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天问一号

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天問一號
前往火星途中的天问一号探测器
前往火星途中的天问一号探测器
由一次性分离式相机拍摄[1]
名称天問一號[2][3][4]
任务类型火星无人环绕、着陆、巡视
运营方中华人民共和国 国家航天局
国际卫星标识符2020-049A
衛星目錄序號45935在维基数据编辑
任務時長现已370天11小时又52分(自发射)
軌道器:≥1个地球年
现已168天4小时又41分(自入轨环绕)
巡視器:90个火星日[5]
现已74天17小时又15分(自着陆)
航天器属性
航天器类型軌道器、著陸器、探測車
發射質量合計: 5,000公斤(11,000英磅)
軌道器:3,175公斤(7,000英磅)
巡視器:240公斤(530英磅)
尺寸巡視器:
完全展开:2.6m × 3m × 1.85m
未展开:1.65m × 2m × 0.8m
任務開始
發射日期2020年7月23日
12时41分15秒167毫秒 [6][7]
載具长征五号
發射場文昌 LC101
承包方中国航天科技集团
火星軌道器
航天器组件軌道器
入軌2021年2月10日19时52分[8]
軌道绕火轨道 268km×12,581km (中继轨道)
軌道參數
傾角89.2°
火星着陆器
航天器组件著陸器[9]
著陸日期2021年5月15日7时18分[10][11]
著陸點乌托邦平原
25°06′N 109°54′E / 25.1°N 109.9°E / 25.1; 109.9坐标25°06′N 109°54′E / 25.1°N 109.9°E / 25.1; 109.9
火星探測車
航天器组件巡視器
著陸日期2021年5月15日7时18分[10]
著陸點乌托邦平原
部署日期2021年5月22日10时40分
(释放至火星表面)
← (首次任务)
 

天问一号中华人民共和国正在进行的一项火星探测任务,中国行星探测工程下的中国火星探测计划的一部分[12]

中国首次自主发射的“天问一号”探测器,于2020年7月23日12时41分由长征五号遥四运载火箭海南文昌航天发射场发射升空,成功送入预定轨道[7]。探测器在地火转移轨道飞行约7个月後到达火星附近,2021年2月10日完成火星捕获後进入环火轨道。之後择机展开着陆、巡视等火星科学探测任务[13][14]。其既定目标是寻找当前和过去生命的证据,并评估行星的环境。

2021年5月15日北京时间上午7时18分[10][11],天问一号所攜帶的探測車「祝融號」在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆[15]。中国成为继前苏联美国后,世界上第三个在火星着陆探测器的国家[16] [17][18][19];成为继美国[註 1]后,世界上第二个在火星部署火星车的国家 [20];也是世界第一个首次火星任务即成功完成火面巡视的国家[21]

命名來源[编辑]

「天問」一詞取材來自《楚辭》由屈原所創作的長詩《天問》,以此提出自己的疑問,表達了對真理執著的追求。此命名並非為火星任務的專屬命名,其他的行星任務將也會以此為命名方向(只是編號不同)[22]

背景[编辑]

因为火星探测的难度要比月球探测的难度更高,所以中国国家航天局在开始深空探测的初期的主要对象是月球而不是火星[23],为此中国探月工程发射了一系列“嫦娥”探测器对月球进行探测并积累经验。

中国对火星的探测活动始于2011年的萤火一号任务。萤火一号作为中国的首颗火星探测器,搭载于联邦航天局福布斯-土壤之上,于2011年11月9日从拜科努尔发射场发射,原设计寿命两年,主要科学探测目标是对火星的空间磁场、电离层和粒子分布变化规律,以及火星大气离子逃逸率进行探测[24]。然而俄罗斯负责的部分出现故障,福布斯-土壤探测器主推动系统上的两个发动机都未能点火启动导致发射后无法离开近地轨道[25],最終于2012年1月15日再入地球大气层,并坠毁于太平洋海域,这次任务并没有轮到考验中国自主研制的萤火一号探测器的性能即结束[26]

尽管萤火一号任务失败,但它为未来的中国自主火星探测培养了人才队伍和奠定了基础。在萤火一号之后,中国组建了原本没有的专门研究火星的科研团队,翻译出版了关于火星的教科书,并提出了一系列新的科学目标和探测方案,开始建设可以远达火星轨道的深空测控站,中国自此开始走上独立自主的火星探索之路,并将首次独立火星任务本应分两步、甚至三步走的“绕、落、巡”计划,合并在一次实施。[27]

2018年第69届国际宇航大会上展出的当时尚未命名的祝融号火星車模型

2014年6月,中国月球探测工程首席科学家、“嫦娥之父”欧阳自远在第22届国际天文馆学会大会的开幕式上透露中国计划在2020年实现火星的着陆巡视[28]。同年11月11日,在第十届中国国际航空航天博览会上,中国火星车的早期等比例模型首次亮相[29]

2016年4月22日,时任国家航天局局长许达哲在首个中国航天日来临前透露中国的火星探测任务已于当年1月11日获批,将在2020年前后发射火星探测器,一步实现绕火星的探测和着陆巡视[30]。同年8月23日,国家国防科工局探月与航天工程中心发布中国首个火星探测器和火星车外观设计构型图,并启动中国火星探测工程名称和图形标识全球征集活动,标志着中国火星探测任务的全面公开[31]

2019年11月14日,国家航天局在位于河北省怀来县的地外天体着陆综合试验场完成首次火星探测任务着陆器悬停避障试验,并邀请了部分外国驻华使馆及国际组织人员观摩试验并参观相关试验设施[32]

2020年4月24日,国家航天局在2020年中国航天日启动仪式上宣布了中国行星探测工程的名称与图形标识,将中国行星探测任务命名为“天问”,将中国首次独立火星探测任务命名为“天问一号”[33]

目标与任务[编辑]

这是中国的首次星际任务,也是对火星的首次独立探测。因此,目标首先是验证深空的通信和控制技术,在行星上绕轨道运行以及在其表面着陆。 轨道器还必须能够找到地点,以便将来返回火星样本

从科学的角度来看,天问一号火星探测任务必须达到5个目标:

  1. 研究火星形貌与地质构造特征,及其演化和成因的研究。为此,该探测将使用来自特征区域的精确数据来分析行星的地形,这些特征区域包括河流的干燥河床、火山、风蚀、两极冰川等。轨道器上的两个摄像机专用于此目标。
  2. 研究火星表面土壤特征和地下层的特征,与水冰分布。探测火星土壤种类、风化沉积特征和全球分布,搜寻水冰信息并开展火星土壤剖面分层结构研究。这就是轨道器和火星车上的雷达的作用。
  3. 研究火星表面物质组成,开展表面矿物组成分析。分析火星古代湖泊,河流和其他景观中存在的风化碳酸盐,这些矿物是由地球上过去存在的水引起的,例如赤铁矿,层状硅酸盐,硫酸盐水合物甚至高氯酸盐矿物,以建立与过去火星水的联系。轨道器和火星车上的光谱仪以及多光谱摄像机专用于此目标。
  4. 研究火星大气电离层及表面气候与环境特征,开展火星电离层结构和表面天气季节性变化规律研究。以及更广泛的大气研究,无论是在其近太空环境还是在其表面。这是轨道器上的两个粒子探测器以及火星车上气象站的作用。
  5. 研究火星的内部结构,其磁场,其地质演化的历史,其质量的内部分布及其引力场。轨道器和火星车上的磁强计以及雷达专用于此目标。[34]

整个目标围绕火星是否存在过生命或具备生命存在的环境,火星演化和太阳系的起源与演化两大科学问题开展[35] 。中国首次火星探测任务科学目标将通过环绕探测和巡视探测共同实现,这在国际尚属首次。环绕探测主要开展火星全球性、整体性和综合性的详查探测,巡视探测专注于火星表面重点地区的高精度、高分辨的精细探测和就位分析。[36]

基本技术方案[编辑]

天问一号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:[37]

探测器[编辑]

天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成,总质量约为5吨。[37]

环绕器[编辑]

环绕器重约3175千克,主要任务为: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。为此,环绕器配置了中分辨率相机、高分辨率相机、环绕器次表层探测雷达火星矿物光谱分析仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪共7种科学设备。[36]

着陆巡视器[编辑]

着陆巡视器由进入舱和巡视器组成。进入舱重约1585千克,被包裹在球锥大底加球锥背罩内完成火星进入、下降、着陆(EDL)任务[38]。巡视器重约240千克,完成巡视探测,其主要任务为: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、矿物和岩石类型探测;火星巡视区大气物理特征与表面环境探测。为此,火星车配置了火星表面成分探测仪、多光谱相机、地形相机、火星车次表层探测雷达、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪共6种科学设备。[36]

巡视器经全球徵名、评审、网络投票等层层遴选,在2021年4月24日中国航天日开幕仪式上被正式命名为“祝融号”。祝融在中国传统文化中被尊为最早的火神,象征着用火照耀大地,带来光明。[39]

天问一号从文昌航天发射场发射

运载火箭[编辑]

天问一号任务由长征五号运载火箭负责发射并直接送入地火转移轨道。

长征五号地火转移轨道发射能力超过5吨,是中国唯一有能力执行天问一号任务的运载火箭[40]。长征五号于2016年11月成功首飞,但在2017年7月的第二次任务中遭遇失利[41]。经过两年多的归零工作后,长征五号于2019年12月成功复飞[42],保证了2020年7月地火转移窗口期火星探测任务的按计划实施。

天问一号是长征五号系列火箭的首次应用性发射[43]

发射场[编辑]

天问一号任务发射地点为2014年建成的海南文昌航天发射场,该发射场是中国最先进、纬度最低的发射场,可为火箭提供最大运力,也是唯一有能力进行长征五号发射的发射场。

测控[编辑]

位于阿根廷内乌肯省的阿根廷深空站

深空测控能力对于火星探测任务的成功至关重要,中国最早的火星任务萤火一号与俄罗斯合作的主要原因之一即为中国在当时尚未拥有真正的深空测控网[44][45]。经过数年建设,在2017年中国基本建成了兼具S/X/Ka多频段测控能力,集测控、数传和长基线干涉测量等多种功能于一体的深空测控网,对深空航天器的测控覆盖率提高到了90%以上,综合水平处于世界前列[46]

参与天问一号任务的测控系统包括:[37]

  • 北京航天飞行控制中心
  • 佳木斯深空测控站:位于黑龙江省佳木斯市,拥有一座66米直径天线,于2012年建成。
  • 喀什深空测控站:位于新疆喀什市,于2020年完全建成,拥有四座35米的深空天线组阵系统,达到等效66米口径天线的数据接收能力,是中国首个深空天线组阵系统。[47]
  • 阿根廷深空站:位于阿根廷内乌肯省拉斯拉哈斯市,拥有一座35米直径天线,于2017年落成并投入使用,是中国在海外的首个深空测控站。[48]

在2016年10月至2017年8月期间,中国科学家利用中国深空站对在木星轨道运行的朱诺号探测器进行了多次跟踪与测量,表明中国已拥有了远至地-木距离的深空测控能力,为预定在2020年实施的火星探测计划做好了充分准备。[49][50]

地面应用系统[编辑]

地面应用系统在天津武清新建1副70米口径天线,与已有地面数据接收天线进行组阵,达到等效80米口径天线的数据接收能力(设计值),确保科学数据的可靠接收。[37]

科学仪器[编辑]

环绕器巡视器带有总共13个科学仪器,其中7个由环绕器携带,6个由巡视器携带:[36][51][52]

环绕器[编辑]

天问一号环绕器科学载荷配置图
  • 中分辨率相机(MoRIC)在400千米的轨道上分辨率为100米,在可见光波段进行彩色成像。
  • 高分辨率相机(HiRIC)在265千米轨道上的分辨率为0.5米(全色模式)和2.0米(彩色模式)。
  • 火星磁强计(MOMAG)进行火星空间磁场环境探测。
  • 火星矿物光谱分析仪(MMS)可确定元素组成,用以进行远距离火星土壤和表面物质成分分析。
  • 环绕器次表层探测雷达(MOSIR)通过主动发射和接收电磁波信号来探测火星表面和地下水冰。
  • 火星离子与中性粒子分析仪(MINPA)进行火星大气电离层分析及行星际环境探测。
  • 火星能量粒子分析仪(MEPA)同上。

巡视器[编辑]

祝融号巡视器科学载荷配置图
  • 导航与地形相机(NaTeCam)拍摄可见光波段彩色照片以记录巡视区地形地貌,像素2048×2048。
  • 火星车次表层探测雷达(RoPeR)探测火星车沿途地下的浅表层结构,与环绕器上的次表层探测雷达原理相同,但分辨率更高。祝融号和与其同年发射及着陆的毅力号并列为最早装备该类仪器的火星地表探测器。
  • 火星表面磁场探测仪(RoMAG),探测着陆区火星磁场,确定火星磁指数。
  • 火星气象测量仪(MCS)配备风、声传感器和温、压传感器,对巡视器附近的气温、气压、风速、风向和声音信息进行记录。
  • 火星表面成分探测仪(MarSCoDe)进行火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型探测。
  • 多光谱相机(MSCam)同上。

除科学仪器外,环绕器与巡视器均配置了若干工程仪器(如避障相机、监视相机等)用以辅助任务进行。

任务经过[编辑]

美国火星勘测轨道飞行器在2021年6月6日拍摄到的位于火星表面的天问一号着陆器与祝融号巡视器

主要事件[编辑]

2020年7月23日,天问一号在海南文昌航天发射场由长征五号运载火箭成功发射并顺利进入地火转移轨道。[7]

2021年2月10日,在经过了202天的飞行后,天问一号顺利实施近火制动,成功进入环火轨道,成为中国第一颗人造火星卫星[53]

2021年5月15日凌晨1时许,天问一号探测器在停泊轨道实施降轨,下降至火星进入轨道开始降落程序。7时18分,在经过了约三小时的降落过程后,天问一号着陆器携带祝融号巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,中国成为第二个完全成功着陆火星的国家[54]

2021年5月22日10时40分,祝融号巡视器安全驶离着陆平台,到达火星表面,开始巡视探测。[55]

2021年6月11日,国家航天局公布了由祝融号巡视器拍摄的首批科学影像图,标志着中国首次火星探测任务取得圆满成功。[56]

2021年6月27日,国家航天局公布一批新的图片与视频,包括着陆巡视器开伞和下降过程、“祝融号”火星车驶离着陆平台声音及火星表面移动过程视频,火星全局环境感知图像、火星车车辙图像等,并宣布截至当日天问一号环绕器在轨运行338天,地火距离3.6亿千米,祝融号火星车已在火星表面工作42个火星日,累计行驶236米[57]


详细经过[编辑]

时间 (UTC+8) 事件 轨道/地点 备注
已完成
2020年7月23日
12时41分
发射 地火转移轨道 天问一号探测器在海南島文昌航天發射場長征五號遙四運載火箭成功發射,顺利進入地火转移軌道[7][58]
2020年8月2日
7时
第一次轨道修正 地火转移轨道 火星探测任务“天问一号”探测器3000牛发动机开机工作20秒,完成第一次轨道中途修正。[59]
2020年9月20日
23时
第二次轨道修正 地火转移轨道 在器地距离约1900万公里处,经北京航天飞行控制中心,“天问一号”火星探测器按计划实施地火转移轨道第二次中途修正控制。[60]
2020年10月9日
23时
深空机动 地火转移轨道 在中国首次火星探测任务飞行控制团队控制下,“天问一号”探测器主发动机工作480余秒,顺利完成深空机动。
2020年10月28日
22时
第三次轨道修正 地火转移轨道 “天问一号”完成第三次轨道中途修正[61]
2021年2月5日
20时
第四次轨道修正 地火转移轨道 “天问一号”探测器发动机点火工作,顺利完成地火转移段第四次轨道中途修正,以确保按计划实施火星捕获。国家航天局同步公布了“天问一号”此前在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像。[62]
2021年2月10日
19时52分
近火捕获制动 火星捕获轨道 386km×181,763km 倾角11° “天问一号”探测器实施近火捕获制动,环绕器3000N轨控发动机点火工作约15分钟,探测器顺利进入近火点高度约400千米,远火点约18万千米,周期约10个地球日,倾角约10°的大椭圆环火轨道。[14][63]
2021年2月15日
17时
远火点平面轨道调整 绕火极地大椭圆轨道 280km×181,540km 倾角87.3°[64] 天问一号探测器成功实施捕获轨道远火点平面机动。3000N发动机点火工作,将轨道调整为经过火星两极的环火轨道,并将近火点高度调整至约265公里。[65]
2021年2月20日
19时
第二次近火制动 280km×84,600km 倾角87.7°[66] 2月20日,天问一号第二次到达近火点时进行制动,进入周期约为3.45天的调相轨道,使其在运行一圈再次到达近火点附近时,能够正好经过预定着陆区上空。
2021年2月24日
6时29分
第三次近火制动 280km×59,000km 倾角87.7° 天问一号探测器实施第三次近火制动,进入近火点280千米、远火点5.9万千米、周期2个火星日的火星停泊轨道。探测器将在停泊轨道上运行约3个月,环绕器7台载荷将全部开机,开始科学探测。同时,载荷中的中分辨率相机、高分辨率相机、光谱仪等将对预选着陆区地形地貌、沙尘天气等进行详查,为择机着陆火星做好准备。[67]
2021年5月15日
1时
探测器降轨 火星进入轨道 凌晨1时许,天问一号探测器在停泊轨道实施降轨,机动至火星进入轨道。[68]
2021年5月15日
4时
轨道器升轨+着巡组合体分离 轨道器:280km×59,000km 倾角87.7°
着巡组合体:火星进入轨道
4时许,着陆巡视器与环绕器分离。两器分离约30分钟后,环绕器进行升轨,返回停泊轨道,为着陆巡视器的后续探测任务提供中继通信,搭建起地球和火星之间的通信桥梁。
2021年5月15日
7时11分
着巡组合体再入 火星大气层
2021年5月15日
7时18分
着巡组合体登陆火星 乌托邦平原
25°06′N 109°54′E / 25.1°N 109.9°E / 25.1; 109.9
历经约3小时飞行后,进入火星大气,经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲,成功软着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区。
2021年5月17日
8时
轨道器第四次近火制动 268km×12,581km 倾角89.2° [69] 天问一号环绕器实施第四次近火制动,顺利进入周期为8.2小时中继通信轨道。在这一阶段,环绕器的主要工作是做地球和火星之间的“信使”,进行“地火传书”。[70]
2021年5月22日
10时40分
释放巡视器 乌托邦平原 根据遥测数据判断,祝融号火星车5月22日已安全驶离着陆平台,到达火星表面,开始巡视探测。[71]
未来
2021年8月 轨道器第五次近火制动 265km×12,000km 倾角86.9° 环绕器在中继通信轨道上运行90个火星日后,将进行轨道调整,进入遥感使命轨道,开展科学探测,并兼顾火星车中继通信。[37]

国际合作[编辑]

为了天问一号任务的顺利进行,国家航天局与多个不同国家的航天机构进行了国际合作:[72]

  • 欧洲空间局(ESA)的欧空局跟踪站网络 (ESTRACK)在天问一号从发射到前往火星的过程中提供了测控支持,其在火星运行的火星快车号会为着陆后的祝融号火星车提供备份通信功能。
  • 法國國家太空研究中心(CNES)为祝融号上的表面成分探测仪中的激光诱导击穿光谱探测仪(LIBS)提供了校正协助,用以和好奇号上的同类型设备进行比对。
  • 阿根廷国家空间活动委员会(CONAE)通过阿根廷内乌肯深空站为天问一号的测控提供帮助。
  • 奥地利研究促进署(FFG)参与了火星磁强计的开发和探测器飞行仪器的校准。

图集[编辑]

阿克戎槽溝阿西達里亞平原亞拔山亞馬遜平原阿拉伯台地阿卡迪亞平原阿爾及爾平原克里斯平原塞東尼亞區代达利亚高原埃律西昂山埃律西昂平原蓋爾撞擊坑希臘平原赫斯珀利亞高原霍頓撞擊坑伊卡利亞高原伊希地平原耶澤羅撞擊坑羅蒙諾索夫撞擊坑李奧撞擊坑米蘭科維奇撞擊坑涅瑞達山脈尼羅瑟提斯桌山群諾亞高地奧林帕斯山南極高原普罗敦尼勒斯桌山群太陽高原敘利亞高原坦塔罗斯槽沟群坦佩高地薩瑞南高地塔尔西斯山群乌托邦平原水手號谷北方大平原Map of Mars
The image above contains clickable links该火星地形图为可互动图片,标注了火星表面各着陆器与火星车的位置,鼠标移至图片不同位置可查看相应信息,点击将跳转至相应条目。海拔以不同颜色呈现:白色和棕色表示最高海拔(+12至+8公里);其次是粉色和红色(+8至+3公里);黄色为0公里;绿色和蓝色为较低海拔(低至-8公里)。轴线为经纬度;极地地区有标注。
(   工作中巡视器   已停止工作巡视器   工作中着陆器   已停止工作着陆器   未来 )
小猎犬2号
好奇号
深空2号
罗莎琳德·富兰克林号
洞察号火星探测器
火星2020
火星2号
火星3号
火星6号
火星极地着陆者号
机遇号火星漫游车
绿谷 (火星)
斯基亚帕雷利EDM登陆器
旅居者号
勇气号火星探测器
天问一号
海盗号
海盗2号

備註[编辑]

  1. ^ 前苏联的火星3号着陆器仅在火星上工作14秒后便失去联系,未能释放火星车

参见[编辑]

2020年7月23日 天问一号发射成功
2020年7月23日 数万民众现场见证“天问一号”发射升空

参考资料[编辑]

  1. ^ 胡喆; 张建松. 五星红旗耀太空!“天问一号”如何完成“太空自拍”?. 新华网. 2020-10-01 [2021-06-15]. (原始内容存档于2020-11-18). 
  2. ^ 中国火星探测器露真容 明年发射. 2019-10-12 [2020-04-25]. (原始内容存档于2019-12-16). 
  3. ^ The Global Exploration Roadmap页面存档备份,存于互联网档案馆). NASA. International Space Exploration Coordination Group. January 2018.
  4. ^ China's Deep Space Exploration Roadmap页面存档备份,存于互联网档案馆). 2018.
  5. ^ China Exclusive: China's aim to explore Mars. Xinhua News. 21 March 2016 [2016-03-24]. (原始内容存档于2016-09-01). 
  6. ^ China to launch Mars probe in July. ChinaDaily.com. 23 January 2020 [2020-01-23]. (原始内容存档于2020-01-24). 
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  9. ^ It's official: China's first Mars lander debuts. China Global Television Network. 14 November 2019 [2020-01-08]. (原始内容存档于2019-11-15). 
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