2020年世界火星探测概览

庞之浩 高开源（北京神舟航天文化创意传媒有限责任公司）

2020年是火星探测器的发射窗口，为此，有3个国家的火星探测器于7月下旬相继升空，即阿联酋的希望号（Hope）、中国的天问一号、美国的“火星2020”（Mars 2020）火星探测器，从而在全球掀起了空前的火星探测新高潮。

1 探火方式精彩纷呈

火星是太阳系中与地球最相似且距离第二近的行星，因此成为目前除地球以外人类研究程度最高的行星。人类用空间探测器对火星进行探测的历史几乎贯穿整个人类航天史，因为探测火星，了解火星起源和演化，有助于人类进一步认识地球和太阳系的形成和演化，预测地球的未来变化趋势。

人类探测火星的方式与探测月球的方式基本相似，包括环绕探测、着陆探测、巡视探测、采样返回探测和载人登陆探测等,早期还有飞越式探测。其中，采用环绕探测方式是对火星进行全球性综合普查；采用着陆探测和巡视探测方式是对火星进行区域性细致详查；采用采样返回探测和载人登陆探测方式是对火星进行区域性深入精查。但它们按前后顺序来说技术难度是越来越大，所以一般都采用循序渐进的方针。

与月球探测相比，由于火星距离地球比月球遥远得多，探测火星的难度也比探测月球的难度大得多。因此，至今人类对火星的探测只采用过环绕探测、着陆探测和巡视探测方式，未来的目标是对火星进行采样返回探测和载人登陆探测，但难度、投资和风险都将很大。

值得关注的是，通过一次发射采用多种探测方式、完成多种探测任务的好处是可以“少花钱，多办事”，但技术复杂，风险很大，所以一般很少采用。目前，只有美国的海盗－1、2（Viking－1、2）火星探测器成功实现了通过一次发射完成环绕和着陆两项探测任务。欧洲曾进行过2次类似的火星探测活动，但都只完成了环绕探测，而着陆探测均告失败。我国2020年发射的天问一号火星探测器，将通过一次发射完成环绕、着陆、巡视三项任务，这在人类的火星探测史上是前所未有的，起点很高，风险也很大。

探测火星需要突破火星环境不确定性分析及地面模拟验证、火星进入气动外形与防热、火星进入大帆面降落伞、火星表面高精度软着陆导航与制导控制、火星表面长期生存和移动技术、火星自主导航管理与控制、行星际测控通信等关键技术。

2 阿联酋的希望所在

阿联酋的首个火星探测器希望号也是阿拉伯国家首个深空探测器。它是由美国提供技术支持研制的，如同一颗火星的气象卫星用于全面探测火星大气，研究火星气候变化、低空天气变化、沙尘暴预报等。

2020年7月20日，阿联酋希望号火星探测器率先使用日本H－2A火箭发射升空。

希望号有三大科学探测目标：一是观测火星低层大气，研究火星气候动力学和火星全球的天气；二是比较火星低层大气和高层大气，从而解释火星上的氢和氧是如何流失的；三是探测火星高层大气中氢和氧的结构变化，并确定火星失去氢与氧的机理。

阿联酋希望号火星轨道器飞行示意图

希望号火星探测器为箱式(近似立方体)，设计寿命为2年，可能再进行为期2年的扩展任务。探测器上装有2副太阳电池翼，翼展7.9m，总功率600W，探测器的额定功率为477W；装有一个直径1.85m的碟形高增益定向天线和3个低增益非定向天线，采用X频段通信；装有6台用于轨控的120N推力器和8台用于姿控的5N推力器。

希望号上有3台探测火星大气的科学有效载荷：“阿联酋探索成像仪”（EXI），“阿联酋火星红外光谱仪”（EMIRS），“阿联酋火星紫外光谱仪”（EMUS）。

希望号将于2021年初接近火星，减速后进入为期近3个月的“捕获轨道阶段”，并进行检测科学载荷和初步观测。在此轨道上，EXI将拍摄第一张火星图像，并回传至地面。然后经过约6周的测试和调整，进入最终的目标轨道。这个轨道是进行了专门设计的，使探测器能够进行全火星成像。

此后，希望号将拍摄火星全球大气图，在火星高轨道上同时观测火星低层和上层大气，获取火星大部分表面在一天的大部分时间内的影像，研究火星低层和上层大气的相互作用关系，并搜寻现在的和远古的火星气候之间的联系。它还将研究火星低层大气的变化情况、上层大气中氢和氧的逃逸情况等，以揭示原本火星表面可维持液态水存在的大气浓密在几十亿年的时间内变得稀薄的原因。

地面控制中心与希望号的通信每周两次，每次6～8h。其探火数据超过1000GB，阿联酋将与全球200多家大学和科研机构免费分享这些数据，这将为科学家构建火星大气全息模型提供第一手数据。

3 天问一号“一举三得”

我国火星探测计划是中国航天局第一个火星探测计划，于2016年1月11日正式立项，2020年4月24日被正式命名为天问一号，是中国行星探测工程的首次任务，它将深化中国人对火星乃至太阳系的科学认知，推进比较行星学等重大问题的研究。

概述

天问一号将通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视三项任务，用环绕器对火星开展全球性、综合性的环绕探测，用巡视器对有科研价值的局部地区开展高精度、高分辨率的详细调查。这在人类火星探测史上是前所未有的。采用这种“一举三得”的探火方式，起点高，效益高，但挑战大。如果成功了，将使我国深空探测能力和水平实现跨越式发展，成为世界第3个在火星着陆的国家，第2个在火星巡视的国家。从科学上讲，天问一号是对火星形态、地质学、矿物学、空间环境、土壤和水冰分布等进行研究的最全面的任务，这有利于建立起对火星全面而基础的认识。

天问一号火星探测器飞向火星示意图

2020年7月23日，我国用长征五号遥四运载火箭发射了我国首个火星探测器。这是长征五号系列运载火箭首次应用性发射，将探测器直接送入地火转移轨道。天问一号将于2021年2月左右到达火星轨道，其着陆巡视器组合体将在探测器到达约2～3个月后，在火星表面进行软着陆，候选着陆点为乌托邦平原（Utopia Planitia）。

天问一号的工程目标：突破火星制动捕获、进入/下降/着陆（EDL）、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等，实现火星环绕探测和巡视探测,获取火星探测科学数据，实现我国在深空探测领域的技术跨越。

天问一号的科学目标有5个：

一是研究火星形貌与地质构造特征。探测火星全球地形地貌特征，获取典型地区的高精度形貌数据，开展火星地质构造成因和演化研究，绘制火星形态和地质结构图。

二是调查火星表面土壤特征与水冰分布。探测火星土壤种类、风化沉积特征和全球分布，搜寻水冰信息，开展火星土壤剖面分层结构研究。

三是分析火星表面物质组成。识别火星表面岩石类型，探查火星表面次生矿物，开展表面矿物组成分析。

四是测量火星大气电离层及表面气候与环境特征。探测火星空间环境及火星表面气温、气压、风场，开展火星电离层结构和表面天气季节性变化规律研究。

五是探索火星物理场（电磁场、引力场）与内部结构，探测火星磁场特性。开展火星早期地质演化历史及火星内部质量分布和重力场研究。

天问一号火星探测器组成

我国首次火星探测任务由工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控、地面应用五大系统组成。其中，天问一号火星探测器由环绕器、着陆巡视器（进入舱和火星车）组成，总质量约5t（含燃料）。

（1）环绕器

质量3.6t左右（燃料质量占总质量的大部分）的环绕器，设计寿命1个火星年（687个地球日），采用“外部六面柱体+中心承力锥筒”构型，满足5个飞行阶段和11种飞行模式的设备布局需求。它主要完成地火转移、火星制动捕获、轨道调整等任务，为火星车提供3个月的中继支持服务，通过携带的科学载荷对火星开展约1个火星年的科学探测，实现对火星全球普查和局部详查。

环绕器具备三大功能：飞行器、通信器和探测器。需克服飞行时间长、面临环境差、控制要求高和空间动作繁多四大困难。涉及5个主要环节：地火转移、火星捕获、离轨着陆、中继通信和科学探测。

地火转移段：环绕器需要进行4～5次中途修正和1次深空机动修正飞行路径，飞过超过4.0×108km的路径，才能逐渐飞近火星；火星捕获段：发射约200天后，探测器将被火星捕获，此时距离地球近1.93×108km，通信时延约11min；离轨着陆段：进入捕获轨道后，环绕器将调整至停泊轨道，将择机降轨释放着陆器，着陆器分离后环绕器再抬轨回到停泊轨道；中继通信段：环绕器将再次进入中继轨道，为地球与着陆器提供为期3个月的中继通信服务；科学探测段：中继任务结束后，环绕器将再次进行降轨进入科学探测轨道，对火星轨道空间、火星表面开展科学探测。

其主要科学任务：拍摄中国首张火星全景图；探测火星土壤类型分布和结构，探测火星表面和地下水冰；探测火星地形地貌特征及其变化；调查和分析火星表面物质成分；分析火星大气电离层并探测行星际环境。

为此，环绕器携带了7台科学仪器：

1）中分辨率相机，用于获取火星全球遥感影像图。

2）高分辨率相机，用于对着陆区和高科学价值区域成像。

3）次表层雷达，用于开展火星表面次表层结构、极地区冰层探测。

4）矿物光谱分析仪，用于探测火星表面的矿物种类、含量和空间分布情况。

5）磁强计，用于探测火星空间磁场环境。

6）离子与中性粒子分析仪，用于对太阳风以及火星空间离子和中性粒子的能量、通量和成分进行测量。

7）能量粒子分析仪，用于获取火星空间环境中能量粒子的能谱通量和元素成分数据。

（2）火星车

火星车约240kg，质量几乎是玉兔号月球车的2倍，用于在着陆区开展巡视探测，设计工作寿命92个地球日。其主要科学任务：探测火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型；探测火星巡视区土壤结构并探查水冰；探测火星巡视区大气物理特征与表面环境，探测火星巡视区形貌和地质构造。

为此，火星车携带6台科学仪器：

1）导航/地形相机，用于为火星车提供导航和定位依据，获取着陆区及巡视区高分辨率三维图像。

2）多光谱相机，用于探测火星表面物质类型分布，获取巡视区可见、近红外波段的图像。

3）次表层雷达，用于探测巡视区次表层地质结构。

4）表面成分探测仪，用于获取紫外至近红外谱段的高分辨率光谱特征信息。

5）表面磁场探测仪，用于探测巡视区局部磁场。

6）气象测量仪，用于探测巡视区环境气温等气象环境。

火星探测实施步骤

探测任务飞行过程包括发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等几个阶段。具体实施步骤如下：

1）用长征五号遥四运载火箭将天问一号送入地火转移轨道。

2）器箭分离后，探测器太阳电池翼和定向天线相继展开，在测控系统支持下，飞行约7个月抵达环火轨道，其间进行深空机动和中途修正。

3）进入环火轨道并经过制动后，天问一号通过2～3个月的环绕飞行后首选进入窗口，其间在着陆区上空对着陆区开展探测。

4）探测器择机实施降轨机动，着陆巡视器与环绕器分离。环绕器升轨返回到停泊轨道，为着陆过程提供中继通信；着陆巡视器进入火星大气，依次完成配平翼展开、降落伞开伞、大底分离、背罩分离、动力减速、悬停、避障及缓速下降、着陆缓冲等动作，着陆于火星表面。

5）着陆后，火星车与着陆平台解锁分离。火星车驶离着陆平台，开始巡视探测。着陆巡视器安全着陆后，环绕器进入中继轨道，为火星车提供中继通信并兼顾科学探测。火星车完成探测任务后，环绕器进入使命轨道，开展火星全球遥感探测，兼顾火星车扩展任务中继通信。

我国火星着陆区在火星5°（N）～30°（N）。从光照考虑，火星赤道附近好，但地形复杂。另外，由于登陆火星99%以上减速是靠大气，因此着陆点海拔越低减速时间越长，着陆越安全。

测控

测控系统由北京航天飞行控制中心、运载火箭测控系统、中继卫星系统、近地航天测控网、深空测控网、甚长基线干涉测量（VLBI）测轨分系统和国际联网站组成。其中，深空测控网包括佳木斯66m直径天线测控站，喀什和阿根廷各有一个35m直径天线测控站等。

2020年7月27日，天问一号探测器在飞离地球约1.2×106km处，利用环绕器上的光学导航敏感器拍摄到了地月合影。8月2日，天问一号在距地球3.0×106km，飞行230h，3000N发动机工作20s，完成第一次轨道中途修正。

我国还计划在2028年左右进行第二次火星探测任务，采集火星土壤返回地球。

天问一号拍摄的地月合影

4 毅力号将继续在火星上寻找生命

经过多次推迟，美国于2020年7月30日发射“火星2020”探测器，它由巡航级、下降级、减速器和毅力号（Perseverance）火星车等部件组成，最后只有毅力号火星车降落在火星表面。

毅力号火星车计划2021年2月18日在火星杰泽罗陨环形山（Jezero Crater）着陆，那里在35亿年前存在湖泊，可能是一个寻找生命迹象的好地方。它将至少工作1个火星年，通过收集火星的第一批样本，并在未来的任务将这些样本送回地球，为载人登陆火星铺平道路。该项目耗资24.4亿美元。

毅力号火星车是在好奇号（Curiosity）火星车的基础上改进而成的，但整个系统也采用了多项新技术，例如，用地形相对导航（TRN）装置使火星车在进入火星大气层避开危险的地形；用距离触发器（RT）提高打开降落伞的时间精度；机械臂有较大改进，“手”更大，装有采集钻头、仪器和相机，其中用于对火星岩石和土壤样本取芯的钻机，能挑选放入未来样品缓存系统的岩石样品，并把这些样品收集、存储在火星表面的金属管内存放于预定地点，以便以后的火星车找到并带回地球进行更深入的实验分析，这是首次采用这一技术；火星车内有一处专门装样品和钻头等的内部寄存地；其车轮设计有较大的改进，性能和安全性有明显提高，拟行驶5～20km。

毅力号将主要通过研究地形寻找古代生命存在过的印记。由于科学目标与好奇号有很大的不同，因此装了7台新的科学仪器，使毅力号火星车有四大“绝活”：

一是将收集30块内部岩石和土壤（风化层）的样本，然后放置在火星表面上，未来将发射探测器把样本带回地球。

二是装有23台相机（好奇号有17台相机），堪称历史之最。除工程相机和避险相机外，还有可实现彩色成像、三维成像、微距成像、发射紫外激光等一系列复杂功能的相机，将提供更多高分辨率、色彩鲜明的3D图像，这对探测火星地质特征和潜在样本非常有利。

三是携带了火星氧元素原位资源利用实验仪，可以将占火星大气约96%的二氧化碳变为氧气和一氧化碳，氧气对于探索火星的航天员至关重要。

四是携带一架小型无人驾驶直升机机智号（Ingenuity），可前往漫游车难以到达的地区或生物敏感地区进行区域勘探。

美国机智号微型火星直升机概念图