揭秘天问一号配备仪器及其用途

天问一号已经到达火星，围绕着火星运转了一段时间了。今年5月，天问一号的火星车还将登陆火星。天问一号的任务分成“绕、落、寻”三部曲，这“绕、落、寻”背后的目的又是什么呢?本文通过介绍天问一号携带的仪器，解答天问一号此行火星的目的，及其在未来中国火星任务中的作用。我们把天问一号搭载的仪器同欧美的火星轨道器做了对比，让大家了解一下，中国vs外国，到底是什么状态。

　　天问一号由三部分组成：轨道器、着陆器、巡视器。这其中着陆器并不负责携带仪器。在轨道器与巡视器上面，总共携带了13部仪器，分别是

　　轨道器：中分辨率相机(MRC)，在400 km的轨道上分辨率为100 m;高分辨率相(HRC)，在400 km轨道上的分辨率为2 m;火星磁强计;火星矿物光谱分析仪(MMS)，以确定元素组成;环绕器次表层探测雷达(MOSIR);火星离子与中性粒子分析仪(MINPA);火星能量粒子分析仪。

　　巡视器：火星车次表层探测雷达(RoSPR),拍摄火星表面以下约100米(330英尺)的图像;火星表面磁场探测仪(MSMFD);火气象测量仪(MMMI);火星表面成分探测仪(MSCD);多光谱相机(MSC);地形相机(NTC)。

天问一号巡视器上的设备

　　通过这十三台仪器，天问一号火星要达成的研究目标是5个：

　　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。

　　天问一号的高分辨率相机能在400km高度上实现2米的分辨率。相比之下，美国2006年入轨火星的火星勘测轨道器(MRO)上的HiRISE照相机，能做到百万分之一的分辨率，也就是400km高度0.4米精度。当然，HiRISE用的是0.5米口径的镜头，全重达65kg。天问一号高分辨率相机来自于长春光机所，相机总重量不到43公斤。

MRO上的HiRISE相机在火星轨道拍摄的地球和月球照片

　　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。

　　在天问一号之前的轨道器上搭载有雷达的，分别是2003年的欧洲火星快车号(Mars Express)上的MARSIS雷达和美国的MRO上的SHARAD雷达。MARSIS雷达的穿深能达到5千米，2018年发现了火星南极地下1.5km深处的盐水湖;但是精度很差，分辨率只有150米。SHARAD雷达的穿深只有几百米，但精度要高一些，能达到15米。

火星南极附近地下盐水湖的位置

　　天问一号轨道器上面的MOSIR穿深能有几百米，能达到7.5米的精度。至于天问一号火星车上的雷达，是继美国毅力号火星车之后第二个工作于火星表面的探地雷达。毅力号火星车的探地雷达穿深只有10米，精度能达到10厘米量级。

图中RIMFAX即为毅力号的探地雷达

　　毅力号火星车的RIMFAX探地雷达穿深比较低，可能是美国人觉得，能探测到火星上浅层的水冰就够用了。之前美国的火星探测已经发现，火星上冰的埋藏很浅，距离火星地表几米深的地方就有冰冻在那里，甚至火星着陆器随便刨一下，就有冰露出来。

美国凤凰号火星着陆器用铲子刨出来的冰

　　至于中国的RoSPR，工作在两个频段上，一个能探测10至100米深度，米级精度;另外一个探测10以内深度，厘米级精度。从雷达性能角度来说，天问火星车上的RoSPR超越了毅力号的RIMFAX。

　　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的碳酸盐，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。

　　这是通过矿物分析来寻找火星上的水。天问火星车上的光谱仪进行分析之前，先要通过一束激光，把火星表面的物质化成一缕青烟，然后再通过光谱仪分析青烟中的物质成分。如果探测到了氢氧元素，那就是发现了水。

激光加热火星表面物质

　　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。

　　天问一号轨道器上有两个分析仪，对火星大气进行研究。其中的离子和中性粒子分析仪，能实现对离子和能量中性原子进行能量、方向和成分的探测，用来研究火星大气逃逸机制、太阳风与火星的相互作用。而在“天问一号”探测器飞向火星阶段，火星离子与中性粒子分析仪还对太阳风离子进行探测，研究太阳风在行星际的传播特性。

太阳风对火星大气影响很大

　　天问一号在飞向火星的过程中，能量粒子分析仪测量了从地球至火星的带电粒子分布情况，可以提供抗辐射设计所需的参考数据，从而保护航天器、以及未来探索火星的宇航员的安全。在火星附近，可以分析带电粒子分布情况，可以与磁强计、离子和中性粒子分析仪等仪器配合，联合分析火星大气逃逸的原因。

美国的MAVEN，2014年入轨

　　做为对比，美国在2013年发射的火星轨道器MAVEN，携带了类似仪器，专门研究火星大气及太阳风对火星的影响。

天问一号火星车

　　天问一号火星车上面还有个气象测量仪，不过功能就比较简单了，就是测温、测风、测气压，再加上麦克风，到时候大家可以听一听火星的声音。这也是继毅力号之后，第二个记录火星声音的仪器。

　　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。

　　磁强计搭载在轨道器上，测量火星周边磁场情况，努力绘出火星的磁场图。总之，天问一号虽然是中国第一次成功入轨的火星探测器，携带的仪器设备还是挺完善的。中国一个天问一号，把MRO、MAVEN、火星快车等欧美多次发射的轨道器主要功能一次性都给办了。

欧洲的Mars Express

　　不知道大家注意到没有，在五项主要任务里，头三项都和水有关。第四项关于火星的大气，第五项关于火星的磁场。为什么这么多的任务要和水有关呢?水是火星上最重要的资源之一，尤其是对未来的载人登火任务而言，登陆地点附近最好有水。有了水，就可以通过电解的方式生成氢和氧。氧用来供宇航员呼吸，同时也是火箭的氧化剂;而氢本身就是火箭燃料。如果火箭使用甲烷，氢与二氧化碳反应可以生成甲烷。

天问一号要寻找合适火星车降落的地点

　　为什么天问一号要在轨道上运转好几个月，才会投放火星车?不仅仅是为了等待良好的天气条件和寻找平坦的地方，主要是希望火星车着陆地点附近，最好能有水源。天问一号预定降落的位置是火星上的乌托邦平原，大致地点见下图。

天问一号即将降落的地点

　　乌托邦平原这个地方，在图中颜色偏蓝，代表地势低洼。在火星久远的过去，表面是有液态水和海洋的。远古时代的火星，乌托邦平原这里应该被海洋所覆盖。理论上来说，这里的地下水冰资源应该是比较丰富的。因此，如果未来人类最早的登火地点选在乌托邦平原的话，一点也不令人惊奇。

火星地形图，图中的Utopia Planitia即为乌托邦平原

　　虽然中国的火星探测器登陆火星比美苏晚了将近半个世纪，但需要紧锣密鼓地为未来的载人登火做准备了。二十年代中期的天文二号将执行火星取样返回任务，就是试验太空船从火星起飞入轨的技术，从而为三十年代人类登陆火星打下基础。这就是为什么探测火星上的水是天问一号的重头戏。

火星上的古海洋范围

　　功能齐全，重点突出，目的明确，为未来载人登火做准备，这就是天问一号携带的仪器所透露出来的信息。