“天問一號”是我國首個火星探測任務，一次實現“繞、落、巡”三大任務，並且任務重點比美國的好奇號更進一步，重點包括髮現當前和以前的火星生命，以及行星的表面和環境，是人類航空史上史無前例的壯舉，做到一次發射就超越到火星探測任務第一的位置。
天問一號的取名來自於屈原長詩“天問”，該詩一共提出了一百七十多個問題，其中天文方面三十問，地理方面四十二問，歷史方面多達九十五問，可謂包羅萬象。“天問”行星探測任務的命名，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。
為何我國第一次火星探測任務就要高起點高難度？
我國天問一號首次探測火星，就要實現“繞、落、巡”三大任務，開創了世界航空史的先例，為何第一次發射就要高起點高難度，一步一步來不是更好嗎？主要是三個原因造成的。
圖表：我國火星探測任務正式立項，2020年發射首個火星探測器。（新華社記者 陳琛 編制）
- 技術的進步
我國在嫦娥和玉兔探月工程裡已經積累相當多的經驗，天問系列吸取了探月工程的經驗，同時我國航天技術也取得了長足的進步，有信心和能力一次實現火星探測的“繞、落、巡”三大任務。同時，我國於2019年11月15日在河北省懷來縣成功測試火星著陸器，該著陸器在模擬低重力下降過程中成功避開地面障礙物，技術儲備均已完成。
中國探測器在火星低重力環境下懸停進行的試驗（圖源：中國青年報）
- 火星發射時間窗口太寶貴
由於地球和火星的相對位置在不斷變化中，為了讓探測器順利抵達火星，每26個月才有一次發射窗口。為了節省燃料和推力，要從地球上去往火星，必須通過一條叫做“霍曼轉移軌道”的橢圓形軌道飛行。航天器發射升空後，先在地球附近加速，進入霍曼轉移軌道，再在火星附近減速，被火星捕獲。深空航天器通過霍曼轉移軌道從地球到火星軌道的飛行時間是固定不變的，因此航天器發射時，火星和地球的相對位置必須要使航天器到達轉移軌道的遠日點時，火星剛好在那裡“等待”航天器的到來。這樣的發射時機，大約每26個月才會出現一次。錯過之後，就必須等待下一次發射窗口。
- 我國火星探測器失敗過一次，時間上耗不起
“天問一號”並非我國第一顆火星探測器，2011年11月我國曾將一顆“螢火一號”火星探測器搭載在俄羅斯福布斯-土壤號上，一起奔向火星。然而由於火箭未能成功變軌，2012年1月遺憾墜毀於太平洋。當時的“螢火一號”是個小不點，長、寬各約75釐米，高60釐米，重只有大約115公斤，所以用“螢火一號”命名倒也恰如其分。
螢火一號全貌（圖源：中國航天局）
由於“螢火一號”的失敗，我國的火星探測任務被印度後來居上，印度2013年發射的火星探測器成功了，成為第一個成功的亞洲國家。所以我國此次“天問一號”之所以選擇高起點高難度，就是要一次將所有的課都補上，同時佔領火星探測的最高峰。
為何選擇火星
首先，火星是我們能夠看到的五顆行星之一。在金、木、水、火、土這五顆行星當中，金星跟火星跟地球相對比較近，但是金星周圍包含著一層厚厚的大氣看不清它的表面。儘管現在我們知道金星其實跟地球更為接近，它的大小跟地球更為接近，而火星的直徑其實差不多是地球直徑的一半，所以它要小非常多，但是火星的大氣要薄很多，所以我們可以直接看到它表面的各種狀況，這為我們可以有目的的探測火星創造了良好條件。
我們現在知道有可能火星另外還具有一些其他的跟地球很接近的特性。火星有四季的變化。金星上就沒有這種變化。
地球和火星尺寸對比（圖源：NASA）
另外火星處於太陽系之內的宜居區的最外邊緣。宜居區是在過去二十多年地外生命探測的過程中提出來的，也就是說在這個範圍之內有可能會有生命的存在。而且美國的MRO(Mars Reconnaissance Orbiter 火星勘測軌道飛行器)的衛星發現了液態水的存在，這為下一步探尋火星的水和生命開啟了新的大門。
現在科學界內大體有一個認識，在三四十億年前，火星之上應該是充滿著大量的液態水的，但是後來因為大氣的蒸發，慢慢的沒有足夠的壓力來維持這種液態水，以及溫度的變化，就導致整個表面的水蒸發掉了,通過研究火星我們有可能可以預見到地球幾十億年以後的命運。
天問一號的任務和攜帶的科學測量儀器
天問一號任務的重點包括髮現當前和先前的生命，以及評估行星的表面和環境。對火星軌道飛行器和火星探測器的單機或者兩者的聯合探索將產生火星表面地形圖，土壤特徵，物質組成，水冰，大氣層，電離層場以及其他科學數據。
天問一號火星探測器（圖源：中國航天局）
天問一號巡視器（圖源：中國航天局）
天問一號著陸器（圖源：中國航天局）
- 天問一號軌道飛行器和火星探測器將總共攜帶12臺儀器：
軌道飛行器
中分辨率相機（MRC），在400 km的軌道上分辨率為100M
高分辨率相機（HRC），在400 km的軌道上具有2M的分辨率
火星磁力儀（MM）
火星礦物光譜儀（MMS），以確定元素組成
軌道器地下雷達（OSR）
火星離子和中性粒子分析儀（MINPA）
火星探測器
探地雷達（GPR），可在火星表面以下成像約100 m（330 ft）
火星表面磁場探測器（MSMFD）
火星氣象測量儀（MMMI）
火星表面化合物探測器（MSCD）
多光譜相機（MSC）
導航和地形相機（NTC）
三大任務如何完成
據任務工程總設計師介紹，探測器與火箭分離後，它將在太空中巡航飛行近7個月，才能被火星捕獲。環繞器環繞火星飛行後，要與著陸巡視器分離，進入任務使命軌道，開展對火星全球環繞探測，同時為著陸巡視器開展中繼通訊，接著，著陸巡視器進入火星大氣後，通過氣動外形減速、降落傘減速、反推發動機動力減速、多級減速、著陸反衝後，軟著陸在火星表面，開始火星表面巡視探測。
具體來說在飛行過程中，探測器總體上要經過兩次加速：一次加速擺脫地球進入地火轉移軌道，另一次加速趕上火星環繞太陽軌道。由於火星引力加速的影響，為切入環繞火星的軌道，探測器反而需要減速制動。
探測器達到火星附近後，需要被火星引力俘獲。相比較地球而言，火星只是個小不點，質量僅有地球的10.7%，引力影響範圍很小，這要求探測器必須精準切入環繞火星軌道。同時，必須擁有強大的變軌能力，能完成改變軌道、大幅增加燃料需求。
為給著陸器留足著陸窗口，探測器需要整體切入環繞火星軌道，再讓著陸器擇機著陸，這個入軌難度進一步提升。
一次標準的霍曼轉移軌道（圖自：《下一站火星》）
中國首次火星探測任務工程探測器系統總設計師、中國航天科技集團公司研究員孫澤洲表示，由於遠距離數據傳輸的大時延，要求火星車必須具有很高的自主能力。同時，火星光照強度小，加上火星大氣對陽光的削減作用，火星車能源供給也比月球車更為困難。火星車為規避火星極端天氣的影響將設置自主休眠和自主喚醒功能，可工作3個火星月，相當於地球上的92天。屆時，火星車上攜帶的6臺科學載荷，可對大家關注的科學問題開展探測，特別是這次還攜帶了大氣環境測試儀，可能獲得老百姓聽得懂且很關注的信息。比如，此時此刻火星上溫度是多少，有沒有風，風力是多少等等。
首次火星探測要探什麼
中國火星探測任務工程總設計師張榮橋介紹，主要有5件事。
第一是照相，這是最基本的工作，去了總得看看是什麼樣。
第二是測物質、測元素，火星表面有什麼物質，這些物質的構成成分是什麼?在我們的環繞器上裝備了多光譜相機，在我們著陸器上裝備了勻速的分析儀。
第三是測環境，我們的環繞器和火星車，應該說這個儀器數量還是最多的，電的、磁的、高能的、中性的這些儀器都裝配了。
第四是看看它的內部，當然不可能到更深，只是淺層的地質結構的情況，這也是大家關注的。火星地底下分層結構怎麼樣，到底有沒有水冰的存在等等。因此我們在環繞器和火星車上面都配置了測表層的探測雷達，希望這個方面有所收穫。
第五，最後一件事，就是看看氣象是個什麼樣子。大家關注火星上有沙塵暴，火星上的溫度變化到底怎麼樣，這次我們在火星車上配置了一個叫火星氣象測量儀，我們能測風、能測溫、能測氣壓，還能聽聽火星上的聲音到底什麼樣。
火星任務被認為是最複雜的太空任務之一，願我們的“天問一號”火星探測器能夠成功進入軌道，並最終成功登陸火星表面。
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