出品：科普中國

　　制作：haibaraemily

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

　　2021年2月10日19時52分，經(jīng)過6個半月的飛行之后，我國首顆自主發(fā)射的火星探測器天問一號順利完成“剎車”減速（近火制動），進(jìn)入環(huán)火星軌道，成為我國首顆人造火星衛(wèi)星。

　　天問一號飛向火星途中的自拍照 | 航天科技集團(tuán)

　　幾天后，同在一個火星窗口發(fā)射的NASA毅力號也在2021年2月18日抵達(dá)火星。兩個探測器都攜帶了火星車。

　?。ㄗ螅┲袊Ｈ谔柣鹦擒?:1模型 | 人民畫報 （右）NASA毅力號火星車和機(jī)智號無人機(jī)CG模型 | NASA

　　不同的是，毅力號火星車在抵達(dá)火星當(dāng)天就直接著陸了，而天問一號則計劃先繞火星飛上3個多月，即將于近日擇機(jī)著陸，并分離火星車“祝融號”。

　　天問一號為什么會多等三個月呢？

　　組成分工有不同

　　天問一號由環(huán)繞器、著陸平臺和火星車三件套組成，環(huán)繞器進(jìn)入環(huán)火星軌道之后可以一直帶著著陸平臺和火星車飛行（兩個合稱為著陸巡視組合體，都塞在氣動外罩里面），有充足的時間來選擇合適的著陸時機(jī)。

　　天問一號三件套 | CNSA

　　而NASA的毅力號沒有環(huán)繞器，用的是一個巡航級帶著氣動外罩（里面塞著火星車）飛往火星，也沒有進(jìn)入環(huán)火星軌道的設(shè)計。等飛到了火星附近，巡航級一扔，無枝可依的氣動外罩只能立刻扎進(jìn)火星大氣層開始著陸，沒法等待。

　　NASA毅力號組件 | NASA

　　倒也不是說毅力號不需要環(huán)繞器，主要是NASA正在工作的火星環(huán)繞器就有好幾艘，既能完成各種火星在軌科學(xué)探測，也足夠給火星車做通訊中繼，所以這次不帶也沒關(guān)系。

　　NASA目前在軌工作的火星探測器 | NASA

　　而天問一號是我國第一個自主的火星任務(wù)，在火星沒有“接應(yīng)”，當(dāng)然要自己多帶點裝備了。自給自足，自力更生！

　　天問一號實物照 | CNSA

　　考察地形要工夫

　　入軌之后的天問一號可真的沒閑著。相信我，這都是為了祝融號的安全，磨刀不誤砍柴工啊。

　　它先是花了半個月時間多次調(diào)整軌道，讓自己“觀察”火星時的距離更近一些，視角更好一些；然后是仔仔細(xì)細(xì)考察火星地形，拍攝高清照片，為火星車考察著陸區(qū)地形。

　　2021年2月10-24日，天問一號共完成了三次近火制動（降軌）和一次遠(yuǎn)火點平面機(jī)動（側(cè)手翻），順利進(jìn)入周期2個火星日的火星停泊軌道 | CNSA

　　這時候你可能要問了，這不對吧，為什么別的火星環(huán)繞器已經(jīng)拍攝了海量照片，天問一號還要花時間自己拍照探測地形、確認(rèn)著陸區(qū)呢？這是因為，照片和照片，也不一樣。

　　天問一號“掃描”火星示意圖 | CCTV

　　在拍攝距離相同的情況下，探測器分辨率低的相機(jī)可以一次拍攝很大一片區(qū)域（或者說圖幅更寬），而分辨率高的相機(jī)拍攝只能拍攝很小一片區(qū)域。分辨率和覆蓋率，是探測器拍照永恒的矛盾。

　　以目前拍攝火星的主力探測器，NASA的火星勘測軌道飛行器（MRO）為例，MRO探測器有兩個相機(jī)：在300公里高處，中分辨率相機(jī)CTX可以拍攝6米/像素的火星照片，每張照片能囊括火星表面30公里寬的區(qū)域；而高分辨率相機(jī)HiRISE可以拍攝高達(dá)約0.5米/像素的高清照片，每張照片只能拍出6公里寬的區(qū)域。

　　MRO探測器的兩個相機(jī) | NASA

　　結(jié)果就是，饒是MRO這樣從2006年就開始工作，至今已經(jīng)兢兢業(yè)業(yè)給火星拍了15年照片的勞模，也只有中分辨率的CTX影像幾乎覆蓋火星全球，而高分辨率的HiRISE影像才只覆蓋了零星一些地方。一言以蔽之，對火星來說，現(xiàn)有的米級高分辨率影像覆蓋量還是太少了，只能優(yōu)先滿足想要重點考察的地區(qū)。

　　毅力號著陸之前，NASA已經(jīng)花費很長時間為備選著陸區(qū)積累高分辨率影像數(shù)據(jù)（詳見：NASA毅力號成功著陸火星！它會在哪里尋找火星生命？https://www.kepuchina.cn/more/202102/t20210223_2969108.shtml），也就是說，毅力號在出發(fā)之前就已經(jīng)手握一份著陸區(qū)高清地圖了。

　　毅力號著陸區(qū)杰澤羅撞擊坑一帶的HiRISE影像覆蓋（藍(lán)色），每張圖6公里寬，白圈為毅力號的著陸橢圓 | MRO/haibaraemily

　　而天問一號呢？天問一號計劃在火星烏托邦平原里尋找著陸區(qū)，但這么大一片平原里隨便拎出來一塊地兒，HiRISE影像的覆蓋范圍是這樣的。我們要是想去現(xiàn)有的火星高分辨率影像數(shù)據(jù)庫沒覆蓋到的地方，或者雖然已經(jīng)有影像覆蓋，但照片還不夠多，成像質(zhì)量不夠滿意的地方，就還是得靠自己拍呀。

　　烏托邦平原中一片區(qū)域的HiRISE影像（藍(lán)色）覆蓋情況，注意每張HiRISE影像寬度6公里 | MRO

　　這是天問一號今年3月傳回的兩張高分辨率相機(jī)拍攝的影像，分辨率0.7米/像素（@ 330-350公里高度），能看出大量地形地貌細(xì)節(jié)。與周圍已有的HiRISE影像相比，天問一號高分相機(jī)的成像質(zhì)量相當(dāng)，完全能夠滿足為火星車考察著陸區(qū)的需要。

　　天問一號高分相機(jī)傳回影像（紅框）vs 目前最高清的火星HiRISE影像，空白處是目前尚無HiRISE影像的區(qū)域 | CNSA/HiRISE/haibaraemily

　　靜候“天機(jī)”觀氣象

　　安全著陸火星，除了要選擇地形平坦無障礙的著陸區(qū)，還要選擇合適的“天機(jī)”，因為火星的沙塵暴吧，還真挺要命的。

　　1971年蘇聯(lián)火星2號和火星3號抵達(dá)火星時，就好巧不巧正趕上火星全球性的沙塵暴。結(jié)果不僅環(huán)繞器沒拍到啥東西，釋放的兩組著陸器和火星車最終也沒能順利展開工作。

　　火星3號攜帶的火星車，下落不明 | SpaceLin

　　尤其是對祝融號這樣使用太陽能供電的火星車，更是得比用核電池的毅力號更加謹(jǐn)慎一些才行。畢竟沙塵暴阻擋的太陽光，可是祝融號的生命之源。

　　2018年6月（火星當(dāng)年的北半球秋冬之際），火星經(jīng)歷了一場全球性的大型沙塵暴，使用核電池的好奇號火星車平安挺過，使用太陽能的機(jī)遇號火星車不幸結(jié)束任務(wù)。

　?。ㄉ希?018年6月，好奇號拍攝的火星沙塵暴景象；（下）機(jī)遇號和好奇號火星車 | NASA

　　如何盡可能減少沙塵暴的影響？惹不起，躲得起啊。

　　1）一方面是總結(jié)過去的火星氣象數(shù)據(jù)，尋找歷史上沙塵暴低發(fā)的時期。

　　這是1996年到2013年（即火星年23-31）間，火星全球探勘者號（MGS）和火星勘測軌道飛行器（MRO）兩個環(huán)繞器觀測的沙塵暴記錄。可以看到火星的沙塵活動集中在下半年，北半球在春夏期間最為寧靜。從春分到夏至正中間開始的6個地球月里，北半球歷史上沒有發(fā)生過沙塵暴。

　　1996年到2013年（即火星年23-31）間，火星環(huán)繞器觀測記錄的沙塵暴。注意，起源于北半球的沙塵暴也可能發(fā)展到南半球范圍，反之亦然 | 改編自：參考文獻(xiàn) [1]

　　今年這個火星年（2021-2022年，一個火星年約等于2個地球年），北半球的春分發(fā)生在2021年2月7日，夏至發(fā)生在2021年8月25日，兩個時間點中間，就是5月中旬了。對于計劃著陸在火星北半球烏托邦平原的祝融號來說，等到5月中下旬再降落，最為穩(wěn)妥。

　　2）另一方面就是利用現(xiàn)有的火星探測器遙感數(shù)據(jù)（主要是亮溫和陽光透射率數(shù)據(jù)）和著陸區(qū)的實際位置、地形情況，對計劃著陸區(qū)做氣象預(yù)報。提前避開大的沙塵暴，尋找將來哪個時間段氣候更宜降落。當(dāng)然，這種基于遙感數(shù)據(jù)的預(yù)報只是模型和統(tǒng)計結(jié)果，并不是確定性預(yù)報，無法精確到火星某個地點幾點幾分一定有啥氣象變化。

　　這是毅力號項目組針對位于北半球的杰澤羅撞擊坑區(qū)域（毅力號著陸區(qū)）春分時期所做的氣象預(yù)報，內(nèi)容包括表面氣壓、表面溫度、大氣溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣密度等多個方面。這些都是毅力號判斷著陸時機(jī)的參考。（毅力號著陸于2021年2月18日，春分剛過）

　　紅圈為毅力號著陸區(qū)所在位置 | 參考資料 [2]

　　而對于祝融號的著陸時機(jī)，我國的行星科學(xué)家們也在做詳盡的氣象預(yù)報工作，大家靜候佳音。

　　不過值得一提的是，太陽能供電的火星車未必沒有核電池供電的火星車健康長壽。機(jī)遇號在火星上馳騁探測了14年，至今保持著最長壽的火星車紀(jì)錄，相比之下，工作了8年多的好奇號已經(jīng)傷痕累累，打破機(jī)遇號紀(jì)錄應(yīng)該是無望了。

　　高軌低軌多面手

　　那除了勘測地形，等候天機(jī)，咱們天問一號環(huán)繞器這三個月就白等著？那不會的。早在今年2月24日，天問一號進(jìn)入火星停泊軌道之后，環(huán)繞器上的7臺科學(xué)儀器就已經(jīng)全部開機(jī)，開始科學(xué)探測了。

　　天問一號環(huán)繞器上的7臺科學(xué)儀器位置（天線展開狀態(tài)未顯示）

　　天問一號整個任務(wù)期間會多次改變軌道。最近這三個月的地形考察期所在的“火星停泊軌道”是一個近火點280公里、遠(yuǎn)火點5.9萬公里、周期2個火星日的極軌道。

　　分離著陸巡視組合體之后，環(huán)繞器會降低軌道，進(jìn)入一個近火點265公里、遠(yuǎn)火點12500公里，周期8個小時的“通訊中繼軌道”，為火星車傳輸訊息 [3]。

　　待到祝融號完整計劃的90個火星日探測之后，天問一號還會再次降低軌道，進(jìn)入一個近火點265公里、遠(yuǎn)火點12000公里的“科學(xué)探測軌道”，對火星表面進(jìn)行至少一個火星年（約2個地球年）的近距離全球探測 [3]，同時也可以兼顧火星車的通訊中繼 [4]。

　　也就是說，天問一號環(huán)繞器能在不同階段探測到火星不同軌道高度上的科學(xué)信息，相當(dāng)于一個探測器不僅同時擔(dān)任了通訊衛(wèi)星和科學(xué)衛(wèi)星，還同時擔(dān)任了火星高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星等多個職務(wù)。不同軌道高度處的探測數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以幫助我們更全面地了解火星的空間環(huán)境信息，例如火星的磁場、電離層、太陽風(fēng)與火星高層大氣/電離層之間的相互作用等等。

　　火星沒有地球、水星那樣內(nèi)部自發(fā)的偶極磁場，因此當(dāng)太陽風(fēng)吹向火星時，大部分行星際磁場會直接“掛”在火星上。不過火星的殼層還有一些剩磁，這讓太陽風(fēng)與火星磁場的相互作用變得更加復(fù)雜了一點。

　　黃線代表掛在火星上的太陽風(fēng)所攜帶的行星際磁場（IMF）的磁力線，藍(lán)線代表火星自己的閉合磁力線，日側(cè)的白色亮點是火星剩余磁場和IMF之間發(fā)生的磁場重聯(lián)，紅線代表磁場重聯(lián)后連接火星和太陽風(fēng)的開放磁力線 | Anil Rao/Univ. of Colorado/MAVEN/NASA GSFC

　　通過對不同空間位置的火星磁場、離子與中性粒子、能量粒子等方面的探測，可以幫助我們了解火星磁場的演化、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)。

　　NASA目前在軌工作的MAVEN探測器，也在做相關(guān)的科學(xué)探測，不過MAVEN的工作軌道在近火點約150公里，遠(yuǎn)火點在約4500-6000公里高度，與天問一號計劃的高度不同。這在科學(xué)探測上是好事，因為兩者的結(jié)果可以互為補(bǔ)充。

　　MAVEN的探測軌道示意圖 | NASA/GSFC

　　還記得2018年發(fā)射的水星探測器貝皮科隆博號（BepiColombo）嗎？這個任務(wù)一次發(fā)射了兩顆水星探測器（MPO和MMO），再加上2011-15年間探測水星的信使號（MESSENGER），不同的軌道高度的三個探測器的探測結(jié)果，可以幫助我們更全面地認(rèn)識水星的磁場環(huán)境。

　　NASA信使號探測器和歐空局貝皮科隆博號的兩個子探測器MMO和MPO的探測軌道 | 馬普所

　　這么看來，天問一號一個環(huán)繞器就能觀測到多個軌道高度的科學(xué)數(shù)據(jù)，是不是非常有效率？

　　天問一號的多次變軌 | 改編自：參考文獻(xiàn) [5]

　　一點總結(jié)

　　總結(jié)一下呢：

　　考察著陸區(qū)地形需要花一些時間，

　　最穩(wěn)妥寧靜適合降落的氣象條件需要等到5月中旬，

　　而且等待期間的天問一號還可以在停泊軌道完成獨特的科學(xué)觀測。

　　這三個月不僅不能省，而且還非常充實呢。

　　接下來就是萬事俱備，期待祝融號著陸的好消息啦！

　　致謝

　　本文感謝Jing Xiao，Jiapeng Guo、Yudong Ye對本文提升所做的幫助~

　　封面繪者：金星

　　參考資料

　　[1] Wang, H., & Richardson, M. I. (2015). The origin, evolution, and trajectory of large dust storms on Mars during Mars years 24–30 (1999–2011). Icarus, 251, 112-127.

　　[2] Newman, C. E., De La Torre Juarez, M., Pla-García, J., Wilson, R. J., Lewis, S. R., Neary, L., ... & Rodriguez-Manfredi, J. A. (2021). Multi-model Meteorological and Aeolian Predictions for Mars 2020 and the Jezero Crater Region. Space science reviews, 217(1), 1-68.

　　[3] Zou, Y., Zhu, Y., Bai, Y., Wang, L., Jia, Y., Shen, W., ... & Peng, Y. (2021). Scientific objectives and payloads of Tianwen-1, China’s first Mars exploration mission. Advances in Space Research, 67(2), 812-823.

　　[4] 我們的太空 | 【技術(shù)·航天】中國首次火星探測任務(wù)“天問一號”的長征路...

　　https://zhuanlan.zhihu.com/p/164443325

　　[5] Ye P J, Sun Z Z, Rao W, et al. Mission overview and key technologies of the first Mars probe of China. Sci China Tech Sci, 2017, 60: 649–557, doi: 10.1007/s11431-016-9035-5

關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復(fù)【最新活動】，了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動詳情