天问一号|天问一号——奔火逐梦作者：包刚

作者：包刚，钟珊珊，赵宇鴳
中国科学院地球化学研究所，月球与行星科学研究中心，贵阳550081
“天问一号”任务
2020年7月23日，中国首次火星探测任务（天问一号）在文昌航天发射中心成功发射，标志着我国行星探测（“天问”系列任务）的大幕正式拉开。 “九天之际，安放安属？隅隈多有，谁知其数？天何所沓？十二焉分？日月安属？列星安陈……” ， “天问”二字源于屈原长诗《天问》，这首长诗一共提出了170多个问题，其间许多追问关乎宇宙星河。以“天问”命名行星探测系列任务，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。 “揽星九天”是更遥远的征途和更灿烂的星辰大海（图1）。 “天问”也将继“嫦娥”之后，被永远铭刻在中国航天史册上。

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图1（左）中国火星探测任务图形标志；（右）中国天问系列行星探测任务图形标志“揽星九天”（图片来源于网络）
天问系列的首个任务是“天问一号”中国首次火星探测任务。该任务于2016年1月立项，其目标是：在国际上首次通过一次发射，实现火星环绕、着陆、巡视探测，成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家。 “天问一号”探测器总重约5吨，由环绕器和着陆巡视器组成，着陆巡视器主要包括进入舱和火星车（图2）。 “天问一号”的三大科学问题是：（1）探测火星生命活动信息；（2）火星的演化以及与类地行星的比较研究；（3）探讨火星的长期改造与今后大量移民建立人类第二个栖息地的前景。五大科学目标是：（1）火星形貌与地质构造特征；（2）火星表面土壤特征与水冰分布；（3）火星表面物质组成；（4）火星大气电离层及表面气候与环境特征；（5）火星物理场与内部结构。英国《自然》杂志评价称，如果中国“天问一号”能一次性完成“绕、落、巡”三大任务，将创造新的历史纪录。
图2（a）“天问一号”环绕器；（b）“天问一号”火星车；（c）“天问一号”着陆器和着陆器上的火星车（图片来源于网络）
【天问一号|天问一号——奔火逐梦】“天问一号”环绕器
环绕探测是目前火星探测的主要方式之一，也是行星探测开始阶段的首选方式。 2月5日， “天问一号”探测器完成了第四次轨道中途修正，并发回了首幅火星图像；2月10号19点左右， “天问一号”探测器“刹车”成功开始了环火飞行。环绕器要完成的主要科学探测任务包括五大方面：火星大气电离层分析及行星际环境探测；火星表面和地下水冰的探测；火星土壤类型分布和结构探测；火星地形地貌特征及其变化探测；火星表面物质成分的调查和分析。

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图3“天问一号”在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像着色效果图（图片来源于网络）
“天问一号”环绕器搭载了7台有效载荷，用于火星科学探测，包括七个部分：
（1）中分辨率相机，绘制火星全球遥感影像图，进行火星地形地貌及其变化探测，如火星表面成像、火星地质构造和地形地貌研究。
（2）高分辨率相机，获取火星表面重点区域精细观测图像，开展地形地貌和地质构造研究。
（3）环绕器次表层探测雷达，利用高频电磁波的穿透特性对行星表面和内部结构的岩性、电磁参数及主要组成成分进行探测研究；利用探测器星下点高度，开展火星表面地形研究；开展行星际甚低频射电频谱研究。
（4）火星矿物光谱分析仪，分析火星矿物组成与分布；研究火星整体化学成分与化学演化历史；分析火星资源及其分布。
（5）火星磁强计，探测火星空间磁场环境，研究火星电离层及磁鞘与太阳风磁场相互作用机制。
（6）火星离子与中性粒子分析仪，对火星等离子体中的粒子特性进行研究，了解火星大气的逃逸；研究太阳风和火星大气相互作用、火星激波附近中性粒子加速机制。
（7）火星能量粒子分析仪，研究近火星空间环境和地火转移轨道能量粒子的能谱、元素成分和通量的特征及其变化规律；绘制火星全球和地火转移轨道不同种类能量粒子辐射的空间分布图；与磁强计、离子和中性粒子分析仪等联合研究近火星空间能量粒子辐射与大气的关系、太阳风暴能量粒子事件对火星大气逃逸的影响与相互作用的规律以及火星粒子加速与输运过程。