來源： Nature自然科研

原文作者：W.X。 Wan， C.Wang， C.L。 Li & Y.Wei 

注：本文第一作者，中國火星探測計劃首席科學家萬衛星院士於2020年5月20日因病逝世，《自然-天文學》刊發訃聞表達哀悼。

在“天問一號”探測器計劃於7月底或8月初發射之際，任務首席科學家及其團隊重點介紹了中國首次火星任務的科學目標和儀器設備。

在太陽系的八大行星中，火星與地球最爲相似，而且距離地球也很近。因此，它自然成爲空間探索的優先目標。火星給了人類一個切實的機會，去回答有關地外生命的存在、太陽系的起源和演化等關鍵問題，並探索適合人類居住的可能性。從20世紀60年代第一個飛掠火星的空間探測器到今天的行星軌道器和巡視器，美國、俄羅斯、歐洲、日本和印度都制定了火星探測方案，以實現人類的願望。

中國於2016年宣佈了其超越地月系統的行星探索方案。受益於中國月球探測計劃的工程成果，中國國家戰略將火星定爲下一個行星探測目標。中國的首次火星探測任務被命名爲“天問一號”，計劃在一次任務中完成環繞、着陸和巡視3個目標。“天問”取自中國古代最偉大的詩人之一屈原（約公元前340-278年）的一首詩的名字。目前，“天問一號”正準備於2020年7月或8月發射，經7個月後抵達火星。

“天問一號”藝術示意圖。這次任務將綜合使用軌道器和着陸器/巡視器來研究這顆紅色星球。

“天問一號”將在海南文昌發射場發射，由長征五號運載火箭直接發射進入地火轉移軌道（Earth–Mars transfer orbit）。“天問一號”探測器重約5噸（含燃料），由一個軌道器和一個着陸器/巡視器組合體組成。軌道器將爲巡視器提供中繼通信鏈路，同時本身進行爲期一個火星年的科學觀測。科學觀測階段的軌道是一個極橢圓軌道（265 km × 12000 km）。着陸器/巡視器將在探測器到達約2-3個月後，在火星表面進行軟着陸，候選着陸點爲烏托邦平原（Utopia Planitia）。太陽能巡視器重約240公斤，質量幾乎是“玉兔號”月球車的兩倍，預計將運行約90個火星日。

“天問一號”的主要任務是利用軌道器對整個火星進行全面廣泛的勘測，並將巡視器送到有科研價值的表面位置，進行高精度、高分辨率的詳細調查。具體來說，“天問一號”的科學目標包括：（1）繪製火星形態和地質結構圖；（2）調查火星表面的土壤特徵和水冰分佈；（3）分析火星表面的物質組成；（4）測量電離層和火星地表氣候及環境特徵；（5）探索火星的物理場（電磁場、引力場）和內部結構。

“天問一號”任務共有13種有效載荷。軌道器上的7臺儀器包括兩臺相機、火星軌道次表層探測雷達、火星礦物學光譜儀、火星磁力儀、火星離子和中性粒子分析儀、火星高能粒子分析儀。巡視器上的6臺儀器包括多光譜相機、地形相機、火星巡視器次表層探測雷達、火星表面成分探測器、火星磁場探測器和火星氣象監測儀。

“天問一號”將在第一次嘗試中就進行環繞、着陸和釋放巡視器，並與軌道器協調觀測。從來沒有任何行星任務是以這種方式開展的。如果成功，將標誌着一次重大的技術突破。從科學上講，“天問一號”是對火星形態、地質學、礦物學、空間環境、土壤和水冰分佈等進行研究的最全面的任務。

預計“天問一號”探測器將於2021年2月左右到達火星，科學觀測階段將於2021年4月開始。除“天問一號”外，美國宇航局（NASA）的火星2020“毅力號”探測器和阿聯酋的“希望號”火星軌道器也將踏上火星之旅。國際行星科學界對這些激動人心的任務充滿期待，它們必將把我們對火星的認識推進到一個前所未有的高度。