为了满足火星车在火星上工作的能量要求，“祝融号”火星车太阳能帆板就做得特别大，比之前的玉兔和玉兔二号要大得多，由4块太阳能帆板组成，设计灵感来源于蝴蝶。
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新京报记者 李玉坤 编辑 应悦
▲2分钟看天问一号着陆火星，视频自人民日报
5月15日，我国首次火星探测任务天问一号探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆，在火星上首次留下中国印迹，迈出了我国星际探测征程的重要一步。后续，祝融号火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检驶离着陆平台并开展巡视探测。
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火星探测器，都有哪些特点？
随着我国首次自主火星探测任务“天问一号”成功在火星表面完成软着陆，我国也成为有能力实现火星表面巡视探测的国家。
据航天科技集团五院“天问一号”探测器产品保证经理饶炜介绍，“天问一号”探测器自2020年7月23日成功发射，精确入轨后，已按预定飞行程序在轨飞行了约295天；自2021年2月10日成功环绕火星后，相继完成了着陆区预探测、轨道维持、自检等关键飞行控制任务，期间，能源平衡，状态稳定，各分系统工作正常；5月15日凌晨2时多，“天问一号”在火星停泊轨道上进入着陆窗口，随后探测器实施降轨，环绕器与着陆巡视器开始器器分离，继而环绕器升轨返回停泊轨道，着陆巡视器运行到距离火星表面125千米高度的进入点，开始进入火星大气，并最终软着陆在火星表面。
火星是紧邻地球的一颗类地行星，通过对火星的探索活动，有助于理解火星气候的进化之谜。火星探测是人类开展深空探测的关键性步骤，必然成为继月球之后的深空探测热点。与此同时，火星探测将会促进行星学、宇宙学、火星生命学、太阳系演化学、空间天文学、空间物理学、空间材料科学等科学领域的创新与发展，这些学科的进展又将带动更多的基础学科交叉、渗透与共同发展。
自20世纪60年代起，人类进行火星探测的历程中成功的不足一半，但这也阻挡不了人类对这颗红色星球的热情。
火星勘测轨道器（MRO），采用钛、蜂窝铝，强度高但质量轻
火星勘测轨道器是最著名的火星探测器之一，其主要任务目标是研究火星表面、次表面和大气，并为未来的火星探测任务寻找可能的着陆点。该探测器于2005年8月12日发射，目前仍然在环火轨道正常运行，获取了大量科学数据。
火星勘测轨道器发射质量约2180kg，由运载火箭直接发射进入地火转移轨道，经过约6个月的飞行后到达火星实施制动捕获。它是一个采用“大气制动”减速技术来缓慢进入环火工作轨道的探测器，其原理就是利用探测器在火星大气层中飞行时受到的大气阻力不断降低轨道高度。经过6个月的大气制动，探测器最终进入255km×320km的极地科学探测轨道，轨道周期为112分钟。
火星勘测轨道器从探测器平台到所载有效载荷都是使用了当时最先进的技术，该探测器的结构采用钛、蜂窝铝等强度高但质量轻的材料，除所有系统都有备份外，在设计上它还采用了“单独容错”的方式，即当某一个部件发生故障时系统仍能完成任务。此外，火星勘测轨道器具有强大的通信能力，其通信系统对地通信速率最大可达6Mbps，比以往的火星轨道器高10倍，并可为其它火星表面探测器提供中继通信服务。
第一个以研究火星大气为主要任务的轨道飞行器
火星大气与挥发演化探测器的主要科学目标是利用其携带的载荷，通过测量火星大气逃逸速率和相关过程，确定火星大气消失的历史，从而得到火星气候演化的相关答案。它是第一个以研究火星大气为主要任务的轨道飞行器。
火星大气与挥发演化探测器于2013年11月19日发射，其发射质量约2550kg，它由运载火箭直接发射进入地火转移轨道之后，经历约10个月飞行过程，于2014年9月到达火星并成功完成环绕。其首次制动捕获的轨道周期为35小时，近地点约590km，随后该探测器又进行了2次制动，最终进入近地点150km，远地点6000km，倾角为74.2度的椭圆轨道。
在到达火星的两年时间内（2014年10月至2016年4月），火星大气与挥发演化探测器至少5次通过轨道调整从距离火星表面仅124km的高度掠过，这意味着它可以直接与火星大气层“亲密接触”，从而采集大气样本进行分析。它在完成探测任务的同时，还可为在火星表面执行探测任务的火星车提供数据中继服务，其对地传输数据传输率可达10Mbps。
火星科学试验室(MSL)，好奇号采用放射性同位素热电机
火星科学实验室的主要科学目标是挖掘火星土壤，钻取火星岩石粉末，对岩石样本进行分析，探测火星过去、现在是否具有支持微生物生存的环境，从而确定火星表面是否具有可居住性。该探测器于2011年11月26日发射，发射质量约3800kg，它由3个部分组成：巡航级、进入下降和着陆系统、火星车。
“火星科学实验室”携带著名的好奇号火星车，火星车质量约900kg。在火星科学实验室任务着陆火星过程中，首先利用锥形气动外壳进行气动减速，接下来使用降落伞进行减速，最后首次使用“空中起重机”新型着陆技术在火星上软着陆，对火星表面高精度着陆技术进行验证，为后续的采样返回和载人火星探测提供技术支撑。
针对火星上的恶劣环境，好奇号采用多任务放射性同位素热电机来进行供电，其原理是利用钚238在自然衰变的过程中释放出来的热来转换成电能，这样就避免了传统太阳能电池阵供电方式在火星沙尘暴中被沙尘覆盖失去发电能力的风险。
“天问一号”、“祝融号”火星车设计灵感来自蝴蝶
天问一号由环绕器、着陆器和巡视器组成，重量达到5吨左右。在人类发射的火星探测器中，天问一号算是一个比较大体量的探测器，因为中国这次的任务是一次发射完成多种探测。
人类探测火星的方式与探测月球的方式基本类似，包括环绕探测、着陆探测、巡视探测、采样返回探测和载人登陆探测等五种。这些探测方式人类都采用过，但每次发射基本上只采用其中的一两种探测方式。只有美国曾实现过一次发射完成环绕探测和着陆探测。欧洲曾两次进行类似的火星探测活动，但都只完成了环绕探测。
“祝融号”火星车上面有两个大眼睛，这两个大眼睛是导航地形相机，它能看得更远，来自主规划一个行进的路线。下面还有两个大眼睛，这两个大眼睛是避障相机，虽然它看得不是很远，但可以看得角度更宽。在实际的行驶过程中，前后还有两个避障相机辅助。火星车有6个轮，可以正负九十度进行转弯。
火星距离太阳要比地球距离太阳要远的多，因此火星上的太阳照度只有地球的大概40%。为了满足火星车在火星上工作的能量要求，“祝融号”火星车太阳能帆板就做得特别大，比之前的玉兔和玉兔二号要大得多，由4块太阳能帆板组成，设计灵感来源于蝴蝶。做成蝴蝶的形状便于收纳，另一方面蝴蝶比较漂亮，这也是科学家的浪漫。
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火星上荒野求生，“天问一号”有五大使命
“祝融号”火星车火星表面工作想象图。航天五院提供
“天问一号”成功实施两器分离，随后，着陆器成功穿越火星大气在火星表面实现软着陆。成功着陆后，“绕”“着”“巡”的串联任务终于进行到最后一步，开启了红色星球的探索之旅。
火星环境恶劣，大风风速是大台风三倍
火星的环境是出了名的恶劣，要想完成使命，火星车首先得活下来。这就需“祝融号”足够强大。
航天五院总体设计部“天问一号”火星探测器副总设计师贾阳的案头，摆放着一枚精美无比的蓝色蝴蝶标本。火星车的设计灵感，便正是来自这枚蝴蝶：无线电成了蝴蝶的复眼，天线成了蝴蝶的触须。
中国曾数次造访月球，积累了宝贵的经验。但月球与火星最大的不同，便在于月表近乎真空，而火星有大气层。这则会大大增加探索火星的难度。
如果只是看图片，火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁无异。事实上，火星上的风速可达每秒180米，这几乎是地球上特大台风风速的三倍还多。这如野兽般凶暴的烈风会掀起大量的沙尘，石块，形成特大沙暴。让“蝴蝶”的眼睛蒙尘，翅膀不再灵活。面对这样的情况，设计师使用了一种新型材料，这种材料不易沾上灰尘，即使沾上，也可以通过振动将其抖落。火星表面还密布着石块等障碍物，这就使得火星车的行驶需要更加地“小心翼翼”，以免被障碍物卡住造成操作的迟滞。
那如何让火星车的每一步都走得更加稳妥呢？在航天五院的实验室中，有一台一模一样的火星车。当在火星上遇到复杂的路况时，地球上的火星车将对火星路况进行模拟行驶，确认无误后才会发出指令。
13种科学载荷完成五大使命
着陆后，进⼊舱将着陆信息通过环绕器转发地面。进⼊舱和火星车先后完成坡道及太阳翼天线展开，火星车将在第一时间将成功展开的消息传回地面。一切准备就绪后，火星车将自主的驶离进⼊舱，抵达火面，开始新的征程。
除了常规的通信、能源（太阳能帆板）、支撑结构、动力系统等部分外，“天问一号”整体上携带了13种科学载荷。
其中7个在火星上空的环绕器上，分别是中分辨率相机、⾼分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、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。6台分布在火星车上，分别是多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机。
它们共有五大使命，主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究，将给中国带来火星的第一手资料。其中，与气象有关的研究项目将收集有关温度、气压、风速和风向的大气数据，并研究火星的磁场和重力场，这些也将解答大众的好奇——火星究竟是什么样的气候。
多知道一点
“天问一号”着陆前为何在轨道上运行3个月？
在2020年7月火星探测窗口发射的3颗探测器中，我国首次火星探测任务“天问一号”和美国的毅力号探测器均需在火星表面的软着陆任务。然而与毅力号直接实施火星表面软着陆不同，在“天问一号”两器分离前，由中国航天科技集团八院抓总研制的火星环绕器首先在停泊轨道上运行了3个月，想要搞清楚“天问一号”预选着陆区探测到底是如何开展的，就要先弄清楚两个问题。
与已经成功进行了多次火星探测任务的美国相比，我国在“天问一号”探测任务之前，尚不掌握第一手火星环境资料，对火星的地形地貌、天气环境等各方面情况尚不熟悉。因此在本次任务中，根据全球已公开的数据，在任务规划中首先预选出一个首选着陆区以及一个备选着陆区，并通过环绕器环绕火星的方式对预选着陆地点进行探测。
在被火星引力捕获后，环绕器在停泊轨道开展对预选着陆区为期3个月的观测。通过获取的第一手探测数据，环绕器对预选着陆区的环境条件进行进一步确认，同时获取着陆区的地形、沙尘暴天气等信息，为探测器实施软着陆提供进一步保障，确保探测器在着陆过程中的安全。
为了保证探测效果，八院火星环绕器研制团队设计的环火停泊轨道为回归轨道，即每圈轨道的近火点均位于首选着陆区的正上方，这种轨道设计可以使探测器每次运行到近火点时均可以对着陆区进行详查。
509所环绕器总体设计师介绍，环绕器对预选着陆区的探测包括地貌、天气两个主要方面。通过高分辨率相机、中分辨率相机、光谱仪等载荷的探测数据，火星环绕器生成火表遥感图像，随后以遥感图像为基础，对火星表面的地形地貌（如坡度、凹坑、石块等）进行辨识分析，并绘制得到火星表面高程图。地面科研人员利用这些坡度、高程、石块丰度等火表关键特性参数可以开展三维高精度建模，并进行着陆仿真验证，确保预选着陆点的地貌条件充分适合探测器的软着陆及后续火星车的巡视探测任务。
环绕器在停泊轨道执行预选着陆区探测任务中也会对火星的天气情况进行监测。由于火星表面天气恶劣，每年都会形成几场大的沙尘暴。沙尘暴可能会改变着陆巡视器下降过程的动力学参数，影响着陆过程的安全性，同时，沙尘粒子可能会附着在探测器的表面，甚至钻入探测器内部，造成各类仪器设备故障。
同时，由于“天问一号”携带的火星车采用太阳能帆板的形式供电，大量沙尘会覆盖在太阳能电池片的表面，降低发电效率甚至导致发电能力丧失。对于火星车来说，失去能源供应无疑是致命的。因此，通过停泊轨道3个月的预选着陆区探测，八院火星环绕器研制团队可以对火星的天气情况，尤其是沙尘暴的动向进行监测，从而避开恶劣的火星天气。
编辑 林玮琪 部分内容来源：新华社
值班编辑 吾彦祖
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