天问一号|天问一号——奔火逐梦( 二 ) 作者：包刚

“天问一号”着陆器/火星车
“天问一号”环绕器进入环火轨道后，先开展约三个月的对地观测，特别是对预选着陆区进行详细勘测。之后携带火星车的着陆器将与环绕器分离，利用降落伞和反推火箭在火星表面着陆。 “天问一号”着陆器/火星车预计于2021年5月降落在火星表面，并开展为期90个火星日（一个火星日约24小时39分35.2秒）的巡视探测任务。火星车要完成的科学探测任务有：火星巡视区形貌和地质构造探测，火星巡视区土壤结构（剖面）探测和水冰探查，火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型探查，以及火星巡视区大气物理特征与表面环境探测。
火星车搭载了6台科学载荷，包括：
（1）火星表面成分探测仪，火星表面成分探测仪包括激光诱导击穿光谱仪（LIBS），短波红外光谱显微成像仪（SWIR）和微成像相机。 LIBS（240～850nm）用于元素组成分析；SWIR（850～2400nm）用于矿物和岩石的分析和识别；微成像相机（900～1000nm）可以获得探测目标的高空间分辨率图像。
（2）多光谱相机，获取着陆点周围的地形、地貌和地质背景信息，进行空间分析，获得岩石、土壤等可见近红外光谱数据；采集各种白天和黑夜的天空图像，以进行特定的大气、气象和天文研究。
（3）导航地形相机，拍摄广角图片，指导火星车的移动并寻找感兴趣的目标（岩石/土壤等）；结合环绕器上搭载的高分辨率相机，将它们拍摄到的地面图像进行比对，可以校准火星表面的真实情况；为其他科学载荷寻找感兴趣的探测目标或区域。
（4）火星车次表层探测雷达，次表层探测雷达可以探测火星土壤的地下分层和厚度。包含两个通道，低频通道（15～95MHz）可以穿透10～100米的深度（空间分辨率为几米）；高频通道（0.45～2.15GHz）可以穿透3～10米的深度（空间分辨率为几厘米）。次表层探测雷达可以随火星车移动，持续收集地下雷达信号，探测地下物质的大小和分布特征，并在垂直和水平方向上约束地下分层结构，制约地下水冰和挥发物（如，水合矿物质等）的分布。
（5）火星表面磁场探测仪，检测火星表面磁场，火星磁场指数以及火星电离层中的电流。其主要优点是可随火星车移动；与环绕器上搭载的磁强计协同观测，将对理解火星内部的演变具有极其重要的意义。
（6）火星气象测量仪，用于监测火星表面温度，压力，风场和声音等的时间和空间变化。在着陆之前，还可以在环火轨道上收集温度和声音数据。
“天问一号”火星车相较于国外的火星车其移动能力更强大，设计也更复杂。它采用主动悬架， 6个车轮均可独立驱动，独立转向。除前进、后退、四轮转向行驶等功能外，还具备蟹行运动能力，用于灵活避障以及大角度爬坡。更强大的功能还包括车体升降（在火星极端环境表面可以利用车体升降摆脱沉陷）、尺蠖运动（配合车体升降，在松软地形上前进或后退）和抬轮排故（遇到车轮故障的情况，通过质心位置调整及夹角与离合的配合，将故障车轮抬离地面，继续行驶）。
“天问一号”预选着陆区地质背景
出于工程安全的需要，着陆区的选择需要这样几个条件，一是在低纬度区域（通常是南北纬30°以内），以保证火星车的太阳能板能获得足够的太阳光照；二是地势要较低，以保证陆器在降落时有足够的时间减速；三是地表要平坦和少大块岩石，以保障火星车的安全移动。 “天问一号”公布的两大备选着陆区域（图4）都位于火星的北部平原，靠近火星南北二分线。
伴随“天问一号”的成功发射，备选着陆区范围进一步缩小为区域2中的乌托邦平原，但具体着陆点还有待环绕器探测后进一步确定。美国华盛顿大学行星地质学家阿维森表示，中国“天问一号”的预选着陆区域此前从未有火星车“踏足” ，它获得的数据将使全球行星科学家受益。

文章图片
图4“天问一号”公布的两个预选着陆区
区域1（20°～30°N ， 50°～20°W）位于克里斯（Chryse）盆地内。克里斯盆地是一个古老的撞击盆地，欧空局-俄罗斯2022年“ExoMars”火星探测器的着陆点奥西亚平原（OxiaPlanum）位于其东部。早年美国的火星探测器“探路者号”（Pathfinder）也在这个区域附近着陆。
区域2（9°～30°N ， 90°～134°E和4°～20°N ， 80°～98°E）主要由三部分组成：伊西迪斯盆地（Isidisbasin）、乌托邦平原（UtopiaPlanitia）和埃律西昂平原（Elysiumplain）。伊西迪斯盆地形成于约40亿前的一次撞击事件，是火星上形成的最后一个大型盆地，在盆地周围环绕着许多同心裂缝环。这些裂缝暴露出地表内部的深层物质，盆地边缘存在大量含水矿物，如层状硅酸盐等。美国宇航局2020火星探测任务“毅力号”火星车（Perseverance）的着陆点杰泽罗撞击坑（JezeroCrater）就位于伊西迪斯盆地西北部的高地边缘。乌托邦平原是太阳系中最大的撞击盆地，直径约3300km ，其中广泛存在着与水有关的地貌特征，如严重退化/掩埋的撞击坑（图5a），可能是由于沉积物被压实导致；分布于中纬度地区的指纹地貌（图5b），可能是冰川或火山作用形成；巨型多边形（图5c）可能是由于热收缩作用导致永久冻土开裂形成，等等。区域2还包括了一部分埃律西昂火山平原单元，表面存在大量的熔岩流和熔岩物质（图6），地形复杂。