盡管火星是人類探測最多的行星，探測難度卻從未因此降低。著陸和巡視探測器必須經(jīng)歷的進(jìn)入大氣、下降和著陸階段，是最為復(fù)雜的技術(shù)關(guān)鍵。我國首次深空探測任務(wù)天問一號，歷史性地一次性成功完成了環(huán)繞、著陸、巡視三大任務(wù)，在全球首次實現(xiàn)火星三合一探測，引起國際上的強烈反響。

本期星際征途，來自中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心的劉洋研究員和王夕予博士將詳細(xì)解讀我國天問一號首次火星探測任務(wù)。劉洋研究員主要從事月球與火星地質(zhì)演化和遙感探測方向的研究，為天問一號任務(wù)和月球樣品專家委員會秘書組成員。王夕予博士的主要研究方向是實驗?zāi)M火星表面的水活動。 

專欄主持人：李薦揚

天問一號進(jìn)入火星停泊軌道的藝術(shù)效果圖 （圖片來源：中國航天科技集團(tuán)八院）

火星，這顆紅色的星球，自古以來就吸引著人類的目光。從古代天文學(xué)家觀測到的“熒惑”到現(xiàn)代探測器傳回的高清圖像，火星始終是人類探索宇宙的重要目標(biāo)。

天問一號是中國首次火星探測任務(wù)的核心探測器，于2020年7月23日由長征五號遙四運載火箭在文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空，2021年5月15日上午7時18分，祝融號火星車在火星南部的烏托邦平原預(yù)選著陸區(qū)成功著陸。這次任務(wù)標(biāo)志著中國行星探測工程“天問系列”的啟動，其名稱源自屈原的長詩《天問》，寓意中華民族對宇宙奧秘的永恒探索。

天問一號首次通過單次發(fā)射實現(xiàn)火星環(huán)繞探測、著陸和巡視三大任務(wù)，成為全球首個一次性完成這三項目標(biāo)的探測器。這一設(shè)計大幅提升了探測效率，但同時也面臨著極高的技術(shù)難度。此前，僅美國實現(xiàn)過“繞＋落”或“繞＋巡”的組合任務(wù)。天問一號任務(wù)旨在研究火星表面形貌、土壤特性、水冰分布、大氣電離層、磁場結(jié)構(gòu)等，為理解火星演化及太陽系起源提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

天問一號探測器由三大部件組成，協(xié)同完成探測任務(wù)：

環(huán)繞器：攜帶7臺科學(xué)載荷，負(fù)責(zé)環(huán)火探測、為著陸器和火星車提供中繼通信支持。

著陸器：承擔(dān)火星表面軟著陸任務(wù)，是火星車與火星表面的“連接橋梁”。

火星車（祝融號）：命名源自中國古代神話中的火神，質(zhì)量約240千克，搭載6臺科學(xué)載荷。設(shè)計壽命3個火星月（約92地球日），實際工作超過1個火星年（約2個地球年），創(chuàng)下中國航天器在火星的最長工作紀(jì)錄。

祝融 (明·蔣應(yīng)鎬繪圖本)

“祝融”源自《禮記》記載的火神祝融，象征“以火照明大地”，寓意點燃中國星際探測火種。其名延續(xù)中國航天浪漫命名傳統(tǒng)（如“嫦娥”“北斗”），體現(xiàn)“科技與文化共生”的東方哲學(xué)。

天問一號實現(xiàn)了6個首次

天問一號任務(wù)是中國航天事業(yè)的重要里程碑，具有多重意義。國家航天局新聞發(fā)言人許洪亮表示，天問一號任務(wù)成功是我國航天事業(yè)自主創(chuàng)新、跨越發(fā)展的標(biāo)志性成就。在我國航天發(fā)展史上，天問一號任務(wù)實現(xiàn)了6個首次：

  首次實現(xiàn)地火轉(zhuǎn)移軌道探測器發(fā)射；

  首次實現(xiàn)行星際飛行；

  首次實現(xiàn)地外行星軟著陸；

  首次實現(xiàn)地外行星表面巡視探測；

  首次實現(xiàn)4億千米距離的測控通信；

  首次獲取第一手的火星科學(xué)數(shù)據(jù)。

天問一號的成功，不僅是中國航天人的智慧結(jié)晶，也彰顯了人類探索宇宙的共同追求。未來，中國將繼續(xù)推進(jìn)深空探測計劃，為揭開宇宙奧秘貢獻(xiàn)更多力量。

在火星軌道上的天問一號（圖片來源：國家航天局）

環(huán)繞器正飛過火星北極區(qū)域上空。環(huán)繞器本體呈金色，進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信的定向天線呈銀色，太陽翼和雷達(dá)天線展開狀態(tài)良好。

? “雙向奔赴”的籌備階段

火星車祝融號的命名并非一蹴而就，而是經(jīng)歷了一場全民參與的“海選”。2020年7月，國家航天局啟動火星車全球征名活動，短短3個月內(nèi)收到了超過14萬個提名，“祝融”“弘毅”“麒麟”等名字脫穎而出。最終“祝融”當(dāng)選，背后蘊含著科研團(tuán)隊的深層考量——火神祝融的傳說與火星的“紅色星球”意象形成奇妙呼應(yīng)，而“?！薄叭凇倍钟职岛白Ｔ溉诤稀?，既象征中國航天與世界航天的合作，也寓意火星車與火星環(huán)境的“和諧共處”。

在籌備階段，為了完美完成火星著陸的任務(wù)，中國空間技術(shù)研究院實驗室擁有一輛用于試驗火星復(fù)雜路況的模擬車。測試員常操控它模擬沙石場爬坡越障，甚至故意設(shè)置“陷阱”考驗其脫困能力。當(dāng)祝融號在火星遇到陡坡時，地面團(tuán)隊會用模擬車反復(fù)試驗路徑，確認(rèn)安全才給祝融號發(fā)送行動指令。可謂是：“真車在火星冒險，替身在地球‘996’加班”。

祝融號搭載的多光譜相機(jī)和表面成分探測儀，相當(dāng)于它的“眼睛”和“鼻子”，能識別巖石成分并尋找水冰痕跡?；I備階段，科研人員用地球上的巖石模擬火星樣本進(jìn)行測試，因火星巖石風(fēng)化特征與地球樣本差異，曾出現(xiàn)過光譜解譯偏差，后通過交叉標(biāo)定和機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行了優(yōu)化。為了讓設(shè)備更“懂”火星，研究人員收集了全球典型火星類似環(huán)境巖石樣本，甚至用實驗室模擬火星環(huán)境，“炮制”出人工合成的“火星巖石”，讓探測儀在發(fā)射前“見夠了世面”。更有趣的是，為測試相機(jī)在火星低光照環(huán)境下的性能，科研人員在暗室里用發(fā)光二極管（LED）燈模擬火星的“黃昏光線”，并測試相機(jī)能否區(qū)分巖石與“移動物體”——雖然火星上沒有人類，但這個測試能驗證設(shè)備的動態(tài)識別能力，驗證設(shè)備對動態(tài)干擾（如沙塵、光照突變）的魯棒性（即穩(wěn)健性）。

籌備階段的這些趣聞，實則是中國航天人“把困難想在前面”的縮影。從給火星車起一個有溫度的名字，到在地球的“火星場”上反復(fù)打磨每一個細(xì)節(jié)，祝融號的誕生不僅是技術(shù)的勝利，更蘊含著科研人員對未知探索的敬畏與熱愛。這些籌備階段的故事，也成了我們與這個遙遠(yuǎn)星球?qū)υ挼男蚯?/p>

? 航天器設(shè)計與儀器  中國深空探測的工程杰作

天問一號的總體架構(gòu)是開創(chuàng)性的“三器一體”設(shè)計。探測器總質(zhì)量約5噸，由軌道器（環(huán)繞器）、著陸器、巡視器（祝融號火星車）三大部分構(gòu)成。這一高度集成的設(shè)計使中國成為全球首個通過單次發(fā)射實現(xiàn)火星“繞、落、巡”三大目標(biāo)的航天國家，其系統(tǒng)復(fù)雜度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)分步探測模式。

巡視器（祝融號，左）與著陸器（右）在火星表面的合影。由一臺分離式相機(jī)拍攝。（圖片來源：國家航天局）

環(huán)繞器——太空母船

環(huán)繞器作為火星軌道上的“通信中繼站”與“觀測站”，也是任務(wù)的“太空母船”，環(huán)繞器首先負(fù)責(zé)將著陸器和巡視器送入火星軌道，隨后承擔(dān)火星全球遙感探測、與地球及火星車的通信中繼，以及為著陸器提供精確的軌道和姿態(tài)支持。

著陸器——投遞艙

著陸器是火星表面的“精準(zhǔn)投遞艙”，承擔(dān)將巡視器（祝融號）安全送達(dá)火星表面的任務(wù)，是實現(xiàn)“落”的核心部件，需克服火星大氣減速、軟著陸緩沖等多重挑戰(zhàn)。

巡視器——移動實驗室

巡視器（祝融號火星車）則是火星表面的“移動實驗室”，在火星表面進(jìn)行實地巡視探測，分析土壤成分、地質(zhì)結(jié)構(gòu)，探測火星環(huán)境（如磁場、氣象等），是實現(xiàn)“巡”的關(guān)鍵載體。

地面測試中的天問一號探測器繞落巡組合體 （圖片來源：中國空間技術(shù)研究院）

天問一號探測器組成部分

有效載荷設(shè)備在祝融號火星車上的安裝位置圖

? 火星：太陽系宜居環(huán)境的焦點

火星與地球同屬太陽系“類地行星”，兩者在形成初期（約46億年前）具有相似的物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化起點，但如今卻走向了截然不同的命運——地球成為了孕育生命的“藍(lán)星”，而火星則演變?yōu)楦稍?、寒冷、幾乎無磁場的荒漠。這種“同源異途”的演化史，使火星成為研究行星演化的“對比樣本”，能幫助人們理解地球的過去與未來，并探索生命的起源與生命在宇宙中的普遍性。

從資源角度，火星是太陽系中最可能成為人類“第二家園”的星球，其資源潛力和戰(zhàn)略地位決定了探測的必要性：烏托邦平原地下存在大量水冰，可轉(zhuǎn)化為飲用水和燃料（通過電解制氫制氧）；火星大氣96%是二氧化碳（CO2），可通過與氫氣合成而產(chǎn)生甲烷燃料（火星車的能源）；火星地殼富含鐵、鋁、硅等元素，可用于就地制造設(shè)備或建筑材料。這些資源若能被利用，將大幅降低人類深空探測的成本（無需從地球攜帶全部物資），使火星成為通往更遠(yuǎn)星球的“中轉(zhuǎn)站”。

同時，火星也是星際移民的“前期勘察”對象。地球可能面臨小行星撞擊、超級火山爆發(fā)、氣候變化等“滅絕級風(fēng)險”，火星是目前唯一可能實現(xiàn)人類移民的星球（相比金星的高溫高壓、月球的無大氣，火星條件更溫和）?；鹦翘綔y需先解決“生存基礎(chǔ)問題”：如何建立封閉生態(tài)系統(tǒng)（如模擬地球大氣的“生態(tài)圈”）、如何抵御輻射、如何保障食物供給等。這些研究的積累，將為未來百年內(nèi)的小規(guī)模移民提供技術(shù)藍(lán)圖。

火星隕石ALH84001的鏡下圖片

此隕石曾被認(rèn)為有可能包含有“蠕蟲”——細(xì)菌類生命形式的化石，在發(fā)現(xiàn)之初的20世紀(jì)90年代，科學(xué)家認(rèn)為它可能是外星生命存在的第一個確鑿證據(jù)，引起巨大轟動，甚至美國當(dāng)時的總統(tǒng)比爾·克林頓還正式發(fā)表電視講話紀(jì)念這一事件。雖然最后被證實并非外星生物痕跡，但這塊隕石上的與地表存在水相關(guān)的礦物學(xué)組分，也顯示了火星存在某種宜居環(huán)境的可能。

（i）藍(lán)色區(qū)域顯示了火星早期在北部平原可能存在的古海洋。橙色星標(biāo)表示祝融號火星車的著陸點，黃色星標(biāo)是毅力號火星車的著陸點。

（ii）祝融號發(fā)現(xiàn)的沉積巖構(gòu)造。

? 烏托邦平原：火星水活動的重要區(qū)域

祝融號火星車著陸區(qū)烏托邦平原（Utopia Planitia）位于火星北半球中低緯度地區(qū)（中心點位于北緯 46.7°、東經(jīng) 117.5°），估計直徑約3300萬千米，估算面積約800萬～1000 萬平方千米。其東部與阿爾及爾平原相鄰，西部連接阿卡迪亞平原，北部延伸至北極冰蓋邊緣。這個平原橫跨火星最年輕的“亞馬遜紀(jì)”地質(zhì)單元，較少大型隕擊坑，存在豐富的地下水冰與古水活動痕跡，并可能殘留地下鹽水，為研究火星宜居性提供關(guān)鍵線索。祝融號的著陸點精確到北緯25.1°、東經(jīng)109.9°，處于烏托邦撞擊盆地的南部邊緣地帶，地質(zhì)上以亞馬遜紀(jì)（約30億年前開始，時間誤差較大）的風(fēng)成與水成沉積物為主，是研究火星中晚期地表環(huán)境演化的關(guān)鍵區(qū)域。

天問一號任務(wù)的兩個最初著陸候選區(qū)

左側(cè)的紅框候選區(qū)位于克里斯平原，右側(cè)的紅框候選區(qū)位于烏托邦平原，即如今的天問一號著陸區(qū)。

烏托邦平原的形成與演化記錄了火星數(shù)十億年的地質(zhì)歷史，其核心特征可概括為“古老盆地＋后期改造”。

烏托邦平原是約45億年前（火星早期諾亞紀(jì)初期）一次小行星撞擊的產(chǎn)物。這次撞擊深度達(dá)數(shù)十千米，擊穿了火星原始地殼，可能使地幔物質(zhì)暴露，形成了直徑約3300千米的巨型盆地。撞擊后，盆地逐漸被火山活動、風(fēng)蝕沉積等地質(zhì)作用填充，最終形成如今平坦的平原地貌。

烏托邦平原表面以粉砂質(zhì)土壤為主，地勢起伏極小，平均坡度不足1°，這也是選擇在此處著陸的重要原因—平坦地形可降低著陸器避障難度，保障祝融號安全著陸。平原上分布著少量小型隕擊坑（直徑多小于10千米）以及風(fēng)蝕形成的低矮巖脊和風(fēng)積沙波紋，表明火星近代仍存在風(fēng)力侵蝕與沉積活動。

HiWish計劃拍攝的扇形地面特寫（圖片來源：HiRise計劃）

這個計劃使普通人可以使用軌道HiRISE（NASA的火星勘測軌道飛行器MRO攜帶的高分辨率相機(jī)）拍攝火星表面。烏托邦平原這類地表的多邊形，常見于凍融的環(huán)境。

地下隱藏著多層沉積結(jié)構(gòu)

天問一號“祝融號”火星車的雷達(dá)探測顯示，烏托邦平原地下10～80米深度存在兩套沉積層序，可能由古代水活動形成，提供了火星曾經(jīng)存在水環(huán)境的重要證據(jù)。

烏托邦平原被選為祝融號著陸點，核心原因是其蘊含的水活動痕跡和地質(zhì)演化信息，與中國火星探測“尋找生命存在證據(jù)”“研究火星演化歷史”的科學(xué)目標(biāo)高度契合。

祝融號火星車拍攝的烏托邦平原的著陸區(qū)全景圖，能看到火星表面的土壤（圖片來源：國家航天局）

遠(yuǎn)古海洋的“潛在遺跡”

火星地質(zhì)學(xué)家通過軌道遙感數(shù)據(jù)，如NASA的火星勘測軌道飛行器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）的探測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，烏托邦平原南部邊緣存在一些可能與水活動相關(guān)的特征，例如局部區(qū)域的黏土礦物、硫酸鹽等含水礦物分布，以及部分地形被推測為“古海岸線”的線性地貌?；谶@些現(xiàn)象，部分學(xué)者提出假說：約40億～35億年前，這個區(qū)域可能存在過短期的淺水環(huán)境（如大型湖泊或間歇性泛濫的水體）。

祝融號著陸于烏托邦平原南部，核心科學(xué)目標(biāo)之一是通過原位探測地表土壤和巖石的成分，驗證此區(qū)域“水活動歷史”的假說，并尋找與水活動相關(guān)的礦物（如水合鹽、黏土），為研究火星早期宜居環(huán)境提供直接證據(jù)。

地下冰層的潛在價值

烏托邦平原中高緯度區(qū)域的地下冰層（著陸點所在的南部邊緣存在間接線索）是重要的科學(xué)研究目標(biāo)。關(guān)于冰層成因，目前存在兩種假說：可能是火星早期水活動（如大型湖泊蒸發(fā)后滲入地下凍結(jié)的殘留物），也可能是后期大氣水汽在低溫環(huán)境下沉積（如雪或霜）積累的產(chǎn)物。

祝融號搭載的次表層探測雷達(dá)（RoPeR）實際探測深度約為地下80米，主要用于分析淺表層的沉積結(jié)構(gòu)和物質(zhì)分布。探測數(shù)據(jù)雖未直接發(fā)現(xiàn)冰層，但通過鹽類礦物的分布模式等，為推斷地下可能存在“冰-沉積物混合層”提供了間接支持。

這些對地下含水物質(zhì)的探測與分析，不僅有助于揭示火星中緯度地區(qū)的氣候演化（如冰的積累與消融過程），也為未來人類登陸火星的水資源利用（如冰層開采可行性）提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

祝融號在烏托邦平原進(jìn)行巡視雷達(dá)勘測，揭示了此區(qū)域精細(xì)地下分層結(jié)構(gòu)和物性信息。繪圖：鄧?。ㄎ錆h大學(xué)）

低緯度的“溫和環(huán)境”

相較于火星南極的冰蓋區(qū)或高緯度的永久凍土層，祝融號著陸的烏托邦平原南部，光照條件更穩(wěn)定，表面溫度相對溫和（夏季白天部分可達(dá)0℃以上），能為火星車提供更適宜的工作環(huán)境，延長探測壽命。同時，這一區(qū)域的地質(zhì)活動（如火山、隕石撞擊）歷史更完整，可通過巖石樣本反推火星從“濕潤期”到“干旱期”的轉(zhuǎn)變過程。

烏托邦平原不僅是火星表面一片平坦開闊的“著陸友好區(qū)”，更是承載著火星“水與生命”秘密的關(guān)鍵區(qū)域。祝融號在此著陸后，通過對土壤、巖石、次表層結(jié)構(gòu)的探測，已發(fā)現(xiàn)了多處水合礦物的存在證據(jù)，為火星早期存在宜居環(huán)境的假說提供了新的科學(xué)支撐。這片古老的平原，正通過中國探測器的“足跡”，向人類逐步揭開火星數(shù)十億年演化的神秘面紗。

MRO攜帶的HiRISE高分辨率相機(jī)拍攝到的祝融號著陸時的爆燃 。上方亮點為天問一號著陸器，下方亮點為祝融號火星車。

? 祝融號：解碼火星的“前世今生”

作為中國首輛火星車，祝融號于2021年5月成功著陸火星烏托邦平原南部。在約1000天的巡視探測中，憑借搭載的6臺科學(xué)載荷，祝融號對火星表面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分、環(huán)境特征等進(jìn)行了系統(tǒng)性探測，取得了一系列具有國際影響力的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，為人類理解火星演化和宜居性提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

揭示火星烏托邦平原的“水世界”歷史

水是生命存在的基礎(chǔ)，而祝融號的探測結(jié)果為火星早期的“宜居環(huán)境”提供了直接證據(jù)，顛覆了人類對烏托邦平原干旱荒漠的傳統(tǒng)認(rèn)知。

廣泛分布的水合礦物：祝融號通過短波紅外光譜和導(dǎo)航地形相機(jī)，在烏托邦平原南部發(fā)現(xiàn)了富含含水硫酸鹽（如硫酸鎂）的板狀硬殼層。這些鹽類礦物的形成與液態(tài)水活動密切相關(guān)。研究團(tuán)隊推測，地下水中的鹽類通過毛細(xì)作用上升至地表，水分蒸發(fā)后鹽類結(jié)晶并膠結(jié)土壤，最終形成抗侵蝕的硬殼層。這種機(jī)制需要大量液態(tài)水參與，僅靠大氣水汽無法解釋。這是國際上首次利用巡視器原位探測到火星亞馬遜紀(jì)時期（約16億年前至今）的水活動證據(jù)，打破了此前認(rèn)為這個時期火星完全干旱的認(rèn)知。

地下冰層的間接證據(jù)：結(jié)合環(huán)繞器的雷達(dá)數(shù)據(jù)與祝融號的次表層探測雷達(dá)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了兩套在地質(zhì)學(xué)中可能代表不同的沉積過程產(chǎn)生的巖石、土壤的“層序”，這兩種沉積過程可能都與水活動相關(guān)。例如，地下10～30米的層序含有隨深度增大的石塊，被解釋為洪水沉積或風(fēng)化作用的產(chǎn)物。未來探測（如中國火星采樣返回任務(wù)）將進(jìn)一步揭示烏托邦平原的水文地質(zhì)演化史。

破解火星地質(zhì)活動及其與磁場演化的關(guān)聯(lián)

為什么火星會從“濕潤星球”變成“紅色荒漠”呢？核心原因之一是，磁場消失導(dǎo)致大氣層被太陽風(fēng)剝離。祝融號通過對地表巖石的分析，為這一過程提供了關(guān)鍵線索。

水活動與磁場的“時間耦合”：火星磁場的“快速衰減”過程，主要記錄于南部高地的古老火山巖中（通過國際探測器磁測數(shù)據(jù)）。約40億年前，火星全球磁場在數(shù)百萬年內(nèi)從峰值驟降至接近消失，這一過程與火星地核液態(tài)外核對流停止直接相關(guān)。而祝融號著陸區(qū)因撞擊作用導(dǎo)致原始磁場信號被“抹去”，且后期沉積覆蓋較厚，未探測到顯著的剩磁信號，無法為磁場衰減提供直接證據(jù)。不過，祝融號發(fā)現(xiàn)的水成沉積巖間接反映了磁場消失后火星表面環(huán)境的演化——磁場消失導(dǎo)致太陽風(fēng)直接侵蝕大氣，液態(tài)水難以長期穩(wěn)定存在，而沉積巖中鹽類礦物的富集，恰是這一環(huán)境下“水-大氣-地表”相互作用的見證。

風(fēng)力侵蝕塑造的地表特征：祝融號的“導(dǎo)航與地形相機(jī)”拍攝了大量高清影像，揭示了烏托邦平原南部的風(fēng)成地貌特征——如小型風(fēng)蝕脊、風(fēng)積條紋及局部沙粒堆積區(qū)等。其中，被風(fēng)蝕出露的平行巖脊（類似“巖石肋骨”）是地表硬殼層經(jīng)定向風(fēng)力長期侵蝕的產(chǎn)物，長度多在數(shù)十米級；同時觀測到的風(fēng)積地貌以低矮沙波紋為主，未發(fā)現(xiàn)長數(shù)百米的大型“縱向沙丘”（此類大型沙丘多見于火星赤道附近的阿拉伯高地等區(qū)域，烏托邦平原因地表物質(zhì)黏性較高，沙丘發(fā)育規(guī)模有限）。通過分析沙丘走向和巖石侵蝕程度，科學(xué)家還原了火星近百萬年來的風(fēng)向變化：著陸區(qū)主要受區(qū)域性定向風(fēng)控制，但季節(jié)性沙塵暴會引發(fā)局部風(fēng)向紊亂。這些數(shù)據(jù)不僅能幫助預(yù)測火星氣候，還為理解地球干旱地區(qū)的風(fēng)力地貌（如塔克拉瑪干沙漠）提供了跨行星對比樣本。

實時監(jiān)測火星表面環(huán)境，評估輻射風(fēng)險

火星的極端環(huán)境是未來人類登陸必須跨越的障礙，祝融號的“火星氣象測量儀”和“表面磁場探測儀”首次實現(xiàn)了對烏托邦平原環(huán)境的長期連續(xù)觀測。

晝夜溫差與沙塵暴的動態(tài)變化：探測數(shù)據(jù)顯示，著陸區(qū)白天最高溫度約－15℃，夜間最低溫度達(dá)-100℃，晝夜溫差達(dá)85℃，遠(yuǎn)超地球任何地區(qū)。火星全球性沙塵暴通常每2～3個火星年（約4～6個地球年）發(fā)生1次，最近一次發(fā)生在2018年（影響機(jī)遇號火星車），下一次尚未在祝融號探測周期（2021年5月～2022年5月）出現(xiàn)。不過，祝融號記錄了多次區(qū)域性沙塵天氣，其中2021年9月的一次較強沙塵過程導(dǎo)致大氣透明度下降約30%，表面光照強度減弱，火星車通過調(diào)整太陽翼角度和能源管理策略維持了正常工作。

輻射強度的精確測量：祝融號搭載的火星表面磁場探測儀和火星氣象測量儀，間接支持了輻射環(huán)境的研究。前者通過測量著陸區(qū)局部磁場強度（約10納特斯拉，僅為地球地磁場的數(shù)千分之一），輔助分析磁場對宇宙射線的偏轉(zhuǎn)作用；后者則監(jiān)測太陽活動引發(fā)的火星大氣擾動，為輻射通量變化提供背景數(shù)據(jù)。此外，結(jié)合環(huán)繞器和國際火星探測器的長期觀測，發(fā)現(xiàn)火星表面輻射強度確實隨太陽活動周期波動—太陽風(fēng)暴期間，高能粒子通量激增，輻射劑量可瞬間增加數(shù)倍。這些綜合數(shù)據(jù)為載人火星任務(wù)的輻射防護(hù)方案（如屏蔽材料厚度、任務(wù)時間選擇）提供了關(guān)鍵參數(shù)。

國際科學(xué)合作與數(shù)據(jù)共享的突破

祝融號的科學(xué)成果并非“孤軍奮戰(zhàn)”，而是通過國際數(shù)據(jù)共享與其他火星探測器（如NASA的毅力號、好奇號）形成觀測互補，同時積極參與國際合作項目，如與歐洲空間局（ESA）也進(jìn)行了工程運行、信號接收等方面的合作。

祝融號在烏托邦平原發(fā)現(xiàn)的含水硫酸鹽等礦物，揭示了火星亞馬遜紀(jì)時期（約16億年前至今）廣泛而持久的淺水環(huán)境痕跡；而毅力號在杰澤羅隕擊坑發(fā)現(xiàn)的有機(jī)分子，更多指向火星諾亞紀(jì)時期（約41億～37億年前）局部熱液活動區(qū)的物質(zhì)留存。兩者雖處于不同地質(zhì)時代，但共同為構(gòu)建火星不同階段宜居環(huán)境的“全景圖”提供了關(guān)鍵實證——前者填補了火星晚期水活動的研究空白，后者則為早期生命存在的可能性提供了線索。

中國科學(xué)院團(tuán)隊與國際火星任務(wù)團(tuán)隊開展了數(shù)據(jù)聯(lián)合分析：將祝融號獲取的烏托邦平原地表原位磁場數(shù)據(jù)（約10納特斯拉的局部弱磁場）與軌道磁測數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)建了這個區(qū)域地表磁場梯度分布模型。這一成果為理解火星全球磁場消失后區(qū)域殘留磁場提供了重要依據(jù)，也為國際火星磁場研究提供了獨特的原位觀測視角。

 （HiRISE 圖像的來源： NASA/JPL/亞利桑那大學(xué)）

a, 烏托邦平原地形圖，顯示了祝融號、海盜 2 號著陸器和毅力號的著陸點。圖中顯示了-4 千米等高線。b, 祝融號從第11至第 113日的穿越圖（HiRISE 圖像）。c～f，烏托邦地區(qū)的四幅具有代表性的 HiRISE 圖像，a中標(biāo)出了它們的位置。

祝融號拍攝的橫向風(fēng)成脊表面的多邊形裂隙

白色箭頭指示的是地表的多邊形特征，黑色箭頭指向由粗顆粒組成的條紋圖案。作為比例尺的卵石（青色箭頭）長軸約為 8 厘米。

由于橫向風(fēng)成脊是火星表面較為年輕的地貌（可能小于100萬年），且這些多邊形裂隙在橫向風(fēng)成脊演化的后期形成，因此它們可能指示了火星近期水活動及地表-大氣水的交換過程，從而為研究火星在當(dāng)前寒冷干旱氣候條件下的水循環(huán)提供了線索。

? 承前啟后：從“廣泛探索”轉(zhuǎn)向“聚焦突破”

著陸點選擇的科學(xué)依據(jù)升級：祝融號在烏托邦平原的探測發(fā)現(xiàn)（如含水硫酸鹽礦物、鹽類富集硬殼層等），證實這個區(qū)域是研究火星“水-氣候-地質(zhì)演化”的關(guān)鍵區(qū)域。這些發(fā)現(xiàn)雖未直接指向“生命痕跡”（目前火星生命存在的證據(jù)仍未被證實），但為理解火星亞馬遜紀(jì)時期的水活動提供了原位實證，為未來采樣返回任務(wù)的著陸點選擇提供了重要參考。如研究火星晚期水活動與環(huán)境演變，祝融號發(fā)現(xiàn)的“鹽類富集層”（液態(tài)水蒸發(fā)后形成的化學(xué)印記）和“水蝕變巖石接觸面”是優(yōu)先采樣目標(biāo)：這些樣本可揭示火星地表水-巖相互作用的具體過程，以及液態(tài)水存在的持續(xù)時間。此外，祝融號觀測到的風(fēng)成地貌（反映近代風(fēng)力作用）和局部弱磁場特征，為后續(xù)任務(wù)搭載更專業(yè)的儀器（如冰層鉆探器、高精度磁測設(shè)備）提供了科學(xué)導(dǎo)向，尤其對探測地下冰-沉積物混合層、研究區(qū)域磁場演化具有重要參考價值。

從“表面探測”到“深度探測”的銜接：祝融號的探測以地表巖石、土壤及淺層（地下80米內(nèi)）結(jié)構(gòu)為主，它搭載的次表層探測雷達(dá)（RoPeR）已獲取了著陸區(qū)地下分層信息（如沉積層序、石塊分布等），為理解淺地表結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。而未來火星探測需向更深層延伸（如尋找地下冰層、分析巖石剖面的化學(xué)分層），祝融號的地表與淺層數(shù)據(jù)將成為重要的“基準(zhǔn)參考”。其中，祝融號搭載的表面成分探測儀（MarSCoDe）積累了大量地表物質(zhì)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）和短波紅外光譜（SWIR）數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)識別出含水硫酸鹽、硅酸鹽等礦物成分，這些數(shù)據(jù)可作為“地面真值”，輔助校準(zhǔn)未來任務(wù)中“穿透式雷達(dá)”（如探測地下100米內(nèi)結(jié)構(gòu)）的解譯結(jié)果——雷達(dá)信號的異?？赡苡晌镔|(zhì)成分、密度或結(jié)構(gòu)差異引起，通過對比祝融號的地表礦物數(shù)據(jù)，可更可靠地判斷異常區(qū)域是冰層、鹽層還是空洞。此外，祝融號次表層雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的地下80米內(nèi)“沉積物-石塊混合層”，也為雷達(dá)探測的“淺層-深層”數(shù)據(jù)銜接提供了實測依據(jù)，幫助后續(xù)任務(wù)更準(zhǔn)確地劃分地下結(jié)構(gòu)層次。

從“探測”到“認(rèn)知”的跨越過程中，祝融號的科學(xué)成果不僅填補了中國在火星探測領(lǐng)域的空白，更推動了人類對火星的認(rèn)知深化。

從歷史維度看，祝融號發(fā)現(xiàn)的含水硫酸鹽礦物、鹽類富集硬殼層等證據(jù)，證實了烏托邦平原在亞馬遜紀(jì)早期（約16億年前）存在過持續(xù)的淺水環(huán)境，這為理解火星晚期水活動的范圍與機(jī)制提供了關(guān)鍵實證，也為探索“水-環(huán)境-宜居性”的關(guān)聯(lián)提供了新視角（注：目前尚未發(fā)現(xiàn)直接指向生命存在的證據(jù)，“生命存在可能性”仍屬科學(xué)推測）。

從機(jī)制維度看，通過結(jié)合原位磁場探測與國際磁測數(shù)據(jù)，其成果為揭示火星全球磁場消失后區(qū)域磁場殘留特征、水流失過程與地質(zhì)活動（如撞擊、風(fēng)力作用等）的關(guān)聯(lián)提供了實際存在的新依據(jù)，有助于深化對類地行星（尤其是宜居性演化）共性規(guī)律的理解。

從應(yīng)用維度看，祝融號獲取的地表輻射強度、土壤成分、淺表層結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，已構(gòu)建起著陸區(qū)的環(huán)境參數(shù)庫與資源潛力分布圖（如鹽類礦物分布與地下冰的間接線索），為未來載人探測的輻射防護(hù)、資源利用（如取水可行性評估）等提供了重要參考。

未來，在我國計劃于2028年前后發(fā)射的天問三號探測任務(wù)中，將通過兩次發(fā)射實現(xiàn)人類首次火星土壤與巖石樣本的自主采樣返回，為尋找火星生命跡象和深化行星科學(xué)研究提供核心樣本。天問三號將在天問一號的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)中國首個火星采樣返回任務(wù)，嘗試完整實現(xiàn)“著陸-采樣-返回”全流程的探測任務(wù)，有望在進(jìn)度上領(lǐng)先毅力號火星車。

從天問一號的成功著陸到天問三號的籌備，是中國火星探測技術(shù)從“跟跑”到“并跑”的跨越，也為人類共同探索宇宙未知奠定了堅實基礎(chǔ)——正如祝融號在火星表面留下的車轍，每一道印記都在書寫人類文明向深空邁進(jìn)的新篇章。對宇宙奧秘的探索永無止境，中國的探火任務(wù)必將書寫更多輝煌篇章。

計劃中的天問三號任務(wù)

科學(xué)家已經(jīng)初步篩選出86個天問三號的潛在著陸點，主要集中在克里斯平原和烏托邦平原區(qū)域。這些區(qū)域具有多樣的地質(zhì)環(huán)境，如古海岸線、三角洲、古湖泊和峽谷系統(tǒng)，是尋找生命信號的理想場所。

天問三號任務(wù)面臨巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，火星采樣需要精確的鉆探和樣品封裝技術(shù)；其次，從火星表面起飛需要研制新型上升飛行器；最后，樣品返回艙必須以極高的速度再入地球大氣層并安全著陸。如果成功，中國將成為首個完成火星采樣返回的國家。

同時，天問三號任務(wù)會進(jìn)一步加深國際合作，開放載荷資源共享、承諾數(shù)據(jù)與樣品與國際實驗室共享，并在載荷研發(fā)、數(shù)據(jù)分析、行星防護(hù)等方面達(dá)成與多個國家的合作。在天問一號的基礎(chǔ)上，天問三號不僅是中國邁向“行星文明”的關(guān)鍵一躍，更以開放共享的姿態(tài)，凝聚全球智慧探索火星奧秘。當(dāng)它于2028年啟程時，人類將前所未有地接近解答“火星是否存在生命”這一終極命題。

天問三號任務(wù)流程

任務(wù)包括兩次發(fā)射：一次發(fā)射的是軌道器-返回器組合體（ORC），由軌道器和返回器組成；另一次發(fā)射的是著陸器-上升器組合體（LAC），由著陸器、上升器和一架直升機(jī)組成。ORC將在火星近圓形軌道上運行，軌道傾角約為30°，高度為350千米，運行時間約為11個月。LAC將在火星地面運行，運行時間約為2個月?？茖W(xué)載荷將裝載在LAC上，對火星表面進(jìn)行科學(xué)探測。天問三號火星探測器的進(jìn)入、下降和著陸組件（EDL）將遵循與祝融號火星探測器成功著陸相同的程序。著陸器就位后，將保持靜止。在著陸點附近采集的目標(biāo)樣品將被打包裝入上升器，上升器將升空并與火星軌道上的返回器對接。

深空探測實驗室天問三號任務(wù)示意圖

著陸器配置為鉆取和鏟取有效載荷進(jìn)行生物特征分析。無人機(jī)將被部署在距離著陸器更偏遠(yuǎn)的地區(qū)進(jìn)行巖石采樣（操作范圍：100米）。所有的樣本都上升到軌道器上。右下角的分層結(jié)構(gòu)突出了火星風(fēng)化層中潛在的成分分層。計劃采樣火星表面和次表層樣品共500克左右。

作者簡介

劉洋

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員、博士生導(dǎo)師。國家級領(lǐng)軍人才，中國探月四期首席科學(xué)家助理。研究成果入選央視2022年度中國十大科技新聞，獲空間科學(xué)領(lǐng)域“最美科技工作者”榮譽稱號、北京市科學(xué)技術(shù)獎自然科學(xué)二等獎。

王夕予

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心博士后。主要研究方向為實驗?zāi)M及分析火星表面水的活動，也涉及太陽系其他星體如金星、小行星、冰衛(wèi)星表面水參與的地球化學(xué)過程。多次參與我國不同行星任務(wù)的數(shù)據(jù)解譯、圖像分析及行星表面地質(zhì)歷史反演等工作。

本文摘編自《科學(xué)世界》雜志2025年第12期，文章內(nèi)容略有刪改。

新媒體編輯 | 周濛