天問一號

發展沿革

歷史背景

精選片單中國研製的首個火星探測器“天問一號”，距離地球已超過一億公里

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發射：天問一號火星探測器在中國文昌航天發射場成功發射。

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2011年11月9日，中國研製的首個火星探測器“螢火一號”同俄羅斯“福布斯-土壤”號探測器於哈薩克斯坦境內的拜科努爾發射場搭乘俄運載火箭發射升空。然而由於搭載的俄羅斯“福布斯-土壤”火星探測器出現故障，“螢火一號”未能進入預定軌道，任務宣告失敗。之後，隨著中國大型運載火箭和深空探測網等瓶頸取得突破，中國規劃自主發射火星探測器。

《2016中國的航天》白皮書明確提出：實施中國首次火星探測任務，突破火星環繞、著陸、巡視探測等關鍵技術。計畫2020年發射首顆火星探測器，實施環繞和巡視聯合探測。開展火星採樣返回、小行星探測、木星系及行星穿越探測等的方案深化論證和關鍵技術攻關，適時啟動工程實施，研究太陽系起源與料重承演化、地外生命信息探尋等重大科學問題。

研製歷程

2016年1月，中國自主火星探測任務獲得國家批准立項。任務要求通過一次發射任務實現火星環繞、著陸和巡視，對火星開展全球性、綜合性的環繞探測汗民盛，在火星表面開展區域巡視探測。計畫於2020年7-8月間擇機發射，2021年登入火星。

中國按計畫推進火星探測工程，火星探測器和用於發射的長征五號運載火箭分別由中國航天科技集團有限公司五院和一院抓總研製。

2020年4月，中國國家航天局明確計畫通過長征五號遙四運載火箭發射“天問一號”探測器。天問一號由一部軌道飛行器和一輛火星車構成。天問一號火星探測任務要一次性完成“繞、落、巡”三大任務。

2020年7月14日，火星探測器“天問一號”運抵文昌航天發射場。

2020年7月22日，中國火星探測工程正式對外公布“中國首次火星探測任務天問一號1:1著陸平台和火星車”信息。

2020年7月23日12時41分，長征五號遙四運載火箭搭載天問一號探測器發射升空，飛行2000多秒後，成功將探測器送入預定軌道，開啟火星探測之旅，邁出了中國自主開展行星探測的第一步。

系統組成

天問一號探測器由阿去匙環繞器、著陸器和巡視器組成，總重量達到5噸左右。

環繞器

環繞探測是火星探測的主要方式之一，也是行星探測開始階段的首選方式。環繞器要完成的主要科學探測任務包括五大方面：火星大氣電離層分析及行星際環境探測；火星表面和地下水凍的探測；火星土壤類型分布和結構探測；火星地形地貌特徵及其變化探測；火星表面物質成分的調查和分析。

天問一號環繞器搭載了7台有效載荷，用於火星科學探測，包括七個部分：

（1）中解析度相機，繪製火星全球遙感影像圖，進行火星地形地貌及其變化探測腳獄，如火星表面成像、火星地質構造和地形地貌研究。

（2）高解析度相機，獲取火星表面重點區域精細觀測圖像，開展地形地貌和地質構造研究。

（3）環繞器次表層探測雷達，利用高頻電磁波的穿透特性對行星表面和內部結構的岩性、電磁參數及主要組成成分進行探測研究；汽組辨利用探測器星下點高度，開展火星表面地形研究；開展行星際甚低頻射電頻譜研究。

（4）火星礦物光譜分析儀，分析火星礦物組成與分布；研究火星整體化學成分與化學演化歷史；分析火星資源及其分布。

（5）火星磁強計，探測火星空間磁場環境，研究火星電離層及磁鞘與太陽風磁場相互作用機制。

（6）火星離子與中性粒子分析儀，對火星電漿中的粒子特性進行研究，了解火星大氣的逃逸；研究太陽風和火星大氣相互作用、火星激波附近中性粒子加速機制。

（7）火星能量粒子分析儀，研究近火星空間環境和地火轉移軌道能量粒子的能譜、元素成分和通量的特徵及其變化規律；繪製火星全球和地火轉移軌道不同種類能量粒子輻射的空間分布圖；與磁強計、離子和中性粒子分析儀等聯合研究近火星空間能量付蘭企踏粒子輻射與大氣的關係、太陽風暴能量粒子事件對火星大氣逃逸的影響與相互作用的規喇樂譽擊律以及火星粒子加速與輸運過程。

著陸器

天問一號環繞器進入環火軌道後，先開展約三個月的對地觀測，特別是對預選著陸區進行詳細勘測。之後攜帶火星車的著陸器將與環繞器分離，利用降落傘和反推火箭在火星表面著陸，並開展為期90個火星日（一個火星日約24小時39分35.2秒）的巡視探測任務。

火星車

“祝融號”火星車要完成的科學探測任務有：火星巡視區形貌和地質構造探測，火星巡視區土壤結構（剖面）探測和水冰探查，火星巡視區表面元素、礦物和岩石類型探查，以及火星巡視區大氣物理特徵與表面環境探測。

火星車搭載了6台科學載荷，包括：

（1）火星表面成分探測儀，火星表面成分探測儀包括雷射誘導擊穿光譜儀（LIBS），短波紅外光譜顯微成像儀（SWIR）和微成像相機。LIBS（240-850 nm）用於元素組成分析；SWIR（850-2400 nm）用於礦物和岩石的分析和識別；微成像相機（900-1000 nm）可以獲得探測目標的高空間解析度圖像。

（2）多光譜相機，獲取著陸點周圍的地形、地貌和地質背景信息，進行空間分析，獲得岩石、土壤等可見近紅外光譜數據；採集各種白天和黑夜的天空圖像，以進行特定的大氣、氣象和天文研究。

（3）導航地形相機，拍攝廣角圖片，指導火星車的移動並尋找感興趣的目標（岩石/土壤等）；結合環繞器上搭載的高解析度相機，將它們拍攝到的地面圖像進行比對，可以校準火星表面的真實情況；為其他科學載荷尋找感興趣的探測目標或區域。

（4）火星車次表層探測雷達，次表層探測雷達可以探測火星土壤的地下分層和厚度。包含兩個通道，低頻通道（15-95 MHz）可以穿透10-100米的深度（空間解析度為幾米）；高頻通道（0.45-2.15 GHz）可以穿透3-10米的深度（空間解析度為幾厘米）。次表層探測雷達可以隨火星車移動，持續收集地下雷達信號，探測地下物質的大小和分布特徵，並在垂直和水平方向上約束地下分層結構，制約地下水冰和揮發物（如，水合礦物質等）的分布。

（5）火星表面磁場探測儀，檢測火星表面磁場，火星磁場指數以及火星電離層中的電流。其主要優點是可隨火星車移動；與環繞器上搭載的磁強計協同觀測，將對理解火星內部的演變具有極其重要的意義。

（6）火星氣象測量儀，用於監測火星表面溫度，壓力，風場和聲音等的時間和空間變化。在著陸之前，還可以在環火軌道上收集溫度和聲音數據。

天問一號火星車相較於國外的火星車其移動能力更強大，設計也更複雜。它採用主動懸架，6個車輪均可獨立驅動，獨立轉向。除前進、後退、四輪轉向行駛等功能外，還具備蟹行運動能力，用於靈活避障以及大角度爬坡。更強大的功能還包括車體升降（在火星極端環境表面可以利用車體升降擺脫沉陷）、尺蠖運動（配合車體升降，在鬆軟地形上前進或後退）和抬輪排故（遇到車輪故障的情況，通過質心位置調整及夾角與離合的配合，將故障車輪抬離地面，繼續行駛）。

各型設備

天問一號探測器攜帶設備及功能：

中、高解析度相機，負責對火星表面成像，開展火星表面地形地貌和地質構造研究；

火星磁強計後續主要負責探測火星空間磁場環境；

火星礦物光譜分析儀則用來分析火星礦物組成與分布，研究火星整體化學成分與化學演化歷史，分析火星資源與分布區等。

套用材料

超輕質的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料：套用於火星探測器上氣動加熱最嚴重的大底結構及大底拐角部位。

作用：在探測器著陸的階段，該材料表面與火星大氣摩擦並發生複雜的物理化學反應，帶走大量的熱量；同時該材料還具有良好的保溫隔熱性能，將熱浪排除在探測器之外，有效保護探測器不被燒壞。

連續纖維增強中密度防熱材料：套用在需要維持探測器整體形狀的上下邊緣和結構的支撐部位以及背罩防熱結構的艙蓋、封邊環、埋件、螺塞等零部件。

作用：該材料相比低密度材料強度更高，密度為0.9g/cm3，兼顧了耐燒蝕和承載能力。

超輕質的燒蝕防熱塗層材料：套用在氣動加熱較為緩和的背景部位。

作用：塗層密度為0.28g/cm3，熱導率為0.06W/（m k），隔熱性能優良，對著陸器的減重也起到重要作用。

特種吸能合金：套用於著陸機構。

作用：該合金具有突出的強韌性、輕質性和吸能性，可吸收探測器著陸的衝擊能。

高性能碳化矽基增強鋁基複合材料：套用於探測器高精密儀器。

作用：重量輕、強度高、剛性好、寬溫度範圍下尺寸穩定，滿足“天問一號”長時間運行時對關鍵機構的材料需求。

鋁矽封裝外殼：套用於探測器著陸系統的TR組件等核心元器件封裝解決方案。

作用：保障探測器著陸系統電路的安全，為器件內部電路穿上安全可靠的保護衣，保障探測器在火星的安全平穩著陸。

新型鋁基碳化矽複合材料：用於火星車結構、機構、儀器等幾十種零部件。

作用：火星車要在工況複雜的火星表面長距離行走，這對火星車材料的輕量化、高強韌性、高尺寸穩定性、耐衝擊性提出了極高的要求，傳統鋁、鈦合金難以兼顧綜合要求，新型鋁基碳化矽複合材料可勝任。

新型鎂鋁合金：用於探測器結構。

作用：世界上最輕的金屬結構材料之一，可實現探測器輕量化。

高精尖鋁材（蒙皮板、自由鍛件、超大規格板、鍛環、鋁鋰合金）：套用於探測器。

作用：保障天問一號火星探測器長期的太空行駛及完成著陸。

有機熱控塗層：太空飛行器外表面及儀器表面。

作用：探測器在進入軌道後，處於地球大氣層以外的超高真空空間環境，朝向太陽的部分表面溫度非常高，而背向太陽的部分表面溫度非常低，導致太空飛行器“冰火兩重天”。該材料可以保證探測器能夠在極端複雜的溫度下保持正常工作，通過調控溫度達到熱控需求。

納米氣凝膠：用於火星車。

作用：很輕、隔熱性能好，在探測器“落”與“巡”兩項任務中發揮作用。

聚合物智慧型複合材料：用於可展開柔性太陽能電池系統。

作用：實現柔性太陽能電池的鎖緊、釋放和展開，以及展開後高剛度可承載等功能。

飛行任務

飛行目標

天問一號執行中國首次火星探測任務，其飛行目標是：在國際上首次通過一次發射，實現火星環繞、著陸、巡視探測，使中國成為世界上第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術的國家。

探測任務

天問一號探測任務的三大科學問題：（1）探測火星生命活動信息；（2）火星的演化以及與類地行星的比較研究；（3）探討火星的長期改造與今後大量移民建立人類第二個棲息地的前景。

天問一號探測的五個科學目標：（1）火星形貌與地質構造特徵；（2）火星表面土壤特徵與水冰分布；（3）火星表面物質組成；（4）火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵；（5）火星物理場與內部結構。

英國《自然》雜誌評價稱，中國“天問一號”能一次性完成“繞、落、巡”三大任務，創造新的歷史紀錄。

飛行歷程

地月合影

2020年7月27日，北京航天飛行控制中心飛控團隊與中國空間技術研究院試驗隊密切配合，控制“天問一號”探測器在飛離地球約120萬千米處回望地球，利用光學導航敏感器對地球、月球成像，獲取了地月合影。在這幅黑白合影圖像中，地球與月球一大一小，均呈新月狀，在茫茫宇宙中相互守望。

首次軌道修正

2020年8月2日7時整，天問一號探測器3000牛發動機開機工作20秒，順利完成第一次軌道中途修正，繼續飛向火星。截至第一次軌道修正前，天問一號探測器各系統狀態良好。

截至2020年8月19日23時20分，“天問一號”火星探測器距離地球約823萬千米，環繞器上火星磁強計、礦物光譜分析儀、高解析度相機、中解析度相機等載荷依次完成自檢，確認設備狀態狀態一切正常。

截至2020年8月28日10時08分，“天問一號”探測器累計飛行里程達到1億千米，探測器姿態穩定、能源平衡，多個載荷完成自檢，確認設備狀態正常，相關工作正按計畫穩步推進。

截至2020年9月18日8時30分，“天問一號”探測器飛行里程已達1.55億千米，距離地球1800萬千米。

第二次軌道修正

2020年9月20日23時，在中國首次火星探測任務飛行控制團隊操作下，天問一號探測器4台120N發動機同時點火工作20秒，順利完成第二次軌道中途修正，並在軌驗證了120N發動機實際性能。

截至2020年9月20日23時，天問一號已在軌飛行60天，距離地球約1900萬千米，飛行里程約1.6億千米，探測器各系統狀態良好，地面測控通信各中心和台站跟蹤正常。

深空“自拍”

2020年10月1日，國家航天局發布中國首次火星探測任務“天問一號”探測器飛行圖像。

截至2020年10月1日0時，探測器已飛行約1.88億千米，距地球約2410萬千米，飛行狀態良好。

深空機動

2020年10月9日23時，在中國首次火星探測任務飛行控制團隊控制下，天問一號探測器主發動機點火工作480餘秒，順利完成深空機動。天問一號探測器的飛行軌道變為能夠準確被火星捕獲的、與火星精確相交的軌道。截至該次深空機動前“天問一號”已飛行超過78天，距離地球超過2900萬千米，探測器各系統狀態良好。

第三次軌道修正

2020年10月28日22時，在中國首次火星探測任務飛行控制團隊控制下，天問一號探測器8台25N發動機同時點火工作，完成第三次軌道中途修正，並在軌標定了25N發動機的實際性能。該次軌道中途修正，是為了在深空機動後，對轉移軌道再次進行微量調整，使火星探測器按照預定時間與火星交會。截至同日，天問一號已在軌飛行97天，距離地球約4400萬千米，飛行路程約2.56億千米，探測器各系統狀態良好，地面測控通信各中心和台站跟蹤正常。

飛行動態

截至2020年11月17日凌晨，中國首次火星探測任務“天問一號”探測器已在軌飛行116天，飛行里程突破3億千米，距離地球約6380萬千米。探測器姿態穩定，能源平衡，部分分系統完成自檢，各系統工作正常。

截至2020年12月9日，“天問一號”已飛行約3.5億千米，對地球距離約9250萬千米，對火星距離約1400萬千米。

截至2020年12月14日，天問一號探測器已在軌飛行144天，飛行里程約3.6億千米，距離地球超過1億千米，距離火星約1200萬千米，飛行狀態良好。受天體運動規律影響，火星與地球距離在0.5億千米至4億多千米周期性變化。天問一號探測器到達火星附近時，距離地球約1.9億千米。

截至2021年1月3日6時，“天問一號”探測器已經在軌飛行163天，飛行里程突破4億千米，距離地球約1.3億千米，距離火星約830萬千米。

截至2021年2月3日，“天問一號”探測器總飛行里程已超過4.5億千米，距地球約1.7億千米。預計2月10日左右，“天問一號”將進行近火制動，開啟環繞火星之旅。

截至2021年2月5日，天問一號已在軌飛行約197天，距離地球約1.84億千米，距離火星約110萬千米，飛行里程約4.65億千米，探測器各系統狀態良好。天問一號在距離火星約220萬千米處，獲取了首幅火星圖像。

第四次軌道修正

2021年2月5日20時，“天問一號”探測器發動機點火工作，完成地火轉移段第四次軌道中途修正，以確保按計畫實施火星捕獲。國家航天局同步公布了“天問一號”傳回的首幅火星圖像。

環繞火星

2021年農曆除夕前後，執行中國首次火星探測任務的“天問一號”探測器進行近火制動，“剎車”後被火星“捕獲”，正式開啟火星探測之旅。

2021年2月10日19時52分，“天問一號”探測器成功進入火星軌道。

2021年2月15日 17時，首次火星探測任務天問一號探測器成功實施捕獲軌道遠火點平面機動。3000N發動機點火工作，將軌道調整為經過火星兩極的環火軌道，並將近火點高度調整至約265千米。

2021年2月24日6時29分，首次火星探測任務天問一號探測器成功實施第三次近火制動，進入近火點280千米、遠火點5.9萬千米、周期2個火星日的火星停泊軌道。

2021年3月4日，國家航天局發布3幅由中國首次火星探測任務天問一號探測器拍攝的高清火星影像圖，包括2幅黑白圖像和1幅彩色圖像。

2021年3月26日，國家航天局發布2幅由中國首次火星探測任務天問一號探測器拍攝的南、北半球火星側身影像。圖像中火星呈“月牙”狀，表面紋理清晰。

2021年5月15日凌晨至5月19日期間，天問一號探測器根據飛行情況，擬擇機著陸於火星烏托邦平原。

著陸火星

2021年5月15日7時18分，天問一號著陸巡視器成功著陸於火星烏托邦平原南部預選著陸區，中國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功。

第四次近火制動

2021年5月17日8時，天問一號環繞器實施第四次近火制動，進入周期為8.2小時中繼通信軌道。

傳回圖像

2021年5月19日，中國國家航天局發布火星探測天問一號任務探測器著陸過程兩器分離和著陸後火星車拍攝的影像。圖像中，著陸平台和“祝融號”火星車的駛離坡道、太陽翼、天線等機構展開正常到位。

2021年6月7日，國家航天局發布中國首次火星探測天問一號任務著陸區域高分影像圖。圖像中天問一號著陸平台、“祝融號”火星車及周邊區域情況清晰可見。影像圖由天問一號環繞器高解析度相機，於6月2日18時拍攝。圖像右上角有兩處明顯亮斑，靠上的亮斑由兩個亮點組成，較大亮點為天問一號著陸平台，較小亮點為“祝融號”火星車。

科學影像

2021年6月11日，國家航天局舉行了天問一號探測器著陸火星首批科學影像圖揭幕儀式，布了由“祝融號”火星車拍攝的著陸點全景、火星地形地貌、“中國印跡”和“著巡合影”等影像圖。首批科學影像圖的發布，標誌著我國首次火星探測任務取得圓滿成功。6月23日，“著巡合影”名字確定為“星火燎原”。

實拍影像

2021年6月27日，國家航天局發布我國天問一號火星探測任務著陸和巡視探測系列實拍影像，包括著陸巡視器開傘和下降過程、“祝融號”火星車駛離著陸平台聲音及火星表面移動過程視頻，火星全局環境感知圖像、火星車車轍圖像等。

其中，祝融號火星車火星表面移動過程視頻是人類首次獲取火星車在火星表面的移動過程影像。

文化特色

工程標識

中國行星探測工程作為一個整體概念，以“攬星九天”作為工程的圖形標識。太陽系八大行星依次排開，表達了宇宙的五彩繽紛，呈現科學發現的豐富多彩，飽含動感，氣韻流動。開放的橢圓軌道整體傾斜向上，展示了獨特字母“C”的形象，代表了中國行星探測“China”，體現著國際合作精神“Cooperation”，標誌著深空探測進入太空能力-C3。這組意義深遠的名稱與圖形標識將承載著中國人航天強國的夢想，為人類和平利用太空推動構建人類命運共同體貢獻更多中國智慧、中國方案、中國力量，前往未至，發現未知。

名稱淵源

天問一號的名稱來源於中國古代愛國主義詩人屈原的長詩《天問》，表達了中華民族對真理追求的堅韌與執著，體現了對自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學真理征途漫漫，追求科技不斷創新永無止境。

2020年12月16日，“天問一號”入選國家語言資源監測與研究中心發布的“2020年度中國媒體十大新詞語”。

正式命名

飛行器

自2016年8月23日開始，中國火星探測工程名稱和圖形標識面向全球徵集，海內外各界踴躍參加，共收到提交工程名稱及圖形標識作品35912個。經過網路投票共收穫各地有效投票3278962張。無數優秀創意作品共同塑造了人類對火星探測的美好願景。

2020年4月24日，中國行星探測任務被正式命名為“天問系列”，首次火星探測任務被命名為“天問一號”，後續行星任務依次編號。

火星車

2021年4月24日，在2021中國航天日開幕啟動儀式上，宣布中國首輛火星車名稱為“祝融號”。祝融在中國傳統文化中被尊為最早的火神，象徵著中華民族的祖先用火照耀大地，帶來光明。首輛火星車命名為“祝融”，寓意點燃中國星際探測的火種，指引人類對浩瀚星空、宇宙未知的接續探索和不斷超越。

總體評價

天問一號火星探測器的成功發射、持續飛行以及後續的環繞、降落和巡視，表明深空探測是當今世界高科技中極具挑戰性的領域之一，是眾多高技術的高度綜合，也是體現一個國家綜合國力和創新能力的重要標誌。中國開展並持續推進深空探測，對保障國家安全、促進科技進步、提升國家軟實力以及提升國際影響力具有重要的意義。

“探索浩瀚宇宙，發展航天事業，建設航天強國，是中國不懈追求的航天夢。”未來五年及今後一個時期，中國將堅持創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，推動空間科學、空間技術、空間套用全面發展，為服務國家發展大局和增進人類福祉作出更大貢獻。

天問一號任務成功是中國航天事業自主創新，跨越發展的標誌性成就。在中國航天發展史上，天問一號任務實現了6個首次，一是首次實現地火轉移軌道探測器發射；二是首次實現行星際飛行；三是首次實現地外行星軟著陸；四是首次實現地外行星表面巡視探測；五是首次實現4億公里距離的測控通信；六是首次獲取第一手的火星科學數據。在世界航天史上，天問一號不僅在火星上首次留下中國人的印跡，而且首次成功實現了通過一次任務完成火星環繞、著陸和巡視三大目標，充分展現了中國航天人的智慧，標誌著中國在行星探測領域跨入世界先進行列。（《南京航空航天大學學報》、《2016中國的航天》白皮書中國國家航天局評）