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文章插圖

天問一號已經(jīng)到達(dá)火星，圍繞著火星運轉(zhuǎn)了一段時間了。今年5月，天問一號的火星車還將登陸火星。天問一號的任務(wù)分成“繞、落、巡”三部曲，大家應(yīng)該都很熟悉了。但你是否清楚，這“繞、落、尋”背后的目的又是什么呢？本文通過介紹天問一號攜帶的儀器，為大家解答，天問一號此行火星的目的，及其在未來中國火星任務(wù)中的作用。我們把天問一號搭載的儀器同歐美的火星軌道器做了對比，讓大家了解一下，中國vs外國，到底是什么狀態(tài) 。
天問一號

大家都知道，天問一號由三部分組成：軌道器、著陸器、巡視器。這其中著陸器并不負(fù)責(zé)攜帶儀器。在軌道器與巡視器上面，總共攜帶了13部儀器，分別是
軌道器

中分辨率相機（MRC），在400 km的軌道上分辨率為100 m
高分辨率相機（HRC），在400 km軌道上的分辨率為2 m
火星磁強計
火星礦物光譜分析儀（MMS），以確定元素組成
環(huán)繞器次表層探測雷達(dá)（MOSIR）
火星離子與中性粒子分析儀（MINPA）
火星能量粒子分析儀

巡視器

火星車次表層探測雷達(dá) (RoSPR), 拍攝火星表面以下約100米（330英尺）的圖像
火星表面磁場探測儀（MSMFD）
火星氣象測量儀（MMMI）
火星表面成分探測儀（MSCD）
多光譜相機（MSC）
地形相機（NTC）

天問一號巡視器上的設(shè)備

通過這十三臺儀器，天問一號火星要達(dá)成的研究目標(biāo)是5個：
一

研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征，及其演化和成因的研究。為此，該探測將使用來自特征區(qū)域的精確數(shù)據(jù)來分析行星的地形，這些特征區(qū)域包括河流的干燥河床，火山，風(fēng)蝕，兩極冰川等。軌道器上的兩個攝像機專用于此目標(biāo) 。

天問一號的高分辨率相機能在400km高度上實現(xiàn)2米的分辨率。相比之下，美國2006年入軌火星的火星勘測軌道器（MRO）上的HiRISE照相機，能做到百萬分之一的分辨率，也就是400km高度0.4米精度。當(dāng)然，HiRISE用的是0.5米口徑的鏡頭，全重達(dá)65kg 。天問一號高分辨率相機來自于長春光機所，相機總重量不到43公斤。
MRO上的HiRISE相機在火星軌道拍攝的地球和月球照片

二

研究火星表面土壤特征和地下層的特征，與水冰分布。探測火星土壤種類、風(fēng)化沉積特征和全球分布，搜尋水冰信息并開展火星土壤剖面分層結(jié)構(gòu)研究。這就是軌道器和火星車上的雷達(dá)的作用。

在天問一號之前的軌道器上搭載有雷達(dá)的，分別是2003年的歐洲火星快車號（Mars Express）上的MARSIS雷達(dá)和美國的MRO上的SHARAD雷達(dá) 。MARSIS雷達(dá)的穿深能達(dá)到5千米，2018年發(fā)現(xiàn)了火星南極地下1.5km深處的鹽水湖；但是精度很差，分辨率只有150米。SHARAD雷達(dá)的穿深只有幾百米，但精度要高一些，能達(dá)到15米。
【天問一號都攜帶了哪些儀器天問一號有哪些設(shè)備】火星南極附近地下鹽水湖的位置

天問一號軌道器上面的MOSIR穿深能有幾百米，能達(dá)到7.5米的精度。至于天問一號火星車上的雷達(dá)，是繼美國毅力號火星車之后第二個工作于火星表面的探地雷達(dá) 。毅力號火星車的探地雷達(dá)穿深只有10米，精度能達(dá)到10厘米量級。
圖中RIMFAX即為毅力號的探地雷達(dá)

毅力號火星車的RIMFAX探地雷達(dá)穿深比較低，可能是美國人覺得，能探測到火星上淺層的水冰就夠用了。之前美國的火星探測已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，火星上冰的埋藏很淺，距離火星地表幾米深的地方就有冰凍在那里，甚至火星著陸器隨便刨一下，就有冰露出來。
美國鳳凰號火星著陸器用鏟子刨出來的冰

至于中國的RoSPR，工作在兩個頻段上，一個能探測10至100米深度，米級精度；另外一個探測10以內(nèi)深度，厘米級精度。從雷達(dá)性能角度來說，天問火星車上的RoSPR超越了毅力號的RIMFAX 。
三

研究火星表面物質(zhì)組成，開展表面礦物組成分析。分析火星古代湖泊，河流和其他景觀中存在的風(fēng)化的碳酸鹽，這些礦物是由地球上過去存在的水引起的，例如赤鐵礦，層狀硅酸鹽，硫酸鹽水合物甚至高氯酸鹽礦物，以建立與過去火星水的聯(lián)系。軌道器和火星車上的光譜儀以及多光譜攝像機專用于此目標(biāo) 。

這是通過礦物分析來尋找火星上的水。天問火星車上的光譜儀進行分析之前，先要通過一束激光，把火星表面的物質(zhì)化成一縷青煙，然后再通過光譜儀分析青煙中的物質(zhì)成分。如果探測到了氫氧元素，那就是發(fā)現(xiàn)了水
激光加熱火星表面物質(zhì)
四

研究火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征，開展火星電離層結(jié)構(gòu)和表面天氣季節(jié)性變化規(guī)律研究，以及更廣泛的大氣研究。

天問一號軌道器上有兩個分析儀，對火星大氣進行研究。其中的離子和中性粒子分析儀，能實現(xiàn)對離子和能量中性原子進行能量、方向和成分的探測，用來研究火星大氣逃逸機制、太陽風(fēng)與火星的相互作用。而在“天問一號”探測器飛向火星階段，火星離子與中性粒子分析儀還對太陽風(fēng)離子進行探測，研究太陽風(fēng)在行星際的傳播特性。
太陽風(fēng)對火星大氣影響很大

天問一號在飛向火星的過程中，能量粒子分析儀測量了從地球至火星的帶電粒子分布情況，可以提供抗輻射設(shè)計所需的參考數(shù)據(jù)，從而保護航天器、以及未來探索火星的宇航員的安全。在火星附近，可以分析帶電粒子分布情況，可以與磁強計、離子和中性粒子分析儀等儀器配合，聯(lián)合分析火星大氣逃逸的原因。
美國的MAVEN，2014年入軌

作為對比，美國在2013年發(fā)射的火星軌道器MAVEN，攜帶了類似儀器，專門研究火星大氣及太陽風(fēng)對火星的影響。
天問一號火星車

天問一號火星車上面還有個氣象測量儀，不過功能就比較簡單了，就是測溫、測風(fēng)、測氣壓，再加上麥克風(fēng)，到時候大家可以聽一聽火星的聲音。這也是繼毅力號之后，第二個記錄火星聲音的儀器。
五

研究火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其磁場，其地質(zhì)演化的歷史，其質(zhì)量的內(nèi)部分布及其引力場。軌道器和火星車上的磁強計以及雷達(dá)專用于此目標(biāo) 。

磁強計搭載在軌道器上，測量火星周邊磁場情況，努力繪出火星的磁場圖 ?？傊靻栆惶栯m然是中國第一次成功入軌的火星探測器，攜帶的儀器設(shè)備還是挺完善的。中國一個天問一號，把MRO、MAVEN、火星快車等歐美多次發(fā)射的軌道器主要功能一次性都給辦了。
歐洲的Mars Express
不知道大家注意到?jīng)]有，在五項主要任務(wù)里，頭三項都和水有關(guān) 。第四項關(guān)于火星的大氣，第五項關(guān)于火星的磁場。為什么這么多的任務(wù)要和水有關(guān)呢？水是火星上最重要的資源之一，尤其是對未來的載人登火任務(wù)而言，登陸地點附近最好有水。有了水，就可以通過電解的方式生成氫和氧。氧用來供宇航員呼吸，同時也是火箭的氧化劑；而氫本身就是火箭燃料。如果火箭使用甲烷，氫與二氧化碳反應(yīng)可以生成甲烷。
天問一號要尋找合適火星車降落的地點

為什么天問一號要在軌道上運轉(zhuǎn)好幾個月，才會投放火星車？不僅僅是為了等待良好的天氣條件和尋找平坦的地方，主要是希望火星車著陸地點附近，最好能有水源。天問一號預(yù)定降落的位置是火星上的烏托邦平原，大致地點見下圖。
天問一號即將降落的地點

烏托邦平原這個地方，在圖中顏色偏藍(lán)，代表地勢低洼。在火星久遠(yuǎn)的過去，表面是有液態(tài)水和海洋的。遠(yuǎn)古時代的火星，烏托邦平原這里應(yīng)該被海洋所覆蓋。理論上來說，這里的地下水冰資源應(yīng)該是比較豐富的。因此，如果未來人類最早的登火地點選在烏托邦平原的話，一點也不令人驚奇。
火星地形圖，圖中的Utopia Planitia即為烏托邦平原

雖然中國的火星探測器登陸火星比美蘇晚了將近半個世紀(jì)，但需要緊鑼密鼓地為未來的載人登火做準(zhǔn)備了。二十年代中期的天文二號將執(zhí)行火星取樣返回任務(wù)，就是試驗太空船從火星起飛入軌的技術(shù)，從而為三十年代人類登陸火星打下基礎(chǔ) 。這就是為什么探測火星上的水是天問一號的重頭戲。
火星上的古海洋范圍

功能齊全，重點突出，目的明確，為未來載人登火做準(zhǔn)備，這就是天問一號攜帶的儀器所透露出來的信息。

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