辰大海，中國來了!

為什么非要選在2020年7-8月間發射?

1火星年為687地球天

因為火星軌道和地球軌道的周期不一樣，所以地球到火星的距離是一種動態的關系。

地球、火星會大約每26個月會接近一次，實際數值在764天到812天之間波動。

2020年10月13日，火星與地球將發生一次最短接觸，2者間最短距離約為6300萬千米。

(非精確模擬)地球繞日軌道與火星繞日軌道

因此，為了節省燃料和飛行時間，前往火星就是概略沿著這個最短距離前往火星的。

因為從地球出發具有公轉軌道上的初速度，所以這條路徑會看起來類似一根拋物線，這根拋線就被稱為霍曼轉移軌道。

(精確模擬)“洞察”號沿霍曼轉移軌道到達火星，圖中藍點為地球、粉點為洞察號、綠點為火星

在進行霍曼轉移前，必須考慮到飛行器的飛行軌跡與火星軌道有相交點，從這一點往前推，刨去飛船飛行所用的時間，就是飛船出發的時間，而這一小段時間就是所謂的發射窗口，而最近一次的發射窗口正是2020年的在7-8月份之間。

火星探測2020窗口期，中美攜手(角逐)!

所以，過了2020年，可謂是“過了這個村，沒了這個店“，下一個發射窗口就要等到2022年下半年了

繼 3 月歐洲與俄羅斯合作的 ExoMars 火星漫游車宣布推遲發射后，目前還剩下中國的“天問一號”、美國的“毅力號”、阿聯酋的“希望”號3家了，可謂是“2020年全村人的希望之了”。

這阿聯酋的。。嗯。。。。大金主花錢，美國助研，日本助飛，你想想馬云拍功夫片吧，咱就不說了吧。

2020，火星之旅真正的主角就屬于中美了!，不知怎么，這讓我想起了2001太空漫游!

近20年來火星探測任務(表中除火星快車，ExoMars 2016外，其余均為美國)

人類對火星的探索由美國率先發起，1964年11月28日，NASA發射的水手4號是第一個訪問火星的探測器，緊接著是美國的維京1號首次登陸火星，自此以后，前蘇聯、歐洲、印度等也參與進來，至2019年，人類共進行了55次探索火星的任務，但美國仍是該領域絕對的霸主，也憑借著多年的耕耘，美國探索火星取得了重要的技術積累和大量的第一手資料。

螢火1號

2011年，中國的”螢火1號“也曾搭載俄羅斯Phobos-Grunt探測器上試水，但變軌失敗，未能如愿。

印度在探測火星方面運氣還不錯，其2013年發射的曼加利亞人火星軌道器在2014年9月24日成功到達火星，使印度繼美、俄、歐之后，第4個到達的國家，也是第一個成功的亞洲行星際任務。當然，其成功也少不了美國的幫助(干啥那么積極啊?)，其重要的深空通信和導航都是依賴于美國的中繼網絡設施。

現在，中國的天問一號任務趁著嫦娥系列探月任務成功的強勁勢頭(目前只有美、中成功登陸過)，借鑒美國探火的成功經驗，立足國家科技實力和發展需求，瞄準研究熱點，實現了多項創新和跨越式發展：

天問1號著陸巡視器，其中火星車重約240千克

1、任務起點高，技術跨度大：天問一號首次火星探測任務將通過一次任務，實現“繞、著、巡”，著陸有效質量僅次于好奇號(好奇號的總質量為899千克)，環火探測能力與國際相當。

2、探測方式創新：首次一次同時實施環繞探測和巡視探測，天地協同、相互驗證、互為補充，將對火星的水冰、土壤、空間環境、物理場和內部結構等進行探測;

3、面臨全新考驗：火星大氣層極其稀薄，著陸巡視將面臨全新的環境，火星探測可謂極其兇險，目前55次任務中，只有25個完全成功，占45.5%，不過，隨著人類對火星的逐步了解，成功率是不斷提升，自2001年以來的16個任務中，有12個成功，成功率上升到75%;

4、促進深空探索技術全面提升：此次任務成功將突破火星制動捕獲、進入著陸、表面巡視、長期自主管理、行星際測控通信等關鍵技術，使我國深空探測技術能力和水平進入世界航天第一梯隊，實現深空探測技術的跨越。

綜上，天問一號可以說是高起點、多任務、跨躍式創新，花最少的錢辦最多的事!

作為中國“天問系列”行星探測任務的首秀，任務按照發射入軌、地火轉移、火星捕獲、火星停泊(到達后繞火軌道后，會持續幾個月詳細勘察著陸地)、離軌著陸5步進行;

天問一號火星車從進入艙抵達火星地表

“天問一號”火星探測器包括環繞器、著陸巡視器，著陸巡視器又分為進入艙和火星車。首次發射定在海南文昌航天發射場。

火箭從中國文昌航天發射中心發射升空

1、入軌載具：長征5系列“運載火箭”

2、歷時：飛行距離約4億千米，2020年7-8月為發射窗口，預計2021年2月到達，歷時約7個月;

天問一號著陸巡視器著陸演示，采用傘降與直接反推相結合進行軟著陸

3、著陸：第一步探測器降軌，第二步環繞器與著陸巡視器分離，第三步釋放著陸巡視器

環繞器上升到中繼通信軌道，為火星車提供中繼通信鏈路，并開展繞火科學探測。

著陸巡視器通過傘降和反推發動機減速，軟著陸于火星表面。

火星車從著陸平臺上分離以后，就可以在火星表面開展工作了。

登陸火星的火星車

著陸地可能位于火星的烏托邦平原，與維京1號著陸器著陸地位于同一區域

4、“恐怖 7 分鐘”

美國洞察號的著陸過程，毅力號將沿用這一著陸方式

天問一號同樣要經歷降落階段的“恐怖7分鐘，需要在7分鐘內將時速要從2萬千米降到0，在人類現有 44 次火星探測中，能夠安全度過這 7 分鐘的僅有 9 次。

去干啥?

火星探測任務及有效載荷

首要科學問題是在探測火星上的生命活動信息;

其次是火星磁層、電離層與大氣層的探測與環境科學等本體科學研究;

戈壁沙漠中的“ Base 1 Station”模擬基地

其三是探討火星的長期改造與今后建立人類第二個棲息地。

天問一號環繞器配置了中分辨率相機、高分辨率相機、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種有效載荷;

天問一號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種有效載荷。

來看看美國的毅力號

美國的探測器采用地面火星車與火星直升機配合，主要的配置都在火星車上

“毅力”號火星車攜帶了7臺儀器：桅桿相機、火星環境動力分析儀、火星氧元素原位資源利用實驗儀、X射線巖石化學行星載荷、火星次表層雷達成像實驗儀、宜居環境有機物和化學物質拉曼與冷發光掃描探測儀、超級相機

桅桿相機是一種多光譜安裝在毅力號的桅桿上。能夠拍攝極高分辨率的彩色圖像和立體全景圖像，也能獲取每秒4幀的錄像，從而記錄一些動態的現象，如沙塵 暴、云的活動和天文現象等。桅桿相機還配備了帶通波器(400～1 000 nm)，可獲得多光譜數據，從而區分沒有風化和已經風化了的物質，也可區分硅酸鹽、 氧化物、氫氧化物以及一些與水環境相關的礦物等。 通過這個載荷，可以獲取火星車周圍的地形地貌、巖石的結構構造及礦物形態等信息，重建地質歷史。同時也可以獲取大氣與表面相互作用的信息， 從而評估現今的大氣和天氣狀況。

火星環境動力分析儀是一套用于環境監測的傳感器集合，能夠記 錄塵埃的光學性質和大氣參數(風速、風向、壓力、 相對濕度、空氣溫度和地面溫度)，也可以獲取大氣 氣溶膠的性質。

火星氧元素原位資源利用實驗儀能夠消耗火星大氣中的二氧化碳來 生產氧氣，主要由二氧化碳獲取壓縮系統和固體氧化 物電解槽兩部分組成。利用電化學的方法將二氧化碳分解成氧氣和一氧 化碳。這個載荷不僅能在該任務中驗證原位資源利用技 術，利用火星大氣生產可供呼吸的和作為火箭燃料的 氧氣，為人類探測火星任務做準備，也能測量大氣塵 埃的大小和形態，了解塵埃對火星表面環境的影響。

X射線巖石化學行星載荷能夠通過對目標巖石和土壤發射X射線，然后分析其誘發出來的X光熒光獲取亞毫米級的物質化學成分，能夠探測到Na、Mg、Al、Si、等近30種元素。

火星次表層雷達成像實驗儀是一個探地雷達，能夠發射150 MHz～ 1.2 GHz頻率的雷達脈沖信號，理論上在垂直方向上的 分辨率為14.2 cm。它在火星車的行進過程中工作，并 能夠運行在不同模式。火星車每行駛10 cm，其會默認 切換成深部穿透或淺部穿透模式。該儀器預計能獲取 次表層10 m內的信息。

宜居環境有機物和化學物質拉曼與冷發光掃描探測儀是一種深紫外共振拉曼和熒光光譜儀，它將被固定在機械臂上，利 用248.6 nm的激光獲取小于100 μm束斑內物質的成 分。該儀器對于芳香族有機物和碳聚合物的探測非常 靈敏，也可以探測到脂肪族有機物。除了有機物，還 能夠檢測到粒度在20 μm以下與水環境相關的礦物

超級相機是一個遙感載荷，包含有遙感光學測量和激光光譜儀，能夠高效快捷地遠距離 獲取樣品高精度的礦物和化學信息、原子和分子的組 成。該載荷包含4個光譜儀：①激光誘導剝蝕光譜儀 ，使用1 064 nm的激光探測7 米以內的目標; ②拉曼光譜儀，使用532 nm的激光探測12 米以內的目 標;③時間分辨熒光光譜儀;④可見光和紅外反射光譜儀，波長范圍400～900 nm和1.3～2.6 μm。利用這些 光譜儀能夠獲取樣品的礦物信息、分子結構，也能夠直接搜索有機物。同時，SuperCam的激光能夠清除樣品表面的灰塵，從遠距離獲取灰塵下的表面物質信息。該載荷還含有彩色遠程微成像儀，能夠獲取高分辨率的樣品影像。

對比結論

從次表層雷達成像、光學相機等載荷來看，中美在相似載荷的性能方面大致相當。比如次表面雷達的探測深度和分辨率2者相當。

毅力號近端巨大的核衰變電池，使用的是钚-238

但比較2家的載荷大家就可以看出，“激光”這個關鍵詞頻繁的出現在毅力號的相關載荷中，為什么，因為，毅力號使用的電源是被稱為“多任務放射性同位素熱電發生器”(MMRTG)的核電池，利用钚-238的衰變來供電，它可以提供110瓦的電力，在太陽光強較弱的火星對支撐多項大功率載荷(如激光)等方面具有重要作用。

美國在同位素溫差發電技術領域深耕多年，具有較強的技術優勢。1996年發射的“火星探路者”、2003年發射的“勇氣號"和“機遇號”就早已使用了放射性同位素，所以你看不到它們的太陽能電池板，因為不需要，其核電池的輸入功率和能量轉換率都具有很大的領先優勢。

另外，美國在著陸技術、深空網絡通信與控制支持等方面都有較深的技術和設施積累，這些需要客觀看待!

必將從跟跑到并跑直到領跑

我國行星探測工程圍繞太陽系起源與演化、小天體和太陽活動對地球的影響、地外生命信息探索等空 間科學重大問題，在 2030 年前安排了 4 次探測任務。 以火星探測為重點，按照“一步實現繞著巡、二 步完成取樣回”的發展路線，在2020 年實施首次火星探測任務，2030 年前后實現火星取樣返回探測任務。

另外將開展一小一大兩類太陽系天體原位探測，2024 年前后實現小行星探測，2030 年前后實施木星系及行星際探測，這兩次任務均是一次任務實現多個目標， 體現了我國深空探測多目標、高科學產出的特點。

我國已成功實施了“嫦娥一號”、“嫦娥二號”、“嫦 娥三號”、“嫦娥五號”再入返回試驗”以及“嫦娥四號” 共五次任務。這些任務的圓滿實現，標志我國已掌握 了月球探測的多項關鍵技術，獲得了大量科學成果， 建立了較為完善的工程體系，具備了月球全面探測和開展更遠距離深空探測的基礎。

相信依靠中國強大的制度優勢與戰略執行力，中國在深空探測領域必將從跟跑到并跑直到領跑!

關鍵詞： 天問一號