296天，4亿KM！300秒回顾天问一号远征火星全过程

　　2021年5月15日，在经历了296天的太空之旅后，天问一号火星探测器所携带的祝融号火星车及其着陆组合体，成功降落在火星北半球的乌托邦平原南部，实现了中国航天史无前例的突破：天问一号，成为中国首颗人造火星卫星；祝融号，成为中国首个火星车！
　　祝融是中国上古神话中的火神，火的应用促进了人类文明的发展，驱散黑暗、带来温暖。火也将照亮鸿蒙，指引人类不断探索浩瀚星空，引领人类追逐光明。
　　全球唯三，一次成功，我国的天问一号＂牛＂在哪？今天，「哈工创投」带您了解。
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　　视频 | 5分钟3D带你回顾_天问一号_飞向火星的295天 ，来源：科普中国
　　此次火星探测任务，我国实现世界首次，通过一次发射完成对火星的＂绕、着、巡＂，即环绕探测、着陆和巡视探测。更形象点说，就是由国家航天局组织研制的环绕器、着陆器和巡视器＂组团＂去火星。
　　在中国的＂探测器天团＂中，环绕器将围绕火星公转，采集火星数据并为巡视器提供与地球的数据中继服务；着陆器将负责保护巡视器安全降落在火星上；巡视器则负责完成重中之重的火星巡视探测任务。
　　经历＂恐怖八分钟＂
　　实现＂巨大飞跃＂
　　从进入火星大气到着陆火星表面是整个火星着陆过程中最为惊险的时刻。火星目前距离地球超过3亿公里，天问一号发出的讯号需要约18分钟才能传送到地球，因此科学家无法作出实时监察或操控，天问一号必须完全依靠自身计算机独立完成着陆全过程。
　　按目前公布的时序来看，天问一号整个着陆过程经历六个阶段，从第二阶段直至着陆大约需要8-9分钟：
　　1）着陆准备段：环绕器调整姿态和轨道，与装着着陆巡视组合体的气动外罩分离；
　　2）气动减速段：气动外罩以4.8公里/秒的速度和合适的角度进入大气层，利用大气摩擦减速到460米/秒；
　　3）伞系减速段：在约11公里高度处打开降落伞，利用降落伞进一步减速到约95米/秒。这一阶段内还会完成一系列操作，包括抛掉底部隔热盾，打开着陆平台的着陆腿，抛掉背罩和降落伞等；
　　4）动力减速段：利用着陆平台底部的7500N发动机点火产生的反冲力，将速度进一步降到约1.5米/秒；
　　5）悬停避障段：在距离火星表面100米高度处将速度减到0，达到相对于表面静止的悬停状态，在这个状态下调整水平位置，避开脚下的障碍物；
　　6）缓冲着陆段：依靠着陆腿缓冲，着陆平台稳稳地落在火星表面。
　　后三个阶段和嫦娥三号、四号着陆过程是相似的。
　　图 | 天问一号的＂恐怖八分钟＂ ，来源：航天科技集团
　　天问一号的成功着陆，是中国航天史上新的里程碑，标志着中国已经掌握了安全着陆火星的一系列复杂技术，也意味着中国＂后发先至＂，在两度挑战火星着陆失败的欧空局之前完成了火星着陆，成为继苏美之后第三个成功着陆火星的国家/组织。
　　意大利博洛尼亚射电天文学研究所的行星科学家奥罗西表示，＂祝融＂火星车着陆成功，就意味着中国只用一次任务就实现了美国耗费数十年历经多次任务实现的目标，＂这是巨大的飞跃＂。
　　跑得慢并不是实力弱
　　从1960年人类第一次尝试发射火星探测器到祝融号之前，一共有16次火星着陆任务成功进入了火星大气层，但只有9次任务成功着陆并顺利开展探测工作——近一半的失败率让这颗红色星球至今还保有＂探测器坟场＂的称号。
　　图 | 祝融号之前所有着陆火星并成功开展工作的探测器，来源：NASA
　　地球跟火星的平均距离是2.25亿公里，最近距离低至5500万公里，最远距离则高达4亿公里。再加上各种因素，火星探测器的发射有着最佳的＂窗口期＂。而距今最近的发射窗口便是天问一号的发射日期，2020年7月。
　　彼时，有三个国家前后发射了三艘火星探测器，分别是阿联酋的第一个火星探测器＂希望号＂，于2020年7月20日发射；我国的＂天问一号＂，于7月23日发射；美国NASA的＂毅力号＂，于7月30日发射。
　　2021年2月10日19时52分，经过6个半月的飞行之后，天问一号顺利完成＂刹车＂减速，进入环火星轨道，成为我国首颗人造火星卫星。几天后，毅力号也在2021年2月18日抵达火星。
　　不同的是，毅力号火星车在抵达火星当天就直接着陆了，而天问一号则先绕行了火星三个月，今天才正式着陆。
　　为什么会这样呢？主要原因有三个：
　　首先，天问一号是我国发射的首个火星探测器，全球首次选择一次性完成＂环绕、着陆、巡视＂三步走探测方案。天问一号由环绕器、着陆平台和火星车三件套组成，环绕器进入环火星轨道之后可以一直带着着陆巡视组合体，有充足的时间来选择合适的着陆时机。
　　相比之下，NASA的毅力号没有环绕器，用的是一个巡航级带着气动外罩（里面塞着火星车）飞往火星，也没有进入环火星轨道的设计。
　　等飞到了火星附近，巡航级一扔，无枝可依的气动外罩只能立刻扎进火星大气层开始着陆，没法等待。
　　那没有环绕器，NASA的通讯中继怎么办？这倒不是毅力号不需要通讯中继，主要是美国已经发射了许多火星探测器，现在在火星轨道上工作的环绕器还有好几个，完全够用。
　　其次，还是因为天问一号是我国第一个探测器，相比于美国巨量的发射经验，很多东西我们得现场摸索，稳扎稳打。火星地貌复杂，天问一号到达火星轨道之后，先要对火星地貌进行高分辨率成像，以找出合适的着陆点。
　　图 | 天问一号＂扫描＂火星表面示意图，来源：中国航天科技集团
　　NASA已经花费很长时间为备选着陆区积累高分辨率影像数据，也就是说，毅力号在出发之前就已经手握一份着陆区高清地图了。
　　最后，看过电影《火星救援》的小伙伴们都知道，火星上有着全球性的沙尘暴。1971年苏联火星2号和火星3号抵达火星时，就正好赶上火星全球性的沙尘暴。结果不仅环绕器没拍到啥东西，着陆车也直接失败。
　　图 | 天火星沙尘暴
　　不过别着急，现在还只是天问一号的着陆平台踏上了火星。等再过几天，祝融号从着陆平台上驶下，用自己的车轮触碰火星表面，开展巡视工作之后，这个纪录还能再次刷新：中国将有望超越苏联，成为继美国之后世界第二个成功着陆火星并顺利开展探测工作的国家/组织。
　　祝融号火星车
　　此次任务的祝融号火星车，由中国自主研发，它长2米、宽1.65米、高1.85米、重240公斤，是玉兔号月球车体重的两倍。不过别看它体重比玉兔大，身形却显得更为灵秀。四片太阳能电池翼，完全展开后犹如一只张开翅膀的蝴蝶。
　　而说起在火星工作，首先要面对的就是严酷的自然环境。因为那里常常是飓风沙尘、遮天蔽日，山川谷地也是乱石嶙峋。因此，强大的越野性能是火星车必备的素质。而我们中国的火星车由于使用了主动悬架技术，不仅可以走直线、原地转向、边走边转向，还能蠕动和横行，这样一来，不论在火星上遇到什么复杂地形，火星车也能想办法去适应。
　　除此之外，祝融号火星车还携带了6种科学探测仪器。它们是导航地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、磁场探测仪以及火星气象测量仪。
　　其中，一对导航与地形相机位于火星车桅杆顶端，是火星车的＂双眼＂，可以拍摄立体影像，负责帮助火星车导航和探测火星车沿途的地形地貌。
　　多光谱相机和表面成分探测仪负责探测和分析火星表面的岩石类型、矿物成分。
　　好奇号和毅力号火星车各有一个炫酷的＂激光炮＂——它们的化学相机（ChemCam）和超级相机（SuperCam）使用了一种叫做激光诱导击穿光谱（LIBS）的技术。
　　祝融号的表面成分探测仪也用了这项技术：通过向目标物发射高能激光脉冲，探测烧蚀激发出的等离子体冷却过程中的特征光谱，进而远程探测出目标物的化学成分。
　　图 | （左）好奇号化学相机（ChemCam）的工作原理示意图；（右）好奇号化学相机探测目标物中含有的化学成分示例，来源：NASA
　　祝融号火星车携带了2个磁强计，分别位于桅杆的顶端和底端，负责探测火星表面的磁场强度。
　　火星没有地球、水星那样内部自发的偶极磁场，但火星的壳层还有一些剩磁。
　　祝融号的探测结果既能帮助我们了解火星壳层剩磁的信息，也能与天问一号环绕器携带的磁强计探测结果相结合，帮助我们了解太阳风与火星高层大气/电离层的相互作用。
　　这也将是首个火星表面可移动的磁场探测仪器。
　　图 | （上）火星全球探勘者号（MGS）在400公里高处获取的火星壳层磁场分布，火星剩磁有着明显的南北不对称性，主要分布在南半球；（下）祝融号火星磁强计传感器的结构和封装后的外观
　　次表层雷达通过主动发射和接收电磁波信号来探测火星车沿途地下的浅表层结构，例如风化层厚度、地下浅层结构、水冰分布等。
　　次表层雷达主要原理是：不同物质的介电常数（可以简单理解为让电磁波衰减的能力）不同，因此探测器收到的从不同物质分界面反射回来的电磁波的时间和强度就会不同；反过来，通过测量到的雷达接收时间和反射强度，就可以反推这些雷达信号穿过了哪些不同的物质，每层物质有多厚。
　　图 | 次表层雷达的工作原理，来源：中科院电子所
　　与嫦娥三号、四号的测月雷达相似，祝融号也搭载了2个不同频率的次表层雷达，高频雷达探测浅部，低频雷达探测深部，这样可以兼顾探测深度和探测分辨率。
　　图 | 祝融号的低频和高频雷达天线
　　除了祝融号火星车，天问一号环绕器和NASA毅力号火星车也携带了次表层雷达。综合分析多个雷达的探测数据，可以帮助我们了解火星上不同区域、不同深度的次表层结构。
　　图 | 毅力号和天问一号环绕器的次表层雷达，来源：NASA、CNSA
　　火星气象站可以通过长期观测火星车附近的气温、气压、风速、风向等气象参数，为我们了解火星的气象状况，追溯火星的气候变化历史积累数据。
　　图 | 祝融号的火星气象传感器
　　结语
　　天问一号探测火星，祝融号着陆火星，不仅是中国航天工程任务难度的新突破，更是我国在行星科学领域的史无前例突破。天问一号的五大科学目标将为我国深空探测领域打下重要的基础，同时，也给世界带来了对火星研究的丰富补充。宇宙是个联系的整体，通过洞察这颗行星的奥秘，我们也能一探地球的过去和未来，迈向更远的星辰大海。
　　2000年前，屈原在长诗《天问》中发出的＂九天之际，安放安属？＂和＂日月安属，列星安陈？＂的旷世之问。2000年后，中国航天人要用实际行动给出解答：天问，问天！第一站就是火星，未来，还有更多的下一站来解答古人的疑问。
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