2020年世界火星探测概览

2020年世界火星探测概览庞之浩 高开源（北京神舟航天文化创意传媒有限责任公司）
阿联酋希望号火星轨道器飞行示意图24
天问一号火星探测器飞向火星示意图
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。

其中，天问一号火星探测器由环绕器、着陆巡视器（进入舱和火星车）组成，总质量约5t（含燃料）。

（1）环绕器
质量3.6t左右（燃料质量占总质量的大部分）的环绕器，设计寿命1个火星年（687个地球日），采用“外部六面柱体+中心承力锥筒”构型，满足5个飞行阶段和11种飞行模式的设备布局需求。

它主要完成地火转移、火星制动捕获、轨道调整等任务，为火星车提供3个月的中继支持服务，通过携带的科学载荷对火星开展约1个火星年的科学探测，实现对火星全球普查和局部详查。

环绕器具备三大功能：飞行器、通信器和探测器。

需克服飞行时间长、面临环境差、控制要求高和空间动作繁多四大困难。

涉及5个主要环节：地火转移、火星捕获、离轨着陆、中继通信和科学探测。

地火转移段：环绕器需要进行4～5次中途修正和1次深空机动修正飞行路径，飞过超过4.0×108km 的路径，才能逐渐飞近火星；火星捕获段：发射约200天后，探测器将被火星捕获，此时距离地球近1.93×108km，通信时延约11min；离轨着陆段：进入捕获轨道后，环绕器将调整至停泊轨道，将择机降轨释放着陆器，着陆器分离后环绕器再抬轨回到停泊轨道；中继通信段：环绕器将再次进入中继轨道，为地球与着陆器提供为期3个月的中继通信服务；科学探测段：中继任务结束后，环绕器将再次进行降轨进入科学探测轨道，对火星轨道空间、火星表面开展科学探测。

其主要科学任务：拍摄中国首张火星全景图；探测火星土壤类型分布和结构，探测火星表面和地下水冰；探测火星地形地貌特征及其变化；调查和分析火星表面物质成分；分析火星大气电离层并探测行星际环境。

为此，环绕器携带了7台科学仪器：
1）中分辨率相机，用于获取火星全球遥感影像图。

2）高分辨率相机，用于对着陆区和高科学价值区域成像。

3）次表层雷达，用于开展火星表面次表层结构、极地区冰层探测。

4）矿物光谱分析仪，用于探测火星表面的矿物种类、含量和空间分布情况。

5）磁强计，用于探测火星空间磁场环境。

6）离子与中性粒子分析仪，用于对太阳风以及火星空间离子和中性粒子的能量、通量和成分进行测量。

7）能量粒子分析仪，用于获取火星空间环境中能量粒子的能谱通量和元素成分数据。

（2）火星车
火星车约240kg，质量几乎是玉兔号月球车的2倍，用于在着陆区开展巡视探测，设计工作寿命92个地球日。

其主要科学任务：探测火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型；探测火星巡视区土壤结构并探查水冰；探测火星巡视区大气物理特征与表面环境，探测火星巡视区形貌和地质构造。

为此，火星车携带6台科学仪器：
1）导航/地形相机，用于为火星车提供导航和定位依据，获取着陆区及巡视区高分辨率三维图像。

2）多光谱相机，用于探测火星表面物质类型分布，获取巡视区可见、近红外波段的图像。

3）次表层雷达，用于探测巡视区次表层地质结构。

4）表面成分探测仪，用于获取紫外至近红外谱段的高分辨率光谱特征信息。

5）表面磁场探测仪，用于探测巡视区局部磁场。

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天问一号拍摄的地月合影
4 毅力号将继续在火星上寻找生命
经过多次推迟，美国于2020年7月30日发射“火星2020”探测器，它由巡航级、下降级、减速器和毅力号（Perseverance）火星车等部件组成，最后只有毅力号火星车降落在火星表面。

毅力号火星车计划2021年2月18日在火星杰泽罗陨环形山（Jezero Crater）着陆，那里在35亿年前存在湖泊，可能是一个寻找生命迹象的好地方。

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它将至少工作1个火星年，通过收集火星的第一批样本，并在未来的任务将这些样本送回地球，为载人登陆火星铺平道路。

该项目耗资24.4亿美元。

毅力号火星车是在好奇号（Curiosity）火星车的基础上改进而成的，但整个系统也采用了多项新技术，例如，用地形相对导航（TRN）装置使火星车在进入火星大气层避开危险的地形；用距离触发器（RT）提高打开降落伞的时间精度；机械臂有较大改进，“手”更大，装有采集钻头、仪器和相机，其中用于对火星岩石和土壤样本取芯的钻机，能挑选放入未来样品缓存系统的岩石样品，并把这些样品收集、存储在火星表面的金属管内存放于预定地点，以便以后的火星车找到并带回地球进行更深入的实验分析，这是首次采用这一技术；火星车内有过的印记。

由于科学目标与好奇号有很大的不同，因此装了7台新的科学仪器，使毅力号火星车有四大“绝活”：
一是将收集30块内部岩石和土壤（风化层）的样本，然后放置在火星表面上，未来将发射探测器把样本带回地球。

二是装有23台相机（好奇号有17台相机），堪称历史之最。

除工程相机和避险相机外，还有可实现彩色成像、三维成像、微距成像、发射紫外激光等一系列复杂功能的相机，将提供更多高分辨率、色彩鲜明的3D图像，这对探测火星地质特征和潜在样本非常有利。

三是携带了火星氧元素原位资源利用实验仪，可以将占火星大气约96%的二氧化碳变为氧气和一。