天問一號

天問一號
	前往火星途中的天問一號探測器前往火星途中的天問一號探測器; 由一次性分離式相機拍攝
名稱	天問一號
任務類型	火星無人環繞、着陸、巡視
運營方	國家航天局
國際衛星標識符	2020-049A
衛星目錄序號	45935
任務時長	現已1619天15小時又43分（自發射）; 軌道器：≥1個地球年 ; 現已1417天8小時又32分（自入軌環繞）; 巡視器：90個火星日 ; 現已1323天21小時又6分（自着陸）
航天器屬性
航天器類型	軌道器、著陸器、探測車
發射質量	合計: 5,000公斤（11,000磅）; 軌道器：3,175公斤（7,000磅）; 巡視器：240公斤（530磅）
尺寸	巡視器：; 完全展開：2.6m × 3m × 1.85m; 未展開：1.65m × 2m × 0.8m
任務開始
發射日期	2020年7月23日; 12時41分15秒167毫秒
運載火箭	長征五號
發射場	文昌 LC101
承包方	中國航天科技集團
火星軌道器
航天器組件	軌道器
入軌	2021年2月10日19時52分
軌道	繞火軌道 275km×10,749km
軌道參數
傾角	86.3°
火星登陸器
航天器組件	著陸器
著陸日期	2021年5月15日7時18分
著陸點	烏托邦平原; 25°03′58″N 109°55′34″E / 25.066°N 109.926°E
火星探測車
航天器組件	巡視器
著陸日期	2021年5月15日7時18分
著陸點	烏托邦平原
部署日期	2021年5月22日10時40分; （釋放至火星表面）
	中國行星探測工程 ← （首次任務）

天問一號是中華人民共和國正在進行的一項火星探測任務，中國行星探測工程下的中國火星探測計劃的一部分^[14]。

天問一號火星探測器於2020年7月23日12時41分由長征五號遙四運載火箭從海南文昌航天發射場發射升空，成功送入預定軌道^[7]。天問一號在地火轉移軌道飛行約7個月後到達火星附近，在2021年2月10日完成火星捕獲後進入環火軌道。之後天問一號陸續展開着陸、巡視等火星科學探測任務^[15]^[16]。其既定目標是尋找當前和過去生命的證據，並評估行星的環境。2021年5月15日北京時間上午7時18分^[11]^[12]，天問一號所攜帶的「祝融號」火星車在火星烏托邦平原南部預選着陸區成功着陸^[17]，標誌着中國成為繼前蘇聯和美國後，世界上第三個在火星着陸探測器的國家^[18] ^[19]^[20]^[21]；成為繼美國^{[註 1]}後，世界上第二個在火星部署火星車的國家 ^[22]；也是世界第一個首次火星任務即成功完成火面巡視的國家^[23]。

命名來源

「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）^[24]。

背景

因為火星探測的難度要比月球探測的難度更高，所以中國國家航天局在開始深空探測的初期的主要對象是月球而不是火星^[25]，為此中國探月工程發射了一系列「嫦娥」探測器對月球進行探測並積累經驗。

天問一號之前，中國對火星的探測活動還有一次，始於2011年的螢火一號任務。螢火一號作為中國的首顆火星探測器，搭載於聯邦航天局福布斯-土壤之上，於2011年11月9日從拜科努爾發射場發射，原設計壽命兩年，主要科學探測目標是對火星的空間磁場、電離層和粒子分布變化規律，以及火星大氣離子逃逸率進行探測^[26]。然而俄羅斯負責的部分出現故障，福布斯-土壤探測器主推動系統上的兩個發動機都未能點火啟動導致發射後無法離開近地軌道^[27]，最終於2012年1月15日再入地球大氣層，並墜毀於太平洋海域，這次任務並沒有輪到考驗中國自主研製的螢火一號探測器的性能即結束^[28]。

儘管螢火一號任務失敗，但它為中國培養了人才隊伍，奠定了未來中國自主火星探測的基礎。在螢火一號之後，中國組建了原本沒有的專門研究火星的科研團隊，翻譯出版了關於火星的教科書，並提出了一系列新的科學目標和探測方案，開始建設可以遠達火星軌道的深空測控站，中國自此開始走上獨立自主的火星探索之路，並將首次獨立火星任務本應分兩步、甚至三步走的「繞、落、巡」計劃，合併在一次實施。^[29]

2014年6月，中國月球探測工程首席科學家、「嫦娥之父」歐陽自遠在第22屆國際天文館學會大會的開幕式上透露中國計劃在2020年實現火星的着陸巡視^[30]。同年11月11日，在第十屆中國國際航空航天博覽會上，中國火星車的早期等比例模型首次亮相^[31]。

2016年4月22日，時任國家航天局局長許達哲在首個中國航天日來臨前透露中國的火星探測任務已於當年1月11日獲批，將在2020年前後發射火星探測器，一步實現繞火星的探測和着陸巡視^[32]。同年8月23日，國家國防科工局探月與航天工程中心發布中國首個火星探測器和火星車外觀設計構型圖，並啟動中國火星探測工程名稱和圖形標識全球徵集活動，標誌着中國火星探測任務的全面公開^[33]。

2019年11月14日，國家航天局在位於河北省懷來縣的地外天體着陸綜合試驗場完成首次火星探測任務着陸器懸停避障試驗，並邀請了部分外國駐華使館及國際組織人員觀摩試驗並參觀相關試驗設施^[34]。

2020年4月24日，國家航天局在2020年中國航天日啟動儀式上宣布了中國行星探測工程的名稱與圖形標識，將中國行星探測任務命名為「天問」，將中國首次獨立火星探測任務命名為「天問一號」^[35]。

目標與任務

這是中國的首次星際任務，也是對火星的首次獨立探測。因此，目標首先是驗證深空的通信和控制技術，在行星上繞軌道運行以及在其表面着陸。軌道器還必須能夠找到地點，以便將來返回火星樣本。

從科學的角度來看，天問一號火星探測任務必須達到5個目標：

研究火星形貌與地質構造特徵，及其演化和成因的研究。為此，該探測將使用來自特徵區域的精確數據來分析行星的地形，這些特徵區域包括河流的乾燥河床、火山、風蝕、兩極冰川等。軌道器上的兩個攝像機專用於此目標。
研究火星表面土壤特徵和地下層的特徵，與水冰分布。探測火星土壤種類、風化沉積特徵和全球分布，搜尋水冰信息並開展火星土壤剖面分層結構研究。這就是軌道器和火星車上的雷達的作用。
研究火星表面物質組成，開展表面礦物組成分析。分析火星古代湖泊，河流和其他景觀中存在的風化的碳酸鹽，這些礦物是由地球上過去存在的水引起的，例如赤鐵礦，層狀硅酸鹽，硫酸鹽水合物甚至高氯酸鹽礦物，以建立與過去火星水的聯繫。軌道器和火星車上的光譜儀以及多光譜攝像機專用於此目標。
研究火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵，開展火星電離層結構和表面天氣季節性變化規律研究。以及更廣泛的大氣研究，無論是在其近太空環境還是在其表面。這是軌道器上的兩個粒子探測器以及火星車上氣象站的作用。
研究火星的內部結構，其磁場，其地質演化的歷史，其質量的內部分布及其引力場。軌道器和火星車上的磁強計以及雷達專用於此目標。^[36]

整個目標圍繞火星是否存在過生命或具備生命存在的環境，火星演化和太陽系的起源與演化兩大科學問題開展^[37] 。中國首次火星探測任務科學目標將通過環繞探測和巡視探測共同實現，這在國際尚屬首次。環繞探測主要開展火星全球性、整體性和綜合性的詳查探測，巡視探測專注於火星表面重點地區的高精度、高分辨的精細探測和就位分析。^[38]

基本技術方案

天問一號任務由工程總體和探測器、運載火箭、發射場、測控、地面應用五大系統組成：^[39]

探測器

天問一號探測器由環繞器和着陸巡視器組成，總質量約為5噸。^[39]

環繞器

環繞器重約3175千克，主要任務為：火星大氣電離層分析及行星際環境探測；火星表面和地下水冰的探測；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。為此，環繞器配置了中分辨率相機、高分辨率相機、環繞器次表層探測雷達火星礦物光譜分析儀、火星磁強計、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀共7種科學設備。^[38]

着陸巡視器

着陸巡視器由進入艙和巡視器組成。進入艙重約1585千克，被包裹在球錐大底加球錐背罩內完成火星進入、下降、着陸（EDL）任務^[40]。巡視器重約240千克，完成巡視探測，其主要任務為：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、礦物和岩石類型探測；火星巡視區大氣物理特徵與表面環境探測。為此，火星車配置了火星表面成分探測儀、多光譜相機、地形相機、火星車次表層探測雷達、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀共6種科學設備。^[38]

巡視器經全球徵名、評審、網絡投票等層層遴選，在2021年4月24日中國航天日開幕儀式上被正式命名為「祝融號」。祝融在中國傳統文化中被尊為最早的火神，象徵着用火照耀大地，帶來光明。^[41]

運載火箭

天問一號任務由長征五號運載火箭負責發射並直接送入地火轉移軌道。

長征五號地火轉移軌道發射能力超過5噸，是中國唯一有能力執行天問一號任務的運載火箭^[42]。長征五號於2016年11月成功首飛，但在2017年7月的第二次任務中遭遇失利^[43]。經過兩年多的歸零工作後，長征五號於2019年12月成功復飛^[44]，保證了2020年7月地火轉移窗口期火星探測任務的按計劃實施。

天問一號是長征五號系列火箭的首次應用性發射^[45]。

發射場

天問一號任務發射地點為2014年建成的海南文昌航天發射場，該發射場是中國最先進、緯度最低的發射場，可為火箭提供最大運力，也是唯一有能力進行長征五號發射的發射場。

測控

深空測控能力對於火星探測任務的成功至關重要，中國最早的火星任務螢火一號與俄羅斯合作的主要原因之一即為中國在當時尚未擁有真正的深空測控網^[46]^[47]。經過數年建設，在2017年中國基本建成了兼具S/X/Ka多頻段測控能力，集測控、數傳和長基線干涉測量等多種功能於一體的中國深空測控網，對深空航天器的測控覆蓋率提高到了90%以上，綜合水平處於世界前列^[48]。

參與天問一號任務的測控系統包括：^[39]

北京航天飛行控制中心
佳木斯深空測控站：位於黑龍江省佳木斯市，擁有一座66米直徑天線，於2012年建成。
喀什深空測控站：位於新疆喀什市，於2020年完全建成，擁有四座35米的深空天線組陣系統，達到等效66米口徑天線的數據接收能力，是中國首個深空天線組陣系統。^[49]
阿根廷深空站：位於阿根廷內烏肯省拉斯拉哈斯市，擁有一座35米直徑天線，於2017年落成並投入使用，是中國在海外的首個深空測控站。^[50]

在2016年10月至2017年8月期間，中國科學家利用中國深空站對在木星軌道運行的朱諾號探測器進行了多次跟蹤與測量，表明中國已擁有了遠至地-木距離的深空測控能力，為預定在2020年實施的火星探測計劃做好了充分準備。^[51]^[52]

地面應用系統

為接收天問一號來自火星的信號，地面應用系統在天津武清新建一台全亞洲最大的單口徑全可動天線，直徑70米，高72米，總重約2700噸，與已有地面數據接收天線進行組陣，達到等效103米直徑面積的數據接收能力^[53]。

在接收到信號後，武清站會對數據進行解碼處理，然後用專用光纖發送到位於北京的國家天文台天問一號任務地面應用系統的運行控制與科學操作中心進行分析。

科學儀器

環繞器和巡視器帶有總共13個科學儀器，其中7個由環繞器攜帶，6個由巡視器攜帶：^[38]^[54]^[55]

環繞器

中分辨率相機（MoRIC）在400千米的軌道上分辨率為100米，在可見光波段進行彩色成像。
高分辨率相機（HiRIC）在265千米軌道上的分辨率為0.5米（全色模式）和2.0米（彩色模式）。
火星磁強計（MOMAG）進行火星空間磁場環境探測。
火星礦物光譜分析儀（MMS）可確定元素組成，用以進行遠距離火星土壤和表面物質成分分析。
環繞器次表層探測雷達（MOSIR）通過主動發射和接收電磁波信號來探測火星表面和地下水冰。
火星離子與中性粒子分析儀（MINPA）進行火星大氣電離層分析及行星際環境探測。
火星能量粒子分析儀（MEPA）同上。

巡視器

導航與地形相機（NaTeCam）拍攝可見光波段彩色照片以記錄巡視區地形地貌，像素2048×2048。
火星車次表層探測雷達（RoPeR）探測火星車沿途地下的淺表層結構，與環繞器上的次表層探測雷達原理相同，但分辨率更高。祝融號和與其同年發射及着陸的毅力號並列為最早裝備該類儀器的火星地表探測器。
火星表面磁場探測儀（RoMAG），探測着陸區火星磁場，確定火星磁指數。
火星氣象測量儀（MCS）配備風、聲傳感器和溫、壓傳感器，對巡視器附近的氣溫、氣壓、風速、風向和聲音信息進行記錄。
火星表面成分探測儀（MarSCoDe）進行火星巡視區表面元素、礦物和岩石類型探測。
多光譜相機（MSCam）同上。

除科學儀器外，環繞器與巡視器均配置了若干工程儀器（如避障相機、監視相機等）用以輔助任務進行。

任務經過

主要事件

2020年7月23日，天問一號在海南文昌航天發射場由長征五號運載火箭成功發射並順利進入地火轉移軌道。^[7]

2021年2月10日，在經過了202天的飛行後，天問一號順利實施近火制動，成功進入環火軌道，成為中國第一顆人造火星衛星^[56]。

2021年5月15日凌晨1時許，天問一號探測器在停泊軌道實施降軌，下降至火星進入軌道開始降落程序。7時18分，在經過了約三小時的降落過程後，天問一號着陸器攜帶祝融號巡視器成功着陸於火星烏托邦平原南部預選着陸區，中國成為第二個完全成功着陸火星的國家^[57]。

2021年5月22日10時40分，祝融號巡視器安全駛離着陸平台，到達火星表面，開始巡視探測。^[58]

2021年6月11日，國家航天局公布了由祝融號巡視器拍攝的首批科學影像圖，標誌着中國首次火星探測任務取得圓滿成功。^[59]

詳細經過

時間 (UTC+8)	事件	軌道/地點	備註
已完成
2020年7月23日 12時41分	發射	中國文昌航天發射場 LC-101 19°36′53″N 110°57′04″E / 19.614691°N 110.951004°E / 19.614691; 110.951004	天問一號探測器在海南島文昌航天發射場由長征五號遙四運載火箭成功發射，順利進入地火轉移軌道^[7]^[60]。
2020年8月2日 7時	第一次軌道修正	地火轉移軌道	火星探測任務「天問一號」探測器3000牛發動機開機工作20秒，完成第一次軌道中途修正。^[61]
2020年9月20日 23時	第二次軌道修正	地火轉移軌道	在器地距離約1900萬公里處，經北京航天飛行控制中心，「天問一號」火星探測器按計劃實施地火轉移軌道第二次中途修正控制。^[62]
2020年10月9日 23時	深空機動	地火轉移軌道	在中國首次火星探測任務飛行控制團隊控制下，「天問一號」探測器主發動機工作480餘秒，順利完成深空機動。
2020年10月28日 22時	第三次軌道修正	地火轉移軌道	「天問一號」完成第三次軌道中途修正^[63]。
2021年2月5日 20時	第四次軌道修正	地火轉移軌道	「天問一號」探測器發動機點火工作，順利完成地火轉移段第四次軌道中途修正，以確保按計劃實施火星捕獲。國家航天局同步公布了「天問一號」此前在距離火星約220萬公里處獲取的首幅火星圖像。^[64]
2021年2月10日 19時52分	近火捕獲制動	火星捕獲軌道 386km×181,763km 傾角11°	「天問一號」探測器實施近火捕獲制動，環繞器3000N軌控發動機點火工作約15分鐘，探測器順利進入近火點高度約400千米，遠火點約18萬千米，周期約10個地球日，傾角約10°的大橢圓環火軌道。^[16]^[65]
2021年2月15日 17時	遠火點平面軌道調整	繞火極地大橢圓軌道 280km×181,540km 傾角87.3°^[66]	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公里。^[67]
2021年2月20日 19時	第二次近火制動	280km×84,600km 傾角87.7°^[68]	2月20日，天問一號第二次到達近火點時進行制動，進入周期約為3.45天的調相軌道，使其在運行一圈再次到達近火點附近時，能夠正好經過預定着陸區上空。
2021年2月24日 6時29分	第三次近火制動	280km×59,000km 傾角87.7°	天問一號探測器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。探測器將在停泊軌道上運行約3個月，環繞器7台載荷將全部開機，開始科學探測。同時，載荷中的中分辨率相機、高分辨率相機、光譜儀等將對預選着陸區地形地貌、沙塵天氣等進行詳查，為擇機着陸火星做好準備。^[69]
2021年5月15日 1時	探測器降軌	火星進入軌道	凌晨1時許，天問一號探測器在停泊軌道實施降軌，機動至火星進入軌道。^[70]
2021年5月15日 4時	軌道器升軌+着巡組合體分離	軌道器：440km×59,000km 傾角87.7° 着巡組合體：火星進入軌道	4時許，着陸巡視器與環繞器分離。兩器分離約30分鐘後，環繞器進行升軌，返回停泊軌道，為着陸巡視器的後續探測任務提供中繼通信，搭建起地球和火星之間的通信橋梁。
2021年5月15日 7時09分	着巡組合體再入	火星大氣層
2021年5月15日 7時18分	着巡組合體登陸火星	烏托邦平原 25°06′N 109°54′E / 25.1°N 109.9°E / 25.1; 109.9	歷經約3小時飛行後，進入火星大氣，經過約9分鐘的減速、懸停避障和緩衝，成功軟着陸於火星烏托邦平原南部預選着陸區。
2021年5月17日 8時	軌道器第四次近火制動	268km×12,581km 傾角89.2° ^[71]	天問一號環繞器實施第四次近火制動，順利進入周期為8.2小時中繼通信軌道。在這一階段，環繞器的主要工作是做地球和火星之間的「信使」，進行「地火傳書」。^[72]
2021年5月22日 10時40分	釋放巡視器	烏托邦平原	根據遙測數據判斷，祝融號火星車5月22日已安全駛離着陸平台，到達火星表面，開始巡視探測。^[73]
2021年11月8日	軌道器第五次近火制動	275km×10,749km 傾角86.3°^[9]	環繞器進入遙感使命軌道，開展火星全球遙感探測。^[74]

國際合作

為了天問一號任務的順利進行，國家航天局與多個不同國家的航天機構進行了國際合作：^[75]

歐洲空間局（ESA）的歐空局跟蹤站網絡 (ESTRACK)在天問一號從發射到前往火星的過程中提供了測控支持，其在火星運行的火星快車號會為着陸後的祝融號火星車提供備份通信功能。雙方在2021年11月進行了試驗並獲得成功^[76]。
法國國家太空研究中心（CNES）為祝融號上的表面成分探測儀中的激光誘導擊穿光譜探測儀（LIBS）提供了校正協助，用以和好奇號上的同類型設備進行比對。
阿根廷國家空間活動委員會（CONAE）通過阿根廷內烏肯深空站為天問一號的測控提供幫助。
奧地利研究促進署（FFG）參與了火星磁強計的開發和探測器飛行儀器的校準。