2021年5月22日10:40，天問一號(hào)著陸后的第7天，我國首個(gè)火星車“祝融號(hào)”緩緩駛離著陸平臺(tái)，踏上火星烏托邦平原表面，行駛了0.522米。

（上）著陸平臺(tái)與火星車分離示意圖；（下）祝融號(hào)駛離著陸平臺(tái)之前和之后的場(chǎng)景，由火星車的前后避障相機(jī)拍攝 | 航天科技集團(tuán)

這短短一小段路程，標(biāo)志著我國正式成為繼美國之后第二個(gè)實(shí)現(xiàn)火星巡視的國家，也標(biāo)志著天問一號(hào)成為人類首個(gè)在一次任務(wù)中實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”三大目標(biāo)的火星探測(cè)任務(wù)。

開胃小菜之后，2021年6月11日，國家航天局公布了祝融號(hào)火星車拍攝的一系列“火星大片”，其中不僅有火星車拍攝的著陸平臺(tái)：

火星車在著陸平臺(tái)東偏南60°方向約6米距離處拍攝（注意國旗左側(cè)的熊貓和燈籠，那個(gè)是2022年北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)吉祥物） | CNSA

還有最具里程碑意義的“著巡兩器合影”——火星車通過自己車底分離出的相機(jī)，拍攝了自己和著陸平臺(tái)的同框照。再一次，中國航天創(chuàng)造了屬于自己的地外星球探索史詩時(shí)刻。

火星車行駛至著陸平臺(tái)南向約10米處，從車底釋放分離相機(jī)，擺好拍攝位置之后再回到著陸平臺(tái)旁邊。分離相機(jī)拍攝的照片先傳給火星車，再由火星車傳給天問一號(hào)環(huán)繞器，由環(huán)繞器中繼傳回地球 | CNSA

上一次，是2019年1月11日，玉兔二號(hào)月球車與嫦娥四號(hào)著陸器的兩器互拍，月球車的全景相機(jī)拍攝了嫦娥四號(hào)著陸器，著陸器的地形地貌相機(jī)拍攝了月球車▼

嫦娥四號(hào)著陸器和月球車互拍 | 中國探月工程

上上一次，是2013年12月15日，玉兔號(hào)月球車與嫦娥三號(hào)著陸器的兩器互拍▼

嫦娥三號(hào)著陸器和月球車互拍 | 中國探月工程

相比于曾經(jīng)的兩器互拍，這次的兩器合影解鎖了新機(jī)位，也更加有創(chuàng)意，可以說是越來越會(huì)自拍啦～

事實(shí)上，玉兔二號(hào)月球車至今還在月球上健康工作著，這也意味著我國是當(dāng)今世界唯一一個(gè)同時(shí)在兩顆地外星球上擁有工作中的巡視器的國家。

中國深空探測(cè)史上的新時(shí)代，已然開啟。

從踏上火星表面的那一刻，祝融號(hào)就正式開始了火星巡視探測(cè)，而在火星上空飛行的天問一號(hào)環(huán)繞器，也會(huì)在為火星車中繼數(shù)據(jù)之余開展火星遙感探測(cè)。

它們會(huì)開展哪些科學(xué)探測(cè)，會(huì)有哪些科學(xué)發(fā)現(xiàn)，是由它們攜帶的科學(xué)探測(cè)儀器決定的。

在前幾期介紹了天問一號(hào)的準(zhǔn)備工作、發(fā)射和著陸之后，這期將全面介紹一下天問一號(hào)和祝融號(hào)帶了哪些“裝備”（科學(xué)儀器），以及它們的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)。本期內(nèi)容比較多，大家可以收藏了慢慢看，或者按小標(biāo)題跳過一些，挑自己感興趣的部分看）

天問一號(hào)整體外形 | 航天科技集團(tuán)

Part.1

整體

天問一號(hào)總重約5噸，由環(huán)繞器和著陸巡視組合體兩部分組成，著陸巡視組合體包括著陸平臺(tái)和火星車祝融號(hào)兩部分，兩者都打包裝在氣動(dòng)外罩內(nèi)。環(huán)繞器重約3175千克，著陸器重約1585千克，火星車祝融號(hào)重約240千克。

防止有些讀者看暈，這里再多說一句：環(huán)繞器、著陸平臺(tái)和火星車，都是天問一號(hào)的成員，只是“天問一號(hào)的火星車”這個(gè)成員自己還另外有個(gè)名字叫“祝融號(hào)”，就像“嫦娥四號(hào)的中繼星”另外有個(gè)名字叫“鵲橋號(hào)”，“嫦娥四號(hào)的月球車”另外有個(gè)名字叫“玉兔二號(hào)”一樣。

天問一號(hào)的各部分 | CNSA

天問一號(hào)的氣動(dòng)外罩和著陸平臺(tái)只負(fù)責(zé)進(jìn)入火星大氣層、下降和著陸（EDL），沒有攜帶科學(xué)儀器。環(huán)繞器攜帶7種科學(xué)儀器?；鹦擒嚁y帶6種科學(xué)儀器 [1, 2]。

天問一號(hào)環(huán)繞器和火星車的科學(xué)載荷 | 參考文獻(xiàn) [1, 2]

注意，這里說的都是“科學(xué)”儀器，事實(shí)上探測(cè)器還會(huì)攜帶諸多工程儀器，例如避障相機(jī)、監(jiān)視相機(jī)、星敏感器、慣導(dǎo)裝置等等。開頭火星車駛離著陸平臺(tái)的照片，就是工程儀器（避障相機(jī)）拍攝的。

火星車計(jì)劃開展約90個(gè)火星日的巡視探測(cè)，在此期間，環(huán)繞器會(huì)停留在通訊中繼軌道（近火點(diǎn)265公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)12500公里，周期約8.2個(gè)小時(shí)）[2]，為火星車和地球傳遞信息和數(shù)據(jù)。

之后，環(huán)繞器會(huì)降軌至科學(xué)探測(cè)軌道（近火點(diǎn)265公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)12000公里），計(jì)劃在這個(gè)軌道上對(duì)火星全球展開1個(gè)火星年（約2個(gè)地球年）的近距離遙感探測(cè) [2]，同時(shí)可以兼顧火星車的數(shù)據(jù)通訊。

天問一號(hào)的任務(wù)安排 | 改編自：參考文獻(xiàn) [3]

Part.2

環(huán)繞器的科學(xué)儀器

環(huán)繞器共攜帶了7種科學(xué)儀器：① 中分辨率相機(jī)（MoRIC）、② 高分辨率相機(jī)（HiRIC）、③ 礦物光譜分析儀（MMS）、④ 次表層探測(cè)雷達(dá)（MOSIR）、⑤ 磁強(qiáng)計(jì)（MOMAG）、⑥ 離子與中性粒子分析儀（MINPA）和 ⑦ 能量粒子分析儀（MEPA）。

天問一號(hào)環(huán)繞器的組成和儀器 | WLR2678

環(huán)繞器的科學(xué)儀器

1 & 2中分辨率相機(jī)（MoRIC）和 高分辨率相機(jī)（HiRIC）

天問一號(hào)環(huán)繞器共攜帶了兩個(gè)光學(xué)相機(jī)：① 中分辨率相機(jī)（優(yōu)于100米/像素@400千米高度）和 ② 高分辨率相機(jī)（局部分辨率優(yōu)于0.5米/像素@265千米高度），中分辨率相機(jī)可以拍攝彩色照片，高分辨率相機(jī)可以拍攝全色（黑白）和彩色照片。

天問一號(hào)環(huán)繞器的中分辨率相機(jī)（左）和高分辨率相機(jī)（右）| 參考文獻(xiàn) [2]

光學(xué)相機(jī)是諸多深空探測(cè)器的標(biāo)配，我們看到的許多火星美圖，都是火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）、火星快車、火星全球探勘者號(hào)（MGS）等探測(cè)器的相機(jī)拍攝的。

現(xiàn)有火星探測(cè)器光學(xué)相機(jī)代表 | NASA、ESA

天問一號(hào)環(huán)繞器搭載了兩種不同分辨率的相機(jī)，這是目前國內(nèi)外環(huán)繞器所常用的配置方式。因?yàn)閷?duì)環(huán)繞器來說，拍攝更高清的照片和一次性拍攝更大一片區(qū)域難以同時(shí)滿足：分辨率高的相機(jī)視野小，分辨率低的相機(jī)視野大。以天問一號(hào)為例，環(huán)繞器的中分辨率相機(jī)一張照片可以拍到400千米寬的區(qū)域，而高分辨率相機(jī)一張照片只能拍出9千米寬的區(qū)域。

天問一號(hào)環(huán)繞器光學(xué)相機(jī)參數(shù) | 參考文獻(xiàn) [1, 2]

通用的解決方法就是探測(cè)器同時(shí)攜帶兩個(gè)不同分辨率的相機(jī)一起工作：用中分辨率相機(jī)來快速獲得大視野內(nèi)的整體情況，尋找值得進(jìn)一步仔細(xì)探測(cè)的區(qū)域；用高分辨率相機(jī)專注于拍攝某一小塊想要重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域的細(xì)節(jié)。

火星勘測(cè)軌道飛行器中分辨率（CTX）和高分辨率（HiRISE）相機(jī)圖幅和分辨率對(duì)比 | 行星事務(wù)所/haibaraemily

目前火星拍照的主力探測(cè)器之一火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）就是采樣用了這種雙分辨率相機(jī)協(xié)同工作的配置：中分辨率相機(jī)（CTX）分辨率6米/像素，圖幅30千米寬，高分辨率相機(jī)（HiRISE）分辨率0.3-0.5米/像素，圖幅6千米寬（@ 300千米高）——后者也是天問一號(hào)之前唯一能拍攝優(yōu)于米級(jí)分辨率火星影像的相機(jī)。

MRO的CTX和HiRISE相機(jī) | NASA

不止火星探測(cè)器，大名鼎鼎的月球勘測(cè)軌道飛行器（LRO）的寬角（WAC）和窄角（NAC）相機(jī)、卡西尼號(hào)的寬角（WAC）和窄角（NAC）相機(jī)均采用類似的策略。

雙分辨率相機(jī)協(xié)同工作的模式 | NASA

這是天問一號(hào)環(huán)繞器中分辨率相機(jī)拍攝的火星北極區(qū)域▼

2021年3月4日發(fā)布 | CNSA

這是天問一號(hào)環(huán)繞器高分辨率相機(jī)拍攝的火星表面，分辨率達(dá)0.7米/像素（@ 330-350千米高度），與目前最高清的HiRISE相機(jī)分辨率達(dá)同一量級(jí)▼

2021年3月4日發(fā)布，拍攝區(qū)域距祝融號(hào)著陸點(diǎn)約30千米，可以看出大量地形地貌細(xì)節(jié) | CNSA

環(huán)繞器的高分相機(jī)還拍到了著陸平臺(tái)、祝融號(hào)火星車和著陸組件在火星上的照片，幾米大小的組件也能盡收眼底▼

2021年6月7日公布的天問一號(hào)著陸前后對(duì)比圖，可以看到祝融號(hào)火星車、著陸平臺(tái)和其他著陸組件對(duì)著陸區(qū)的影響 | CNSA

由于高分辨率相機(jī)的圖幅限制，目前火星優(yōu)于米級(jí)的高分辨率影像覆蓋的區(qū)域還非常有限。天問一號(hào)高分辨率相機(jī)的加入，有望讓我們看到火星更多區(qū)域的高清照片。

3火星礦物光譜分析儀（MMS）

“光譜”探測(cè)是一種常用的遙感探測(cè)手段。不同物質(zhì)反射/輻射光的特征是不同的，結(jié)果就是含有某種物質(zhì)的反射/輻射光譜圖像在某些特定的波段會(huì)表現(xiàn)出明顯的吸收/輻射帶。這是科學(xué)家們?cè)诓荒苡H身前往的外太空里尋找某種物質(zhì)時(shí)搜尋的“指紋”。

無論是環(huán)繞器搭載的光譜儀還是巡視器（火星車）搭載的光譜儀，本質(zhì)來說都是通過觀測(cè)目標(biāo)區(qū)域反射/輻射光譜中的特征，來探測(cè)星球表面含有哪些礦物，分布是什么樣的——區(qū)別只是不同光譜儀的探測(cè)頻段和分辨率有所差異，可能探測(cè)到的物質(zhì)成分也就相應(yīng)有所差異。

天問一號(hào)環(huán)繞器礦物光譜儀參數(shù)和外形 | 參考文獻(xiàn) [1, 2]

天問一號(hào)環(huán)繞器攜帶的礦物光譜儀探測(cè)頻段在可見光到中紅外范圍（0.45-3.4 μm），這個(gè)波段的光譜儀在火星環(huán)繞器上也比較常見，例如火星快車上搭載的OMEGA成像光譜儀（0.5 - 5.2 μm）、火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）搭載的CRISM成像光譜儀（0.36 - 3.92 μm）也都覆蓋了相似的波段范圍。

OMEGA光譜儀（ 左）和CRISM光譜儀（右）的工作原理示意 | ESA、NASA

這個(gè)波段內(nèi)可能探測(cè)到多種形式的水以及與水有關(guān)的礦物，例如：諸多水合礦物（富鐵、鎂、鋁的層狀硅酸鹽等）的反射光譜在1.4、1.9、2.2、2.3、2.4 μm處有有V型特征吸收帶；水冰的反射光譜在1.3、1.5、2.0和3.2 μm處有V型特征吸收帶，之前介紹過的科學(xué)家們?cè)诨鹦侵芯晠^(qū)域發(fā)現(xiàn)的水冰，在月球南北極發(fā)現(xiàn)的水冰，都是借助這種光譜特征發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)然，其他在這一范圍內(nèi)有吸收特征的物質(zhì)也有可能被探測(cè)到。

火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）搭載的光譜儀CRISM在火星中緯區(qū)域地表之下發(fā)現(xiàn)水冰的“指紋”（1.65 μm處的尖峰是儀器問題）| 改編自：參考文獻(xiàn) [4]

這是OMEGA成像光譜儀和CRISM成像光譜儀在火星表面探測(cè)到的水合礦物分布，天問一號(hào)也可能探測(cè)到這類礦物。這些礦物的含量和分布可以幫助我們追溯火星的地質(zhì)演化歷史和水環(huán)境變遷。

OMEGA光譜儀（藍(lán)點(diǎn)）、CRISM光譜儀（紅點(diǎn)）和兩者聯(lián)合（黃點(diǎn)）探測(cè)到的火星表面水合礦物分布 | 參考文獻(xiàn) [5]

4次表層探測(cè)雷達(dá)（MOSIR）

不同物質(zhì)的介電常數(shù)（可以簡(jiǎn)單理解為讓電磁波衰減的能力）不同，因此探測(cè)器收到的從不同物質(zhì)分界面反射回來的電磁波的時(shí)間和強(qiáng)度就會(huì)不同。次表層雷達(dá)的探測(cè)原理就是通過發(fā)射和接收電磁波信號(hào)，借助測(cè)量到的雷達(dá)信號(hào)接收時(shí)間和反射強(qiáng)度，反推這些雷達(dá)信號(hào)穿過了哪些不同的物質(zhì)，每層物質(zhì)有多厚。

對(duì)火星來說，次表層雷達(dá)尤其可以用來探測(cè)地表下的水冰層、冰層下的液態(tài)水這類有著迥異介電常數(shù)的物質(zhì)分層，也在過去2艘火星環(huán)繞器上有過成功的應(yīng)用：火星快車號(hào)的雷達(dá)MARSIS和火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）的雷達(dá)SHARAD都取得過重要科學(xué)成果。

（左）火星快車號(hào)三根展開20米長的雷達(dá)天線；（右）火星勘測(cè)軌道飛行器的兩根10米雷達(dá)天線 | ESA、NASA

我們2018年介紹過的火星南極冰層之下發(fā)現(xiàn)的疑似液態(tài)水湖，就是借助火星快車號(hào)搭載的次表層雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的。

測(cè)地雷達(dá)探測(cè)淺表層結(jié)構(gòu)（此處是冰層下的液態(tài)水）的原理示意圖 | 改編自：參考文獻(xiàn) [6]

天問一號(hào)的環(huán)繞器的次表層雷達(dá)共包含5根天線：4根5米長的主天線安裝在飛行方向的底部，構(gòu)成兩組正交偶極天線組；1根1.2米長的單級(jí)甚低頻接收天線（VLF）位于飛行個(gè)方向的側(cè)邊 [7]。4根雷達(dá)天線的正交分布方式與已有的火星快車號(hào)MARSIS雷達(dá)和火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）的SHARAD雷達(dá)都不同。甚低頻射電接收天線（VLF）雖然和雷達(dá)天線一體化設(shè)計(jì)，但主要服務(wù)于與后面講到的火星磁強(qiáng)計(jì)、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀一同探測(cè)火星的空間環(huán)境。

天問一號(hào)環(huán)繞器上雷達(dá)天線的分布：底端2根Y向天線（Y ANT）和2根X向天線（X ANT）大致垂直，Z向的甚低頻天線（VLF ANT）位于飛行姿態(tài)的側(cè)邊 | 參考文獻(xiàn) [7]

天問一號(hào)環(huán)繞器上的次表層雷達(dá)主要探測(cè)目標(biāo)也是與火星生命有關(guān)的水冰和液態(tài)水分布，相比于祝融號(hào)火星車上的次表層雷達(dá)，環(huán)繞器雷達(dá)的探測(cè)深度較深，可達(dá)土壤100米，冰層1000米深。

天問一號(hào)環(huán)繞器次表層雷達(dá)外形和參數(shù) | 參考文獻(xiàn) [7]

天問一號(hào)次表層雷達(dá)探測(cè)到的成果可能以什么樣的方式呈現(xiàn)？當(dāng)探測(cè)到地下有“異常”區(qū)域時(shí)，雷達(dá)圖像中會(huì)表現(xiàn)為“亮線”。次表層雷達(dá)剖面圖里的亮暗體現(xiàn)的是回波信號(hào)的強(qiáng)弱，并不是實(shí)際的地下剖面照片，即分界面的亮線對(duì)應(yīng)著雷達(dá)反射強(qiáng)度較高的區(qū)域。

金星快車號(hào)次表層雷達(dá)探測(cè)到的火星南極層狀堆積層結(jié)構(gòu)，雙程脈沖走時(shí)是雷達(dá)信號(hào)從發(fā)出到接收的時(shí)間（往返） | 改編自：參考文獻(xiàn) [8]

5&6&7火星磁強(qiáng)計(jì)（MOMAG）、離子與中性粒子分析儀（MINPA）和能量粒子分析儀（MEPA）

天問一號(hào)環(huán)繞器的這三個(gè)儀器主要探測(cè)目標(biāo)都是火星的空間環(huán)境，包括火星的周圍的磁場(chǎng)、誘導(dǎo)磁層、太陽風(fēng)與火星高層大氣/電離層之間的相互作用等方面。

火星沒有地球、水星那樣內(nèi)部自發(fā)的偶極磁場(chǎng)（專業(yè)點(diǎn)叫“內(nèi)稟磁場(chǎng)”），但火星有大氣層和電離層。電離層與太陽風(fēng)的相互作用造就了火星如今的空間環(huán)境；再加上火星的殼層還有一些不對(duì)稱分布的剩磁，這讓太陽風(fēng)與火星的相互作用變得更加復(fù)雜了一點(diǎn)。

太陽風(fēng)與火星相互作用示意圖 | 漢化自：參考文獻(xiàn) [9]

通過對(duì)不同空間位置處的火星磁場(chǎng)、離子與中性粒子、能量粒子等方面的探測(cè)，可以幫助我們了解火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)的演化、太陽風(fēng)與火星高層大氣/電離層之間的相互作用、火星大氣的散逸變遷等諸多謎團(tuán)。

已經(jīng)退役的NASA火星全球探勘者號(hào)（MGS），曾對(duì)火星殼層的剩磁分布做過全球考察。而如今和天問一號(hào)為伴、同樣致力于探究這些謎團(tuán)的在軌探測(cè)器，還有火星快車號(hào)、火星奧德賽號(hào)和MAVEN探測(cè)器。不過這些探測(cè)器的探測(cè)軌道不同，攜帶的探測(cè)儀器也有一定差異，不同軌道的多個(gè)探測(cè)器成果可以互為驗(yàn)證和補(bǔ)充。例如MAVEN的工作軌道在近火點(diǎn)約150公里，遠(yuǎn)火點(diǎn)在約4500-6000公里高度，而天問一號(hào)計(jì)劃的科學(xué)探測(cè)軌道（近火點(diǎn)265公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)12000公里）距離火星更遠(yuǎn)一些。

MAVEN的探測(cè)軌道示意圖 | NASA/GSFC

天問一號(hào)環(huán)繞器的磁強(qiáng)計(jì)整體為伸桿式，兩個(gè)磁通門探頭安裝在一根3米長的伸桿上。伸桿的作用是讓探頭遠(yuǎn)離探測(cè)器主體，減小探測(cè)器本底剩磁對(duì)探頭想要探測(cè)的空間磁場(chǎng)的影響。

天問一號(hào)環(huán)繞器磁強(qiáng)計(jì)伸桿壓緊狀態(tài)（左）和地面展開試驗(yàn)（右） | 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

磁強(qiáng)計(jì)參數(shù)（下）| 參考文獻(xiàn) [1, 2]

這種設(shè)計(jì)與NASA的水手4號(hào)、歐空局的金星快車號(hào)任務(wù)搭載的磁強(qiáng)計(jì)相似，與之不同的另一種常見設(shè)計(jì)是直接把探頭安裝在兩側(cè)太陽能板邊緣，這樣也能讓探頭遠(yuǎn)離探測(cè)器主體，例如火星全球探勘者號(hào)（MGS）和MAVEN的磁強(qiáng)計(jì)。

（上）金星快車號(hào)磁強(qiáng)計(jì) | ESA；（下）火星全球探勘者號(hào)（MGS）和MAVEN的磁強(qiáng)計(jì)位置 | NASA

值得一提的是，這是我國首次在深空探測(cè)任務(wù)里搭載磁強(qiáng)計(jì)，之前的嫦娥系列探測(cè)器均沒有搭載過磁強(qiáng)計(jì)。

離子與中性粒子分析儀（MINPA）和能量粒子分析儀（MEPA）負(fù)責(zé)探測(cè)火星周圍的各種低能和高能粒子（低能離子、低能中性粒子、電子、質(zhì)子、α粒子、重離子）。

離子與中性粒子分析儀（MINPA）和能量粒子分析儀（MEPA）的外形和參數(shù) | 參考文獻(xiàn) [1, 2]

兩種儀器與環(huán)繞器上的磁強(qiáng)計(jì)、甚低頻射電接收設(shè)備攜手，可以獲取火星周圍多種粒子的空間分布，幫助我們?nèi)嫦到y(tǒng)地研究火星高層大氣、電離層及其與太陽風(fēng)的相互作用，揭示火星空間環(huán)境變化特征與演化規(guī)律 [1]。

Part.3

祝融號(hào)火星車的科學(xué)儀器

祝融號(hào)火星車重240公斤，完全展開時(shí)長2.6米、寬3米、高1.85米。祝融號(hào)共攜帶了6種科學(xué)儀器：① 導(dǎo)航與地形相機(jī)（NaTeCam）、② 多光譜相機(jī)（MSCam）、③ 火星表面成分探測(cè)儀（MarSCoDe）、 ④ 次表層雷達(dá)（RoPeR）、⑤ 火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀（RoMAG）和⑥ 火星氣象站（MCS）。

祝融號(hào)火星車科學(xué)儀器位置v3.1全新版本 | 參考文獻(xiàn) [2]

1導(dǎo)航與地形相機(jī)（NaTeCam）

祝融號(hào)的一對(duì)導(dǎo)航與地形相機(jī)位于火星車桅桿頂端，就像火星車的“雙眼”，可以拍攝沿途火星表面的彩色立體照片，探測(cè)火星的地形起伏，同時(shí)為火星車的導(dǎo)航提供支持。

祝融號(hào)導(dǎo)航與地形相機(jī)的參數(shù)和外形 | 參考文獻(xiàn) [1, 2]、CNSA

在桅桿頂端配置導(dǎo)航與地形相機(jī)，幾乎是目前火星車的標(biāo)配。勇氣、機(jī)遇、好奇號(hào)火星車均采用了在桅桿頂端配備1對(duì)用于導(dǎo)航的導(dǎo)航相機(jī)和1-2對(duì)用于考察地形的桅桿相機(jī)/全景相機(jī)，天問一號(hào)的導(dǎo)航與地形相機(jī)也承擔(dān)了相同的使命。

火星車安裝在桅桿上的相機(jī)對(duì)比 | haibaraemily、NASA

這是祝融號(hào)還沒從著陸平臺(tái)上下來的時(shí)候，導(dǎo)航與地形相機(jī)的360度環(huán)拍照，拍到了火星車自己、著陸平臺(tái)的滑軌、以及著陸區(qū)周圍的火星景色。

著陸點(diǎn)全景圖 | CNSA

在接下來的火星旅程中，導(dǎo)航與地形相機(jī)會(huì)成為祝融號(hào)的“旅拍”主力，給我們帶來源源不斷的火星新風(fēng)景。

2015年4月10-11日，好奇號(hào)火星車桅桿相機(jī)拍攝的火星景色，祝融號(hào)的導(dǎo)航與地形相機(jī)在旅途中也會(huì)不斷拍攝各種火星景色 | NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA19803

2 & 3多光譜相機(jī)（MSCam）和表面成分探測(cè)儀（MarSCoDe）

祝融號(hào)的多光譜相機(jī)和表面成分探測(cè)儀都負(fù)責(zé)探測(cè)和分析火星表面的巖石類型、礦物成分。

祝融號(hào)多光譜相機(jī)的參數(shù)和外形 | 參考文獻(xiàn) [1, 2]

同導(dǎo)航與地形相機(jī)一樣，祝融號(hào)的多光譜相機(jī)也安裝在桅桿頂部，可以拍攝火星車沿途多個(gè)固定波段下的影像。多光譜相機(jī)和前面說到的光譜儀有相似之處，主要原理都是利用“光譜”這種“指紋”來探知不同成分物質(zhì)的分布。只不過，光譜儀不一定成像（能成像的光譜儀也叫“成像光譜儀”），而多光譜相機(jī)/成像光譜儀會(huì)拍攝影像，這可以大大提升光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率，相當(dāng)于能快速獲得一大塊面積里某種礦物成分的空間分布。

多光譜相機(jī)和高光譜相機(jī)的主要區(qū)別在于成像譜段的數(shù)量和寬窄：利用濾光設(shè)備，多光譜相機(jī)通常只會(huì)在想要探測(cè)的波段范圍內(nèi)選取3-10個(gè)譜段進(jìn)行成像，而高光譜相機(jī)則會(huì)有許許多多譜段，一定程度上來說和成像光譜儀是差不多的——前面說到的OMEGA成像光譜儀和CRISM成像光譜儀本質(zhì)上就是高光譜相機(jī)。

（左）多光譜成像；（右）高光譜成像 | 改編自：參考文獻(xiàn) [10]

但另一方面，多光譜相機(jī)只會(huì)在固定幾個(gè)光譜頻段拍攝影像，這會(huì)損失一定的光譜分辨率，因此主要用于探測(cè)幾種固定的目標(biāo)礦物。

典型的例子是日本月亮女神號(hào)（Kaguya）月球探測(cè)器的多光譜相機(jī)（MI），共有九個(gè)成像譜段：415, 750, 900, 950, 1001 nm（紫外可見光波段）和1000, 1050, 1250, 1550 nm（近紅外波段），主要用于探測(cè)月球上斜長石、橄欖石、斜方輝石、單斜輝石和氧化鐵這幾種礦物的分布。

月亮女神號(hào)多光譜相機(jī)獲取的月球氧化鐵的質(zhì)量分布 | Quickmap/MI

祝融號(hào)的多光譜相機(jī)共有9個(gè)成像譜段：480、525、650、700、800、900、950、1000 nm和全色波段，涵蓋可見光到近紅外波段范圍。與之探測(cè)相似波段范圍的勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)火星車全景相機(jī)（PanCam，400 - 1100 nm內(nèi)多個(gè)譜段），主要用于探測(cè)火星表面的鐵氧化物、含鐵硅酸鹽等與火星水環(huán)境和地質(zhì)演化緊密相關(guān)的礦物。

勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)火星車全景相機(jī)（PanCam）外形（左）和可能探測(cè)到的含鐵礦物示例（右） | NASA、參考文獻(xiàn) [11]

祝融號(hào)的表面成分探測(cè)儀包含兩種儀器：激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測(cè)儀（LIBS）和短波紅外光譜探測(cè)儀。短波紅外光譜儀沒啥新鮮的，前面都說了好幾種光譜儀了，只是這個(gè)光譜儀的探測(cè)波段在短波紅外波段（0.85-2.4 μm），與火星車上的多光譜相機(jī)波段有所不同，可以互為補(bǔ)充。

另一項(xiàng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀（LIBS）就更加炫酷了：通過向目標(biāo)物發(fā)射高能激光脈沖，探測(cè)燒蝕激發(fā)出的等離子體冷卻過程中的特征發(fā)射光譜，進(jìn)而遠(yuǎn)程探測(cè)出目標(biāo)物的元素成分組成信息。簡(jiǎn)單來說，這是一個(gè)“哪里不懂點(diǎn)哪里”的“激光炮”。

祝融號(hào)多光譜相機(jī)的參數(shù)、外形和位置 | 參考文獻(xiàn) [1, 2]、CNSA

祝融號(hào)的LIBS能探測(cè)出目標(biāo)物中包括硅、鋁、鐵、鎂、鈣、鈉、氧、碳、氫、錳、鈦、硫在內(nèi)的十多種元素，這也是我國第一次將該技術(shù)用于深空探測(cè)。在此之前，NASA好奇號(hào)的化學(xué)相機(jī)（ChemCam）、毅力號(hào)的超級(jí)相機(jī)（SuperCam）都在火星驗(yàn)證過這項(xiàng)“高能”技術(shù)的科學(xué)價(jià)值。

（左）好奇號(hào)化學(xué)相機(jī)（ChemCam）工作示意圖；（右）化學(xué)相機(jī)的LIBS探測(cè)前后對(duì)比，可見激光燒蝕痕跡；（下）2012年8月19日，好奇號(hào)化學(xué)相機(jī)在首個(gè)目標(biāo)中探測(cè)到的化學(xué)成分，這塊拳頭大小的石頭被取名為“Coronation” | NASA/JPL-Caltech

4次表層探測(cè)雷達(dá)（RoPeR）

火星車的次表層雷達(dá)基本原理與環(huán)繞器搭載的次表層雷達(dá)相似，也是通過主動(dòng)發(fā)射和接收電磁波信號(hào)來探測(cè)火星車沿途地下的淺表層結(jié)構(gòu)，例如風(fēng)化層厚度、濺射物層、水冰分布等。

次表層雷達(dá)的工作原理 | 中科院電子所

相比于天問一號(hào)環(huán)繞器的次表層雷達(dá)（探測(cè)深度為土壤≥100米，水冰≥1000米），祝融號(hào)火星車次表層雷達(dá)的電磁波頻率更高，可以以更高的分辨率精細(xì)探測(cè)火星車沿途地下更淺表層的結(jié)構(gòu)（土壤≥3-10米，水冰≥10-100米）。

祝融號(hào)次表層雷達(dá)的參數(shù)和外形 | 參考文獻(xiàn) [2]

與玉兔號(hào)、玉兔二號(hào)的測(cè)月雷達(dá)相似，祝融號(hào)也搭載了2個(gè)不同頻率的次表層雷達(dá)，高頻雷達(dá)探測(cè)淺部，低頻雷達(dá)探測(cè)深部，這樣可以兼顧探測(cè)深度和探測(cè)分辨率。區(qū)別是兩艘玉兔號(hào)的高低頻次表層雷達(dá)分別安裝在月球車的底部和后部，祝融號(hào)的高低頻次表層雷達(dá)均安裝在火星車前部。

祝融號(hào)的和玉兔號(hào)的次表層雷達(dá)位置 | haibaraemily、CNSA

除了祝融號(hào)和天問一號(hào)的環(huán)繞器，同期發(fā)射的NASA的毅力號(hào)火星車也攜帶了次表層雷達(dá)（RIMFAX），而在此之前，還沒有火星著陸器或火星車攜帶過次表層雷達(dá)，這也讓本次兩輛火星車?yán)走_(dá)的探測(cè)成果尤為令人期待。

毅力號(hào)和天問一號(hào)環(huán)繞器的次表層雷達(dá) | NASA、CNSA

綜合分析多個(gè)雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)，可以幫助我們了解火星上不同區(qū)域、不同深度的次表層結(jié)構(gòu)。

5火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀（RoMAG）

祝融號(hào)火星車攜帶了2個(gè)相同的三軸磁通門探頭（磁強(qiáng)計(jì)傳感器），分別安裝在桅桿的頂端和底端，負(fù)責(zé)探測(cè)火星近地表的磁場(chǎng)強(qiáng)度。這也是首個(gè)火星表面可移動(dòng)的磁場(chǎng)探測(cè)儀器。

祝融號(hào)次表層雷達(dá)的參數(shù)、位置、傳感器的結(jié)構(gòu)和封裝后的外觀 | 參考文獻(xiàn) [2, 12, 13]

前面說過，之前的火星環(huán)繞器早就遠(yuǎn)遠(yuǎn)探知火星的殼層還有一些剩磁。這些剩磁是如何形成和演化的，可能與火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化有關(guān)，但之前還沒有火星車貼近火星表面直接測(cè)量過火星殼層磁場(chǎng)。祝融號(hào)的直接測(cè)量結(jié)果既能幫助我們了解火星殼層剩磁的信息，也能與天問一號(hào)環(huán)繞器攜帶的磁強(qiáng)計(jì)探測(cè)結(jié)果相結(jié)合，幫助我們更全面地了解太陽風(fēng)與火星高層大氣/電離層的相互作用。

火星全球探勘者號(hào)（MGS）在400公里高處獲取的火星殼層磁場(chǎng)分布，火星剩磁有著明顯的南北不對(duì)稱性，主要分布在南半球 | 參考文獻(xiàn) [14]

6火星氣象站（MCS）

祝融號(hào)在火星車的桅桿頂部和甲板前端兩處安裝了風(fēng)、聲傳感器和溫、壓傳感器，使之成為了一個(gè)可移動(dòng)的火星氣象站，可以長期觀測(cè)火星車附近的氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向和聲音信息?；鹦菤庀笳痉e累的這些氣象參數(shù)，可以幫助我們我們了解火星如今的氣象狀況，追溯火星的氣候變化歷史。

祝融號(hào)的火星氣象站參數(shù)、外形和位置 | 參考文獻(xiàn) [1, 2]

火星氣象站是火星著陸任務(wù)的常備組件，如今正在火星表面工作的好奇號(hào)火星車、洞察號(hào)著陸器、毅力號(hào)火星車都在長期記錄和播報(bào)著所在地的氣象數(shù)據(jù)。隨著祝融號(hào)的加入，火星氣象網(wǎng)自此又新增了一個(gè)移動(dòng)氣象站點(diǎn)呢~

目前正在工作中的三個(gè)火星移動(dòng)/固定氣象站 | NASA [15]

總的來說，天問一號(hào)計(jì)劃對(duì)火星開展的科學(xué)探測(cè)涉及到火星的方方面面，外至火星的空間環(huán)境、火星表面，內(nèi)至火星的次表層、水冰和液態(tài)水分布、物理場(chǎng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，環(huán)繞器+火星車這13種科學(xué)儀器都可以“一網(wǎng)打盡”。

還是很全面滴.jpg

值得一提的是，90個(gè)火星日是祝融號(hào)的設(shè)計(jì)壽命，但并不意味著實(shí)際工作時(shí)長的上限。如果火星車能保持供電、保暖、行駛、通訊和健康工作，那實(shí)際工作的壽命完全可能很長。事實(shí)上，同樣使用太陽能供電的勇氣、機(jī)遇號(hào)火星車設(shè)計(jì)壽命也是90個(gè)火星日，但兩輛火星車實(shí)際分別工作了5年和14年。

天問一號(hào)環(huán)繞器更是如此，完全可能遠(yuǎn)超1個(gè)火星年（也就是約2個(gè)地球年）的設(shè)計(jì)壽命，長長久久地環(huán)繞著火星工作著，源源不斷地為我們帶來新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

讓我們一起期待和見證吧。

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[15] https://mars.nasa.gov/msl/weather/

https://mars.nasa.gov/insight/weather/

https://mars.nasa.gov/mars2020/weather/

出品：科普中國

制作：haibaraemily

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

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