天問一號，着陸火星！_風聞

2021年5月15日清晨，**我國首個自主的火星任務天問一號攜帶的着陸巡視組合體（包括着陸平台和火星車祝融號）**成功穿越火星大氣層，着陸於火星北半球的烏托邦平原南端預選着陸區。

自此，我國成為繼美國之後第二個成功着陸火星的國家。（PS：蘇聯成功0.5次，後面會講）

祝融號着陸點 | haibaraemily

為了這一天，這個以中國神話傳説中的火神命名的小車，從地球出發，跋涉數億公里而來，又繞着火星等待了足足三個多月。

圖 | 新華社

測地觀天，摩拳擦掌

2021年2月10日，經過6個半月奔火飛行的天問一號“剎車”減速（近火制動），順利進入環火星軌道，成為我國首顆人造火星衞星。但天問一號並沒有急着讓祝融號立刻着陸，而是沉着耐心地準備了三個多月。（這節內容上期已經詳細講了，以防這期讀者沒有看過，再簡單介紹一下）

除了調整軌道、測試儀器之外，天問一號還要完成這些準備工作：

一是“測地”，用自帶的相機等儀器獲取備選着陸區的高清地形和地質數據，為祝融號認真考察着陸區。

天問一號“掃描”火星表面示意圖 | 航天科技集團

可為什麼明明已經有那麼多探測器給火星拍過照了，天問一號還要花時間自己拍照確認着陸區呢？因為雖然中分辨率影像幾乎覆蓋火星全球，但現有的米級高分辨率影像覆蓋量還是太少了。

在拍攝距離相同的情況下，探測器分辨率低的相機拍出的照片圖幅更大，很容易覆蓋全球，而分辨率越高的相機拍出的照片圖幅越小，即使是長年不懈地拍攝，一小張一小張拼起來也需要許多許多年才能覆蓋全球。

這是烏托邦平原一帶現有米級分辨率影像的覆蓋狀況，紅色是火星勘測軌道飛行器（MRO）的HiRISE相機影像（~0.5米/像素，300公里高度）覆蓋區域，綠色是火星全球探勘者號（MGS）的MOC相機影像（~1.4米/像素，378公里高度）覆蓋區域。

每張HiRISE影像覆蓋火星表面6公里寬的區域 | UArizona/LPL [1]

顯然，我們要是想去現有的火星高分辨率影像數據庫沒覆蓋到的地方，或者雖然已經有影像覆蓋，但照片還不夠多，成像質量不夠滿意的地方，還是靠自己去拍最靠譜。

天問一號今年3月傳回的兩張高分辨率相機影像，分辨率0.7米/像素（@ 330-350公里高度），可以看出大量地形地貌細節，能夠滿足為火星車考察着陸區的需要 | CNSA

二是“觀天”，為祝融號做氣象預報，挑選合適的着陸時機。

着陸不僅要挑盡量平坦的地方，還要挑儘可能天朗氣清，日麗風和，沒有沙塵暴搗亂的時候，這對使用太陽能板供電的祝融號來説尤為重要。

2018年6月，好奇號拍攝的火星全球性大沙塵暴的景象 | NASA

今年這個火星年（2021-2022年，一個火星年約等於2個地球年），北半球的春分發生在2021年2月7日，夏至發生在2021年8月25日。歷史數據顯示，祝融號計劃着陸的北半球，在火星春夏期間沙塵暴最為低發，是合適的着陸時期。從春分到夏至正中間（對今年來説就是從2021年5月中下旬）開始的6個地球月裏，北半球歷史上沒有發生過沙塵暴。

1996年到2013年（即火星年23-31）間，火星環繞器觀測記錄的沙塵暴。注意，起源於北半球的沙塵暴也可能發展到南半球範圍，反之亦然 | 改編自：參考文獻 [2]

在此基礎上，行星科學家們也在利用現有的火星探測器遙感數據（主要是亮温和陽光透射率數據）和着陸區的實際位置、地形情況，對計劃着陸區做氣象預報。提前避開大的沙塵暴，尋找將來哪個時間段氣候更宜降落。綜合判斷下來，祝融號在五月中旬之後着陸最為穩妥。

經過這些準備工作，祝融號終於在5月15日迎來了着陸。

“探測器墳場”

火星雖然只有稀薄的大氣層，但已經足以燒壞高速進入的探測器。因此想要着陸火星的探測器都必須“鎧甲”護身，被打包塞進隔熱的保護罩裏，這個罩子叫“氣動外罩”。天問一號的着陸平台和祝融號火星車，一路上都被塞在這個罩子裏，直到快要落地才會“破罩而出”。

天問一號組成結構 | 素材來源：航天科技集團

但僅僅加個保護罩還遠遠不夠。從進入火星大氣層，到着陸火星表面，探測器需要從初速度數公里/秒逐步減速到0，然後穩穩當當地落地。而且由於信號延遲和屏蔽，着陸過程中的所有步驟都需要探測器自主完成，得不到來自地球的幫助，稍有差池，就可能殞命火星。

從1960年人類第一次嘗試發射火星探測器到祝融號之前，一共有15次火星着陸任務成功進入了火星大氣層，但只有9次任務成功着陸並順利開展探測工作——三分之一的失敗率讓這顆紅色星球至今還保有“探測器墳場”的稱號。

祝融號之前所有着陸火星併成功開展工作的探測器 | NASA

值得一提的是，這9次任務全部都是NASA的，而其他國家最接近成功的一次，是蘇聯的火星3號。

1971年，NASA的水手9號，蘇聯的火星2號、3號相繼抵達火星。水手9號只有環繞器沒有着陸計劃，火星2號和3號都攜帶了着陸器和火星車。那一年，蘇聯距離首次完成“繞、着、巡”三大任務只有一步之遙。然而，它們好巧不巧碰上了火星全球性的沙塵暴，整個火星表面一片模糊。

1971年11月11日，水手9號拍攝的火星。上方的黑斑是火星最高峯奧林帕斯火山 | NASA/JPL

兩眼一抹黑被草草扔下的火星2號着陸器直接着陸失敗，火星3號着陸器雖然成功着陸，但僅20秒後就迅速失聯，連拍攝的第一張照片都沒能傳全乎，火星3號着陸器的火星車是否成功釋放，自然也就無從知道了。

火星2號/3號的着陸器（左）和火星車（右） | 維基

嚴格來説，蘇聯的火星3號勉強算是第一個成功軟着陸火星表面的探測器，只是沒能順利開展探測工作。給它算0.5次，還算合理吧。

火星3號着陸器傳回的唯一一張“照片” | 蘇聯 [3]

歐空局也在21世紀裏挑戰了兩次火星着陸，但均告失敗。一次是2003年的火星快車號環繞器攜帶的着陸器小獵犬2號，着陸後失聯了；另一次是2016年的痕量氣體軌道器（TGO）攜帶的着陸器斯基亞帕雷利號，因為打開降落傘之後的軟件故障着陸失敗。不過幸運的是，兩艘環繞器都非常健康，一直工作至今，獲取了許多珍貴的火星探測數據。

歐空局的小獵犬2號和斯基亞帕雷利號 | ESA

很難説這兩次着陸失敗完全是運氣不好，因為歐空局的下一個火星着陸任務ExoMars 2022（與俄宇航合作）也因為降落傘測試失敗，錯過了2020發射窗口。至少從目前看來，歐空局和俄宇航對着陸火星依然有關鍵技術需要攻關。

挑戰“恐怖九分鐘”

探測器從進入大氣層到着陸火星表面這短短的幾分鐘，也常常被稱為“恐怖七分鐘”甚至“死亡七分鐘”。

不過，這個“七分鐘”其實是那些抵達火星後直接着陸的探測器所需的時間，因為這些探測器在進入火星大氣層時初速度更大，着陸過程所需的時間自然會短一些。例如洞察號着陸器，進入火星大氣層時速度約為5.5 km/s，整個着陸過程花了6分45秒。

而天問一號這樣先剎車入軌再擇機分離着陸的探測器，着陸時間會比7分鐘更長。因為這些探測器在入軌的時候已經減過速，所以進入大氣層時的初速度會低不少。典型的例子是NASA的海盜號任務，也是先進入環火星軌道，對着陸區進行了一個多月的考察之後，才擇機釋放的着陸器。在這種情況下，海盜號着陸器進入火星大氣層的速度是4.6 km/s，比洞察號低了16%。這段着陸過程花了大約10分鐘 [4]。

海盜號着陸過程 | NASA《海盜號任務手冊》[4]

按目前公佈的時序來看，天問一號整個着陸過程經歷六個階段，從第二階段直至着陸大約需要約99分鐘：

1）着陸準備段：環繞器調整姿態和軌道，與裝着着陸巡視組合體的氣動外罩分離；

圖源：科普中國/Kerwis團隊

2）氣動減速段：氣動外罩以4.8 km/s的速度和合適的角度進入大氣層，利用大氣摩擦減速到460 m/s；

圖源：科普中國/Kerwis團隊

3）傘系減速段：在約11公里高度處打開降落傘，利用降落傘進一步減速到約95 m/s。這一階段內還會完成拋掉底部的隔熱盾，打開着陸平台的着陸腿，拋掉背罩和降落傘等操作；

圖源：科普中國/Kerwis團隊

4）動力減速段：利用着陸平台底部的7500N發動機點火產生的反衝力，將速度進一步降到約1.5 m/s；

圖源：CNSA

5）懸停避障段：在距離火星表面100米高度處將速度減到0，達到相對於表面靜止的懸停狀態，在這個狀態下調整水平位置，避開腳下的障礙物；

6）緩衝着陸段：依靠着陸腿緩衝，着陸平台穩穩地落在火星表面。

後三個階段和嫦娥三號、四號着陸的過程是相似的。

這是天問一號的“恐怖九分鐘”▼

圖源：航天科技集團

天問一號的成功着陸，是我國航天史上新的里程碑，標誌着我國已經掌握了安全着陸火星的一系列複雜技術，也意味着我國“後發先至”，在兩度挑戰火星着陸失敗的歐空局之前完成了火星着陸，成為繼美國之後第二個成功着陸火星的國家/組織。

不過彆着急，現在還只是天問一號的着陸平台踏上了火星。等再過幾天，祝融號從着陸平台上駛下，用自己的車輪觸碰火星表面，開展巡視工作之後，這個紀錄還能再次刷新：我國將有望成為繼美國之後世界第二個成功着陸火星並順利開展探測工作的國家/組織。

祝融號帶了啥好東西？

火星車共攜帶了6種科學儀器：導航與****地形相機（NaTeCam）、多光譜相機（MSCam）、火星表面****成分探測儀（MarSCoDe）、火星車磁強計（RoMAG）、次表層雷達（RoPeR）和火星氣象站（MCS）。注意，這裏説的都是“科學”儀器，事實上探測器還會攜帶諸多工程儀器，例如避障相機、監視相機、慣導裝置等等。

祝融號火星車科學儀器大致位置。火星車高約1.85米，重240公斤。圖中火星車外形與實物有一定差異 | 參考資料： [5-7]

其中，一對導航與地形相機位於火星車桅杆頂端，是火星車的“雙眼”，可以拍攝立體影像，負責幫助火星車導航和探測火星車沿途的地形地貌。

來源：參考資料 [8]

多光譜相機和表面成分探測儀負責探測和分析火星表面的岩石類型、礦物成分。

來源：參考資料 [7]

好奇號和毅力號火星車各有一個炫酷的“激光炮”——它們的化學相機（ChemCam）和超級相機（SuperCam）使用了一種叫做激光誘導擊穿光譜（LIBS）的技術。祝融號這次的表面成分探測儀也用了這項技術：通過向目標物發射高能激光脈衝，探測燒蝕激發出的等離子體冷卻過程中的的特徵光譜，進而遠程探測出目標物的化學成分。

（左）好奇號化學相機（ChemCam）的工作原理示意圖；（右）好奇號化學相機探測目標物中含有的化學成分示例 | NASA

祝融號火星車攜帶了2個磁強計，分別位於桅杆的頂端和底端，負責探測火星表面的磁場強度。火星沒有地球、水星那樣內部自發的偶極磁場，但火星的殼層還有一些剩磁。祝融號的探測結果既能幫助我們瞭解火星殼層剩磁的信息，也能與天問一號環繞器攜帶的磁強計探測結果相結合，幫助我們瞭解太陽風與火星高層大氣/電離層的相互作用。這也將是首個火星表面可移動的磁場探測儀器。

（上）火星全球探勘者號（MGS）在400公里高處獲取的火星殼層磁場分佈，火星剩磁有着明顯的南北不對稱性，主要分佈在南半球 | 參考文獻 [9]；（下）祝融號火星磁強計傳感器的結構和封裝後的外觀 | 參考文獻 [10]

次表層雷達（RoPeR）通過主動發射和接收電磁波信號來探測火星車沿途地下的淺表層結構，例如風化層厚度、地下淺層結構、水冰分佈等。

次表層雷達主要原理是不同物質的介電常數（可以簡單理解為讓電磁波衰減的能力）不同，因此探測器收到的從不同物質分界面反射回來的電磁波的時間和強度就會不同。那麼反過來，通過測量到的雷達接收時間和反射強度，就可以反推這些雷達信號穿過了哪些不同的物質，每層物質有多厚。

次表層雷達的工作原理 | 中科院電子所

與嫦娥三號、四號的測月雷達相似，祝融號也搭載了2個不同頻率的次表層雷達，高頻雷達探測淺部，低頻雷達探測深部，這樣可以兼顧探測深度和探測分辨率。

祝融號的低頻和高頻雷達天線 | 參考文獻 [7]

除了祝融號，天問一號的環繞器、NASA的毅力號火星車本次也攜帶了次表層雷達。綜合分析多個雷達的探測數據，可以幫助我們瞭解火星上不同區域、不同深度的次表層結構。

毅力號和天問一號環繞器的次表層雷達 | NASA、CNSA

火星氣象站（MCS）可以通過長期觀測火星車附近的氣温、氣壓、風速、風向等氣象參數，為我們瞭解火星的氣象狀況，追溯火星的氣候變化歷史積累數據。

祝融號的火星氣象傳感器 | 參考文獻 [7]

火星氣象站是火星着陸任務的常備組件，如今正在火星表面工作的好奇號火星車、洞察號着陸器、毅力號火星車都在長期記錄和播報着所在地的氣象數據。接下來祝融號的加入，會讓火星氣象網新增一個移動站點（説不定就叫“祝融站”呢~）

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目前正在工作中的三個火星移動/固定氣象站 | NASA [11]

火星車計劃開展約90個火星日的巡視探測，在此期間，環繞器會停留在通訊中繼軌道（近火點265公里、遠火點12500公里，週期約8個小時）[7]，為火星車和地球傳遞信息和數據。

之後，環繞器會降軌至科學探測軌道（近火點265公里、遠火點12000公里），計劃在這個軌道上對火星全球展開1個火星年（約2個地球年）的近距離遙感探測 [7]，同時可以兼顧火星車的數據通訊。

不過，眼下我們將迎來的下一個激動的時刻，是火星車從着陸平台上緩緩滑下，用自己的車輪真正踏上火星的紅色土地。

祝融號的下一步行動 | CNSA

讓我們再耐心等待幾天吧~

作者：haibaraemily

編輯：Steed

首發於：果殼

致謝

本文感謝Jing Xiao對本文提升所做的幫助~

參考資料

[1] https://www.uahirise.org/hiwish/browse

[2] Wang, H., & Richardson, M. I. (2015). The origin, evolution, and trajectory of large dust storms on Mars during Mars years 24–30 (1999–2011). Icarus, 251, 112-127.

[3] Soviet Mars Images

http://mentallandscape.com/C_CatalogMars.htm

[4] NASA |Viking Press Handbook 

https://solarsystem.nasa.gov/missions/viking-1/in-depth/

[5] Wan, W. X., Wang, C., Li, C. L., & Wei, Y. (2020). China’s first mission to Mars.Nature Astronomy, 4(7), 721-721.

[6] 李春來，劉建軍，耿言，等. 中國首次火星探測任務科學目標與有效載荷配置[J]. 深空探測學報，2018，5（5）：406-413.

[7] Zou, Y., Zhu, Y., Bai, Y., Wang, L., Jia, Y., Shen, W., … & Peng, Y. (2021). Scientific objectives and payloads of Tianwen-1, China’s first Mars exploration mission. Advances in Space Research, 67(2), 812-823.

[8] Liang, X., Chen, W., Cao, Z., Wu, F., Lyu, W., Song, Y., … & Wang, L. (2021). The Navigation and Terrain Cameras on the Tianwen-1 Mars Rover. Space Science Reviews, 217(3), 1-20.

[9] Connerney, J. E. P., Espley, J., Lawton, P., Murphy, S., Odom, J., Oliversen, R., & Sheppard, D. (2015). The MAVEN magnetic field investigation. Space Science Reviews, 195(1), 257-291.

[10] Du, A. M., Zhang, Y., Li, H. Y., Qiao, D. H., Yi, Z., Zhang, T. L., … & Dai, J. L. (2020). The Chinese Mars ROVER Fluxgate Magnetometers. Space Science Reviews, 216(8), 1-15.

[11] https://mars.nasa.gov/msl/weather/

https://mars.nasa.gov/mars2020/weather/