硬核，全面科普天问一号和祝融号，我国的行星际计划从现在开始

　　梦想开始的地方
　　天问一号，中国国家航天局于2020年4月24日在中国第一颗卫星发射50周年纪念仪式上公布了任务的名字和标志，接下来我们就从名字开始，深入了解天问一号和祝融号任务。据中国科学院总工程师介绍，天问一号的意思是＂向天提问＂，取自公元前4世纪出生的诗人屈原的一首诗的名字。
　　来到梦想开始的地方，去年7月23日，中国首个独立的火星探测任务，天问一号由长征五号重型运载火箭从海南省文昌航天发射中心发射升空（图一） ，拉开了我国国家行星探测计划的序幕。这颗5吨重的探测器由轨道器和着陆舱两部分组成，行程约4.75亿公里，平均飞行速度约为每小时10万公里。
　　想要前往火星不是那么容易的事情，首先天问必须要到达火星轨道，在这期间，需要不断地调整轨道，确定路线，深空网的作用和天问自己的发动机机动操作尤其重要。7月23日发射，8月3日，天问一号进行了一次轨道修正任务，9月20日，进行了第二次轨道校正任务，11月2日晚上10点进行了第三次轨道修正任务，其8台25N发动机同时工作，在运行过程中天问一号任务团队还测试了25N发动机的性能。一共四次机动任务 ，还有一次我忘了具体时间了，但是道理是一样的。（图二）
　　大家会问，为什么到了火星还不着陆？其实这也是科学观测的一环，探测器在轨停留3个月期间，探测器轨道器上的7个任务有效载荷会全部逐步启动，这是为了深入火星轨道执行科学任务，并对最佳着陆点的地形和天气进行观测和分析。 （图三）
　　2021年3月4日，中国国家航天局公布了天问一号探测器拍摄的火星高分辨率图像，据报道，这些图像包括两幅全色图像和一幅彩色图像，这些全色图像是天问一号高分辨率相机在距火星表面330至350公里处拍摄的，分辨率约为70厘米 。在这些图片中，火星的地貌如小陨石坑、山脊和沙丘清晰可见，照片中最大的撞击坑直径约为620米。
　　2021年4月25日，中国国家航天局在周六的中国航天日上宣布，中国首个火星着陆探测车单位被命名为祝融号， 祝融是中国古代神话中的火神，与红色星球火星的中文名称相呼应，火给人类祖先带来了温暖和光明，火照亮了人类文明。（图四）
　　中国国家航天局副局长表示，以火神命名中国首个火星探测器，意味着点燃了中国行星探测的火焰。从字面上看，祝（意为愿望）表达了人类探索宇宙的美好愿望。中国国家航天局副局长补充到，融（意为融合与合作）体现了中国和平利用太空、建设人类命运共同体的愿景。他说，这个名字是中国航天工作者科学浪漫的又一个例子，因为他们用中国传统文化命名了包括天文、嫦娥、北斗在内的航天器，这也显示了中国人的探索精神和文化自信。
　　中国国家航天局于2021年4月24日在中国东部江苏省南京市宣布了中国首个火星探测器的名称，其实在去年7月，天问一号火星车命名活动就已经拉开帷幕。1月20日至2月28日，中国的太空迷受邀在10个候选名称中投票选出自己最爱的名字，其中祝融号名列榜首。（图五）
　　2016年，中国将4月24日定为国家航天日， 以纪念1970年4月24日中国第一颗卫星东方红一号卫星升空，南京主办了今年中国空间日的主要活动，航天日的各项活动成为中国公众和世界了解中国航天发展的窗口。
　　在轨探测两到三个月后，天问一号轨道飞行器释放了一个祝融号火星车和着陆器进入火星大气层，目标是在火星北半球广阔的平原Utopia Planitia进行可控着陆，着陆点也可翻译为乌托邦平原。我国科学家选择的着陆点非常考究，美国火星轨道探测器的雷达探测数据表明在乌托邦平原地区，很可能存在着大面积的地下冰结构，其含水量相当于五大湖中最大的苏必利尔湖。 （图六） 硬核实力派
　　中国地质大学行星科学家表示：＂天问一号共装备了13个科学有效载荷（下面会具体说到），用于研究火星的形态和地形，用雷达研究地表风化层和寻找水冰，研究地表物质的组成和电离层、气候的特征，环境和磁场。还有一个比较特殊的目的是搜索和绘制地表和地下水冰的分布图，两个探测雷达将独立工作，其中一个在轨道器上，它将进行一次全球调查，但更多地集中在极地高纬度地区，另一个在火星车上。 ＂ （图七）
　　澳门科技大学副教授表示：＂我们想利用雷达系统来测量火星表面的地下结构，特别是对于埋藏的水冰。我们不仅可以研究火星的潜在地质结构，还可以研究为人类长期居住提供潜在能量与饮用来源。测量极地冰层和二氧化碳的厚度和层数，了解火星的季节性大气演变也很重要。通过结合轨道和探地雷达结果，我们将更好地了解着陆场的土壤结构和演变。 ＂
　　一旦到达地面，着陆器将释放一个类似梯子的结构，重240千克的漫游车将驶上地面。如果中国按照计划完成这些壮举，中国将成为继苏联和美国之后第三个在火星上进行软着陆的国家，也是第二个在火星上驾驶火星车的国家。  （图八）
　　天问一号将使用安全气囊和降落伞来管理其下降和着陆，这个和美国宇航局好奇号，毅力号的着陆方式有所不同，美国宇航局的火星探测器通常还有一个火箭模块，反作用于地面，帮助毅力号或者好奇号更平稳的着陆，但是这一操作需要的指令更多，出问题的几率也就会越大。
　　在火星上着陆与月球不同，这也带来了特别的的挑战，首先火星有一个稀薄的大气层，在着陆器下降的时候会加热航天器，而且当天问一号着陆时，地球和火星将相距约1.5亿公里，因此通信信号需要8分钟才能到达。因此，航天器着陆过程的制导、导航和控制GNC将是完全自主的。该系统将以嫦娥四号的GNC为基础，嫦娥四号在2019年就实现了月球背面的首次着陆。 （图九图十图十一）
　　另外，我还是要先和大家说一下天问一号着陆舱的隔热罩，是椎体的，因为椎体隔热罩符合钝体空气动力学，无论是美国宇航局还是中国宇航局还是俄罗斯宇航局的火星着陆器，他们的椎体顶端都会形成一个70度角结构，当它以极快速度速度撞击大气层时，将提供第一次减速过程，飞船也是这个样子的。中国已经从神舟飞船上汲取了技术和经验，神舟飞船允许宇航员重入地球大气层并安全着陆。
　　隔热罩将负责减缓航天器在最后下降过程中的速度，其中大部分将由中国天问一号探测器7500牛顿的可变推力发动机提供，就像中国嫦娥3号和嫦娥4号登月着陆器使用的主发动机一样，这也是之前已经熟练的技术。着陆器，注意，不是祝融号火星车，将使用激光测距仪finder和微波测距速度传感器，以获取导航数据技术，这也是最初为中国的月球任务开发的技术。 （图十二）
　　据天问一号任务总设计师介绍，着陆器将在70米高空与飞船主体分离，进入悬停阶段，寻找安全着陆点。激光雷达将提供地形数据，比如着陆点海拔高度，而着陆器的避障模式，由光学相机协助，在地面以上20米处光学相机将启动，避障系统与激光雷达是嫦娥四号探测器已经研究过的技术。
　　其实我在2019年末就说过，当时西安航天推进研究所说未来航天器推进系统的性能和控制已经过验证，并通过了所有必要的飞行前测试，包括悬停、避险、减速和着陆测试，这其实就是在说天问的原型机，在这之前，飞船的降落伞系统也已成功测试。（图十三）
　　现在祝融号已经登上了火星，祝融号可以直接与地球通信，也可以与天问一号卫星通信，天问一号也可以自己传递信号。天问一号轨道器有自己的一套研究火星的科学仪器，其中包括一个高分辨率的相机，大概是70厘米的精度，之前拍摄到的照片我们也看到了。
　　我先来说一下祝融号火星车配备科学仪器的作用，祝融号配备了照相机、用于研究火星气候和拍照，还有一个可以击碎岩石并记录其化学特征，这个刚才已经说过了，就像美国宇航局的好奇号和毅力号火星车一样。而祝融号雷达的工作原理是向地表发射无线电波并测量反射的时间，使地球上的科学家能够制作出一张火星地下的三维地图，这和玉兔二号的工作原理相同。 （图十四）
　　中国的玉兔二号月球车利用月球背面的雷达探测到了月球表面下40米处的3个不同层，科学家们在中国的柴达木盆地测试了一个探测车大小的雷达，这是一个像火星一样寒冷的沙漠地区，能够探测到地下的空洞结构。在地球上，这些空洞结构可以容纳微生物群落，因此在火星上探测它们将是我们在其他星球上寻找生命的重要一步。
　　天文一号整体结构由轨道飞行器，着陆器和探测车组成，预期的天问一号轨道器的工作时间是1年，祝融号火星车的预期工作时间是90天，天问一号轨道器科学观测阶段的轨道为火星极椭圆轨道（265公里×12000公里）。中国国火星探测任务发言人，探月与航天局副局长说，＂天问一号火星任务的目的不仅仅是到达火星，真正的目标是收集尽可能多的有效科学数据，火星具有与地球相似的自然环境，一直是月球系统以外载人深空探测的优先目标。在美国宇航局先前的探索中，科学家们发现了证据表明火星上存在固态水冰混合物，所以我们有很多工作要做。＂
　　天问一号的主要任务是利用轨道器对整个行星进行全球性、大范围的勘测，并将探测器送至具有科学意义的地面位置，这是为了进行更加详细的勘测。具体来说，天问一号的科学目标包括：
　　（1）绘制火星地貌和地质构造图
　　（2）研究火星表层土壤特征和水冰分布
　　（3）分析火星表层物质组成
　　（4）测量火星电离层和火星表面的气候环境特征
　　（5）感知火星的物理场（电磁、引力）和内部结构。
　　我们在了解了天问一号的任务目标之后也就差不多能知道天问一号携带了哪些科学载荷了，其中轨道器的七个仪器包括：
　　中分辨率摄像头
　　高分辨率摄像头
　　火星轨道地下探测雷达，探地雷达是中国科学院航空航天信息研究所研制的关键探测仪器。它将调查火星土壤和冰，并收集有关火星表面以下10至100米结构的数据。
　　火星矿物学光谱仪
　　火星磁强计
　　火星离子和中性粒子分析仪
　　火星高能粒子分析仪
　　祝融号火星车的六个科学有效载荷包括：
　　多光谱照相机
　　地形摄像头
　　火星探测器地下探测雷达
　　火星表面成分探测器
　　火星磁场探测器
　　火星气象监测器 融
　　天问一号是一个由中国领导的项目，但来自多个国家的科学家和支持团队也支持为该任务提供一定的援助，来自法国托洛吉公司为天问一号探测器上的激光诱导击穿光谱仪做出了贡献。法国科学家在法国航天局的支持下，为中国提供了光谱技术方面的指导，该技术使用激光对岩石针头大小的部分进行照射，并使用光谱仪分析激光与岩石表面相互作用产生的等离子体发出的光，这项技术能够确定火星上岩石的化学组成。 奥地利科学院空间研究所的科学家协助开发了天问一号轨道飞行器上的磁强计，并帮助校准了飞行仪器姿态感知能力。阿根廷拥有的深空跟踪网也用于与天问一号通信，欧洲宇航局当时也很愿意为天问一号在其全球深空跟踪站网络上提供通信时间，并帮助探测器在火星之旅中导航。 （图十六）
　　因为之前有不少粉丝问到深空网的问题，所以我在这里具体介绍一下，欧洲航天局通过Delta-Differential One-way Range观测天问一号的活动，为中国的发射和早期LEOP轨道阶段以及后来的地火转移阶段提供了非常精确的跟踪支持。这是由位于西班牙Cebreros和西澳大利亚New Norcia深空35米直径天线完成的，这两个天线由欧洲负责管理。除此之外，我国喀什和东北黑龙江省佳木斯市的深空地面控制站，还有两颗在地球同步轨道工作的中继卫星也需要同时启动，与欧洲深空网一起运作，对天问一号遥测数据进行实时评估。
　　虽然天问一号是一个国际性合作项目，但是作为中国首个火星任务，天问一号雄心勃勃。从来没有一个国家试图在第一次尝试时就将轨道飞行器和火星车同时送上火星，从太空到火星表面是我国科学家首次面临的巨大的挑战。火星登陆需要隔热罩、推进器和降落伞，美国航天局称之为7分钟恐怖阶段。刚才说祝融号和着陆器将在乌托邦平原登陆，这片广阔的火星平原是美国航天局的维京2号飞船在20世纪70年代着陆的地方，以及星际迷航宇宙中造船厂的所在地。  （图十五） 对比环节
　　有粉丝让我拿天问一号和詹姆斯韦伯对比一下，这完全不是一个类型的科学仪器，所以最后一个环节是对比一下美国宇航局着陆的毅力号探测器，我们知道毅力号火星探测器只有一个火星车，没有轨道器，也没有着陆器，不过还是可以不严谨的对比一下。对比什么呢？当然是科学仪器了，科学仪器是衡量科学任务的重要标准，当然了最后还会和好奇和美国其他火星探测器的科学仪器对比一下。
　　我们的天问一号轨道探测器和祝融号探测器一共有13个科学仪器，上面都写到了，接下来大概说一下毅力号火星探测器的科学仪器，其实之前我都写过了，今天就简单提一下吧。 （图十七）
　　毅力号一共有7套科学仪器，就比如钻头系统，有9个钻头科学仪器，可以分别工作，共享数据，也可以一起工作，这算是一套科学仪器。相机系统，勇气和机遇号都有10个摄像头，好奇号火星探测器有17个，而毅力号搭载了23个摄像头，成像质量是好奇号火星探测器的7倍，它们分别用作不同的用途。相机系统最关键的是MASTCAM-Z，简单说，它可以在足球场大小的任何区域内看到一只蚊子，150微米精度。
　　毅力号还有一个火星样本返回计划所使用的样本存储系统，20个金属样品管，放在一个存储系统中，毅力号就在火星转悠，哪个地方的土壤有研究价值，就采哪里的土壤。
　　接下来是火星环境动力学分析仪器MEDA，就好像是我们天问的气象监测器，不过这是一个套件，MEDA主要包括以下几个部件，因为MEDA还包括空气温度仪器，相对湿度仪器，辐射灰尘仪器，还有热红外仪器和风传感仪器。
　　MOXIE火星原位制氧仪器套件，可以在火星表面利用火星二氧化碳制造氧气，这个实验非常重要，我有文章专门科普过，在这里就不说了。除此之外还有PIXLX射线化学分析仪套件，RIMFAX火星雷达成像仪器套件，SHERLOC矿物分光计套件，SuperCam超级摄像头套件。
　　结尾，结尾说什么哩，大脑一片空白，大半夜三点了，困了，詹姆斯韦伯太空望远镜见，啊～新世界的窗口
　　图一：天问一号乘坐长征五号火箭发射
　　图二：天问一号正在前往火星的途中
　　图三：天问一号在2月到达轨道之后拍摄到的照片
　　图四：天问一号火星车征名活动
　　图五：2018年的中国航天日
　　图六：祝融号火星着陆器预定着陆点与实际着陆点
　　图七：美国宇航局Viking 2号火星探测器在1976年拍摄到的乌托邦平原
　　图八：天问一号任务着陆器部署祝融号渲染图
　　图九：嫦娥四号
　　图十：嫦娥四号
　　图十一：嫦娥四号
　　图十二：天问一号着陆器与祝融号火星车下降的过程
　　图十三：2019年11月14日，星期四，在中国河北省怀来市，天问一号原型机正在进行悬停，避障和减速能力测试
　　图十四：玉兔二号探地雷达数据，月球风化层，嵌入巨石层，粗细材料堆叠层三结构组成
　　图十五：天问一号轨道器拍摄到的一个火星陨石坑
　　图十六：祝融号火星车科学仪器
　　图十七：毅力号火星探测器科学仪器