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天问一号（英文名：Tianwen-1[1]）是负责执行中国首次火星探测任务的探测器，由环绕器和着陆巡视器组成。[2]天问一号共携带13台科学探测设备，用于开展火星全球形貌与地质结构探测、物质成分探测、浅层结构与水分布探测、空间环境探测和火星物理场探测。[6]
天问一号于2020年7月23日在海南文昌航天发射场发射升空；2021年2月10日进入环火轨道，成为中国第一颗人造火星卫星；2月24日进入火星停泊轨道，开展为期约3个月的环绕探测，为顺利着陆火星奠定了基础。[5]着陆巡视器于2021年5月15日成功着陆在火星乌托邦平原南部预选着陆区，标志着中国成为继苏联和美国之后世界上第三个探测器成功在火星着陆的国家。[7][4]5月22日，巡视器（祝融号）驶离着陆平台，到达火星表面，开始巡视探测。[8]
天问一号在世界航天史上首次成功实现通过一次任务完成火星环绕、着陆和巡视三大目标，标志着中国在行星探测领域跨入世界先进行列。[9]
名称标识
2016年8月23日，中国火星探测工程名称和图形标识全球征集活动开始。[10]2017年1月15日，中国火星探测工程名称和图形标识全球征集活动初评结果公布，凤凰、天问、腾龙、麒麟、朱雀、火星、追梦、凤翔等8个工程名称和图形标识作品入围。[11]2020年4月24日，国家航天局宣布，中国行星探测任务命名为“天问”，首次火星探测任务命名为“天问一号”，首次火星探测任务的标识为“揽星九天”。[12][13]
“天问”来源于屈原同名长诗，表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。[12]
“揽星九天”标识以“中国行星探测工程”作为整体概念，图案整体倾斜向上，太阳系八大行星镶嵌在C形轨道之上。[13]
项目背景
在天问一号探测任务之前，中国曾在2011年发射过萤火一号火星探测器，其主要任务目标是探测火星及其空间环境、揭示类行星空间演化特征等。[14][15]该探测器于2008年7月15日立项，2011年11月8日搭乘俄罗斯运载火箭和福布斯-土壤探测器一起前往火星，但是由于俄罗斯探测器未能按计划变轨，导致任务失败。虽然这次任务以失败告终，但是任务带动了中国深空探测航天技术发展、解决最远距离4亿公里的测控问题，为中国开展后续深空探测任务打下了基础。[15]
研制历程
2014年6月，中国月球探测工程首席科学家、“嫦娥之父”欧阳自远在第22届国际天文馆学会大会上透露，中国计划在2020年实现火星着陆巡视，在2030年实现火星采样返回。[16]11月，由环绕器和着陆巡视器组成的火星探测器系统在第十届中国国际航空航天博览会上首次亮相。[16]
2016年1月，中国首次自主火星探测获国家批准立项，计划于2020年7月通过一次任务实现火星环绕探测和巡视探测的目标。[17][18]8月23日，中国第一个火星探测器和火星车外观设计构型首次公布。[10]10月，11位社会文化艺术名人受邀为中国火星探测工程宣传推广代言。[19]
2017年7月，中国首个火星模拟基地落户青海省海西州大柴旦红崖地区，为中国首次火星探测活动提供各种模拟试验条件。[20]
任务目标
天问一号的科学目标是开展火星全球形貌与地质结构探测、物质成分探测、浅层结构与水分布探测、空间环境探测和火星物理场探测。[6]同时，通过首次火星探测任务的实施，中国将验证火星制动捕获、进入/下降/着陆、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等关键技术，为建立独立自主的深空探测基础工程体系夯实基础，推动中国深空探测活动可持续发展。[21]
环绕器
天宫一号环绕器由中国航天科技集团有限公司第八研究院设计，具备飞行器、通信器和探测器三大功能。[22]
环绕器首先作为飞行器，把着陆器送入火星着陆轨道，待着陆巡视器成功释放后，环绕器将作为通信器，为着陆器和地球之间建立中继通信服务，待通信工作结束后，环绕器将作为科学探测器对火星进行遥感探测。[22]
环绕器共携带7台科学仪器，分别是中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱分析仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪。[23]
科学仪器名称主要任务中分辨率相机拍摄火星全景全貌，获取火星全球遥感影像图和火星地形地貌信息。[24]高分辨率相机对火星重点区域进行精细化观测，研究火星地形地貌和地质构造。[25]火星矿物光谱分析仪分析火星矿物资源分布和地质环境探测。[26]次表层探测雷达分析火星次表层分层结构，推算其物质组成。[27]火星磁强计获取火星空间磁场环境高精度数据，结合其他载荷仪器对火星大气中的粒子逃逸等问题开展研究。[28]火星离子与中性粒子分析仪研究太阳风和火星大气相互作用、太阳风在行星际的传播特性。[29]火星能量粒子分析仪测量近火星空间的带电粒子分布情况。[30]
| 科学仪器名称 | 主要技术指标 |
|---|---|
| 中分辨率相机 | 成像谱段：可见光波段 颜色：彩色（标准RGB） 地元分辨率：优于100m@400km 成像幅宽：400km@400km 有效像元数量：4096×3072 |
| 高分辨率相机 | 地元分辨率（265km高度）： ①全色：优于2.5m，局部重点区域0.5m ②彩色：优于10m，局部重点区域2m 光谱波长： ①全色：0.45~0.9μm ②彩色：蓝0.45~0.52μm、绿0.52~0.60μm、红0.63~0.69μm、近红外0.76~0.9μm 成像幅宽：9km@265km |
| 火星矿物光谱分析仪 | 光谱范围： ①可见近红外：0.45~1.05μm ②近中红外：1~3.4μm 光谱分辨率： ①可见近红外：10nm ②近中红外：12nm@1~2μm，25@1~3.4μm 视场：视场采样探测点≤3；每探测点视场≤0.6° 空间分辨率：2.8km@265km |
| 次表层探测雷达 | 工作频率：10~20MHz，30~50MHz 发射机功率：100W 接收机灵敏度：-87dBm 极化：HH，HV 探测深度： ①火星次表层结构约100m（土壤，εr=3~4） ②火星极区冰层约1000m（冰，εr=3） 厚度分辨率：米级 甚低频射电接收频率：10KHz~10MHz |
| 火星磁强计 | 测量范围：±2000nT 噪声水平：≤0.01nT/√Hz 分辨率：≤0.01nT 精度：0.1nT 采样率：1Hz、32Hz、128Hz（1Hz为正常工作模式，其他模式可选） |
| 火星离子与中性粒子分析仪 | ①低能离子 能量：5ev~25kev 能量分辨率：15% 质量：1~70amu 质量分辨率：25% 视场90°×360° 角分辨率：11.2°×22.5° 时间分辨率：8s ②低能中性粒子 能量：50ev~3kev 能量分辨率：100% 质量：1~32amu 视场：15°×160° 角分辨率：10°×25° 时间分辨率：4s |
| 火星能量粒子分析仪 | 能量范围： ①电子：0.1~12MeV ②质子：2~100MeV ③α粒子、重离子：25~300MeV 能量分辨率：15% 通量：0~105cm-2s-1 元素成分：H~Fe（1≤Z≤26） 重离子质量分辨率：≤25%（Z≤9，能量范围25~300MeV）；≤25%（10≤Z≤26，能量范围25~300MeV）；≤60%（10≤Z≤26，能量范围25~100MeV）。 视场：60° 时间分辨率：4s（质子、电子、α粒子）、60s（重粒子） |
着陆巡视器
天问一号着陆巡视器由进入舱和“祝融号”火星车组成。[32]进入舱外形呈大钝头倒锥体，里面包着火星车和着陆平台。进入舱的主要任务是把火星车安全的送达火星表面，然后在火星表面开展辅助性工作，展开坡道建立和火星表面建立通道，用于火星车驶离；以及进行展示性的工作，用携带的相机进行成像、展开国旗。[32]火星车的质量为200公斤，火星车上有6个车轮，共携带6台科学仪器，分别是导航与地形相机、火星车次表层探测雷达、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、火星表面成分探测仪和多光谱相机。[33][34]
科学仪器名称主要任务导航与地形相机获取沿途地形地貌数据，规划行驶路径和探测目标，研究火星地质构造。[35]火星车次表层探测雷达探测火星表面土壤厚度、冰层结构，获取次表层地质结构数据。[36]火星表面磁场探测仪获取火星局部磁场数据，与其它仪器配合，探索火星磁场演变过程。[35]火星气象测量仪获取火星气象数据，用于研究火星大气物理特征。[35]火星表面成分探测仪和其它仪器结合探测火星表面物质反射太阳光辐射信息，获取物质元素的成分和含量。[37]多光谱相机探查火星表面次生矿物，研究火星表面物质组成。[38]
| 科学仪器名称 | 主要技术指标 |
|---|---|
| 导航与地形相机 | 成像谱段：可见光波段 颜色：彩色（RGB） 正常成像距离：0.5m~∞ 有效像元数量：2048×2048 信噪比：≥40dB |
| 火星车次表层探测雷达 | ①第一通道 工作频率：15～95MHz 极化：HH 对火星冰层穿透能力：米级 探测深度：火星次表层结构≥10m（土壤，εr=3~4）、火星极区冰层≥100m（冰，εr=3） 厚度分辨率：米级 ②第二通道 工作频率：450MHz～2150MHz 极化：HH、HV、VH、VV 探测深度：火星次表层结构≥3m（土壤，εr=3~4）、火星极区冰层≥10m（冰，εr=3） 厚度分辨率：厘米级 |
| 火星表面磁场探测仪 | 测量范围：±2000nT 噪声水平：≤0.01nT/√Hz 分辨率：≤0.01nT 温度稳定度：≤0.01nT/℃ 采样率：1Hz、16Hz、32Hz、128Hz（1Hz为正常工作模式，其他模式可选） 量程范围：±65000nT |
| 火星气象测量仪 | ①气温 测量范围：-120°C~50°C 分辨率：0.1°C 误差：1°C 采样率：1次/秒，1次/分钟，1次/10分钟，1次/30分钟，1次/1小时（可选） ②气压 测量范围：1~1500Pa 分辨率：0.1Pa 误差：1% 采样率：1次/秒，1次/分钟，1次/10分钟，1次/30分钟，1次/1小时（可选） ③风速 测量范围：0~70m/s 分辨率：0.1m/s 误差：1% 采样率：1次/秒，1次/分钟，1次/10分钟，1次/30分钟，1次/1小时（可选） ④风向 测量范围：0~360° 分辨率：5° 误差：<15° 采样率：1次/秒，1次/分钟，1次/10分钟，1次/30分钟，1次/1小时（可选） ⑤声音 频率范围：20Hz~2.5KHz（采样率5KHz）；2.5~20kHz（采样率40KHz） 灵敏度：优于50mV/Pa 动态范围：≥90dB 采样时间：10s，30s，60s，120s，300s（可选） |
| 火星表面成分探测仪 | ①LIBS探测 元素种类：不少于10种元素（Si、Al、Fe、Mg、Ca、Na、O、C、H、Mn、Ti、S等） 探测距离：2~5m（最佳探测距离），最远10m 波长：1064nm±15nm LIBS信噪比：≥40dB 显微图像分辨率：≤100μrad（0.20mm@2m，0.50mm@5m） 显微相机光谱范围：900nm~1000nm 光谱分辨率：0.1nm@240~340nm；0.2nm@340~540nm；0.3nm@540~850nm ②短波红外光谱探测 光谱范围：850nm～2400nm 光谱分辨率：≤12nm 视场：37.9mrad 信噪比：≥40dB |
| 多光谱相机 | 光谱范围：470nm~1025nm，可见光、近红外波段 成像谱段：多光谱，共8个谱段，分别为：480（20）、525（20）、650（12）、700（15）、800（25）、950（50）、900（30）、1000（50），注：括号内为半高全宽要求 正常成像距离：1.5~∞ 有效像元数量：2048×2048 信噪比：≥40dB(@525nm，反射率0.4，太阳高度角≥40°） |
运载火箭
天问一号由长征五号遥四运载火箭负责发射，在发射过程中长征五号遥四运载火箭将托举探测器加速到超过11.2千米/秒的速度，直接将探测器送入地火转移轨道。[21]“长征五号遥四运载火箭”中的“遥四”指的是第四发长征五号运载火箭。此前发射的三发都是研制性发射，其目的是考核火箭的性能。本次是长征五号运载火箭首次应用性发射。[39]
深空测控网
作为支持深空探测任务实施的核心系统，深空测控网具有不可替代的重要地位和作用。为此，中国利用地域上的东西纵深，在新疆喀什和黑龙江佳木斯分别建设深空测控站，并于2012年底正式投入使用。[40]2014年，中国与阿根廷政府签署协定，在阿根廷内乌肯省建设阿根廷深空站，这是中国首个海外深空测控站。该站与2017年建成并投入使用，用于中阿双方对外层空间的和平开发和利用。[41]至此，中国基本建成兼具S/X/Ka多频段测控能力，集测控、数传和长基线干涉测量等多种功能于一体的深空测控网，对深空航天器的测控覆盖率提高到90%以上。[40]2020年7月23日，天问一号发射升空以后，由喀什测控站、佳木斯深空测控站和阿根廷深空站组成的中国深空测控网在其地火转移段、火星捕获段、火星停泊段、离轨着陆段、科学探测段等阶段，持续接收、记录探测器遥测/数传数据，实施测轨和上行遥控及干涉测量原始数据的采集记录与传输。[42][40]
发射场地
天问一号在中国海南文昌航天发射场发射，该发射场靠近海港，火箭可以通过海上运输，箭体直径不受传统陆运和铁路运输限制。同时，该发射场距离赤道更近、纬度低，纬度越低地球自转的线速度越快，能提高火箭的运载能力和探测器的寿命。[43]
数据接收
火星距离地球最远的时候有4亿公里，中国国内的接收天线无法满足数据接收要求，因此中国科学院国家天文台在天津武清站新建了一座70米高性能数据接收天线，用于接收天问一号的数据。这台直径为70米的天线为轮轨式抛物面反射镜天线，工作频段为S/X/Ku，可俯仰90度，360度旋转，面积相当于9个篮球场大小。[44][45]
性能参数
任务经过
天问一号任务飞行过程包括发射升空、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等6个阶段。天问一号在升空后，飞行约7个月抵达火星，并通过2至3个月的环绕飞行后着陆火星表面，开展探测任务。[52]
发射升空
2020年7月23日，天问一号在中国文昌航天发射场发射升空，正式开启中国人自主探测火星之旅。[53]7月27日，天问一号在飞离地球约120万公里处回望地球，利用光学导航敏感器对地球、月球成像，获取了地月合影。其后，天问一号脱离地球引力影响范围，进入行星际转移轨道。[54]
地火转移
在天问一号飞往火星的过程中，为了减小飞行偏差，需要经历数次中途修正和深空机动，直至其抵达火星附近，并被火星捕获。[55][56]
2020年8月2日，天问一号完成第一次轨道中途修正，这是3000N轨控发动机首次太空点火工作，验证了发动机在轨的实际性能。[55]9月20日，天问一号4台120N发动机同时点火工作20秒，顺利完成第二次轨道中途修正，验证了120N发动机在轨的实际性能。[57]10月9日，天问一号主发动机点火工作480余秒，顺利完成深空机动，至此，探测器的飞行轨道变为能够准确被火星捕获的与火星精确相交的轨道。[56]10月28日，为了使天问一号按照预定时间与火星交会，天问一号8台25N发动机同时点火工作，完成第三次轨道中途修正，并验证了25N发动机在轨的实际性能。[58]2021年2月5日，天问一号发动机点火工作，完成地火转移段第四次轨道中途修正；同时，国家航天局还公布了一张天问一号在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像。[59]
火星捕获
2021年2月10日，天问一号探测器实施近火捕获制动，环绕器3000N轨控发动机点火工作约15分钟，进入大椭圆环火轨道，成为中国第一颗人造火星卫星，实现“绕、着、巡”目标的第一步，环绕火星成功。天问一号探测器环绕器携带的中分辨率相机、高分辨率相机、磁强计、矿物光谱分析仪、离子与中性粒子和能量粒子探测仪等载荷将陆续开始工作，对火星开展多维度探测。[48]2月15日，天问一号实施捕获轨道远火点平面机动，探测器上的3000N发动机点火工作，将轨道调整为经过火星两极的环火轨道，并将近火点高度调整至约265公里。[49]2月20日，天问一号实施第二次近火制动，进入周期约为4天的调相轨道，使其在运行一圈再次到达近火点附近时，能够正好经过预定着陆区上空。[60]
火星停泊
2021年2月24日，天问一号实施第三次近火制动，进入近火点280千米、远火点5.9万千米、周期2个火星日的火星停泊轨道；探测器将在停泊轨道上运行约3个月，环绕器7台载荷将全部开机，对火星开展全球遥感探测，为着陆做准备。[61][62]3月26日，国家航天局发布天问一号飞行至距离火星1.1万千米处，利用中分辨率相机拍摄拍摄的火星南、北半球侧身影像。[63]
离轨着陆
2021年5月15日凌晨1时许，天问一号在停泊轨道实施降轨，机动至火星进入轨道。4时许，着陆巡视器与环绕器分离，历经约3小时飞行后，进入火星大气，经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲，成功软着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区。两器分离约30分钟后，环绕器进行升轨，返回停泊轨道，为着陆巡视器提供中继通信。[64][65]5月17日，天问一号环绕器实施第四次近火制动，进入中继通信轨道，为火星车建立稳定的中继通信链路，陆续传回图像数据。[66]5月22日，天问一号巡视器驶离着陆平台，到达火星表面，开始巡视探测，实现“绕、着、巡”目标的第二步，着陆火星。[8]
科学探测
2021年6月11日，国家航天局公布了由祝融号火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡合影”等影像图，标志着中国首次火星探测任务取得圆满成功。[67]
2021年9月下旬，受日凌影响，天问一号环绕器和火星车进入自主运行模式，暂停科学探测工作；[68]两者于2021年10月中旬安全度过首次日凌，恢复科学探测工作。[69][68]
2021年11月8日，天问一号环绕器成功实施第五次近火制动，准确进入遥感使命轨道，开展火星全球遥感探测。在遥感轨道，火星环绕器将利用携带的中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、矿物光谱分析仪、磁强计、离子与中性粒子分析仪、能量粒子分析仪共7台载荷开展火星全球性和综合性的科学探测；同时，环绕器还将继续为火星车提供中继通信服务。[70]
2022年5月18日，为应对沙尘天气导致的太阳翼发电能力降低及冬季极低的环境温度，祝融号火星车转入休眠模式。[71]
截至2022年6月29日，天问一号环绕器已获取到覆盖火星全球的中分辨率影像数据，各科学载荷均实现火星全球探测；火星车顺利完成90个火星日既定科学探测任务；至此，天问一号环绕器和火星车均完成既定科学探测任务。后续，环绕器将继续开展全球遥感探测，并择机开展拓展技术试验，为相关任务开展先期技术验证；火星车在休眠结束后将继续实施拓展探测任务。[72]
2023年4月24日，国家航天局和中国科学院联合发布了中国首次火星探测火星全球影像图。该影像图为彩色，包括按照制图标准分别制作的火星东西半球正射投影图、鲁宾逊投影图以及墨卡托投影加方位投影图，空间分辨率为76米，将为开展火星探测工程和火星科学研究提供质量更好的基础底图。[73]
科学成果
2021年9月下旬至10月中旬，天问一号经历了首次火星日凌[注1]。[69]在火星日凌期间，天问一号环绕器和欧空局火星快车轨道器任务团队，通过两个探测器定期向地球发射无线电信号，多国科学家利用国内外十多个射电望远镜，对两个探测器的信号受太阳影响情况进行了观测，共获取约5TB数据。[68][69]通过这些数据研究人员发现，在无线电信号传播过程中穿越临日空间时，该区域的电子总含量发生了上千个TECU[注2]的变化。与大角度分光日冕仪在同一时期获取的光学遥感观测数据对比后，研究发现此次的电子总含量变化是日冕物质抛射现象（CME）[注3]所致。由于相同的频率扰动信号抵达不同位置测站的时间不同，通过频率扰动信号与各测站之间的传播距离与传播时间，可计算得到CME的等离子体抛射速度，因此多站联测可用来探讨临日空间太阳活动的空间传播情况。[75]同时，在火星投影点附近更小的空间尺度范围内，观测到因CME与冕流相互作用引起的冕流波，还在CME离去时探测到了初生高速太阳风流。[69]
研究人员通过对着陆区分布的凹锥、壁垒撞击坑、沟槽等典型地貌的综合研究，发现上述地貌的形成与水活动之间存在的重要联系。结合相机影像和火星车移动车辙等信息，发现着陆区土壤具有较强承压强度且摩擦参数较低，存在与水活动相关并经历风沙磨蚀的特征。[76]
国际合作
中国设在阿根廷的深空站，作为中国首个海外深空测控站，为天问一号提供测控支持。[77]
欧洲航天局位于德国的欧洲空间运转中心为天问一号提供遥测、遥控、跟踪等服务。[78]
奥地利科研促进署的奥地利航天部门参与了天问一号轨道飞行器上磁力计的研发。[79]
法国国家空间研究中心参考美国好奇号的数据，为祝融号搭载的激光诱导击穿光谱仪（LIBS）提供了校准和测试方面的帮助。[80]
荣誉记录
参考资料 81
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- 天问一号成功着陆 神奇外衣为其“遮风挡雨” — 今日头条
- “天问一号”首次火星探测任务五大科学目标正在一步步实现 — 光明网
- “祝融号”火星车顺利发回遥测信号 我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功 — 央视网
- “祝融”来到火星的170小时 — 新华网
- 天问一号一次完成绕着巡，我国在行星探测上跨入世界先进行列 — 今日头条
- 中国首次火星探测任务名称和图形标识征集活动启动 — 国家国防科技工业局
- 中国火星探测工程名称和图形标识全球征集活动评出前8强作品 — 月球探测工程
- 中国首次火星探测任务命名“天问一号”标识为“揽星九天” — 今日头条
- 揭秘｜中国公开首次火星探测任务名称，为什么是“天问”？ — 今日头条
- 中国首个火星探测器“萤火一号”搭载俄火箭升空 — 中国政府网
- 从“萤火一号”到“天问一号”——记中国航天成功奔向火星一周年 — 今日头条
- 火星探测器将首次亮相珠海航展 — 今日头条
- 国家航天局:火星探测任务已获批准立项 — 中国新闻网
- 中国首次火星探测任务批准实施 — 国家航天局
- 郎平、姚明、刘慈欣等11位名人成“火星大使”展示国家形象 — 环球网
- 中国首个火星模拟基地落户青海 — 新华网
- 出发吧，向着火星!——我国首次火星探测任务正式启航 — 新华网
- 天问·探路火星｜“上海牌”环绕器：能飞能探测的“多面手” — 今日头条
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注释
- 地球、火星运行到太阳的两侧且三者近乎处于一条直线，这种现象称作日凌。在此期间，火星探测器与地球的通信受到太阳电磁辐射干扰，出现不稳定甚至中断。[74]
- 总电子数单位，1TECU=1016个电子/平方米
- 日冕物质抛射现象是太阳最剧烈的爆发现象之一，可快速抛射大量携带有磁场的等离子体。