張榮橋，耿言,*，孫澤洲，李東，鐘文安，李海濤，崔曉峰，劉建軍

1.探月與航天工程中心，北京 100190 2.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094 3.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076 4.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，西昌 615099 5.北京跟蹤與測控通信技術(shù)研究所，北京 100094 6.北京航天飛行控制中心，北京 100094 7.中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100101

火星是太陽系中環(huán)境與地球最為相似的行星，可能保存著太陽系生命起源的時間和行星演化中災(zāi)難性變化的最好記錄，對研究地球起源與演化具有非常重要的比較意義，是探尋地外生命、探索生命起源與演化等重大科學(xué)問題最有價值的目標(biāo)之一；而且火星距離地球較近，是人類有望率先登陸的地外行星，因此一直是國際行星探測的重點目標(biāo)，是除月球外人類探索最多的地外天體。

火星探測始于20世紀(jì)60年代。迄今，蘇/俄、美國、日本、歐空局、印度、阿聯(lián)酋、中國等7個國家(組織)發(fā)射過火星探測器。蘇聯(lián)于1960年發(fā)射的“火星1960A”是人類第1次向火星發(fā)射探測器；美國隨后于1964年發(fā)射其第1個火星探測器“水手3號”；日本、歐空局和印度分別于1998年、2003年、2013年首次實施，阿聯(lián)酋和中國于2020年發(fā)射首個火星探測器。以上共計實施了47次任務(wù)，其中，美國22次，蘇/俄19次，歐空局2次，日本、印度、阿聯(lián)酋和中國各1次。這些任務(wù)，成功和部分成功共25次，成功率約53%。

目前，在技術(shù)上對火星已實現(xiàn)掠飛、環(huán)繞、著陸、巡視探測，其中火星著陸難度最大，至今共實施22次，成功10次。美國實施10次，成功9次；蘇/俄實施9次，僅1次著陸在火星表面，但僅存活了幾分鐘，通信就中斷了；歐空局實施2次，均失敗。難度更大的火星采樣返回和載人探測仍有待突破。

中國首次火星探測(天問一號)任務(wù)起點高、跨越大，環(huán)繞、著陸、巡視3大目標(biāo)互相耦合程度深，系統(tǒng)極其復(fù)雜，任務(wù)實施前無實際飛行經(jīng)驗，無一手環(huán)境數(shù)據(jù)，風(fēng)險挑戰(zhàn)巨大，是中國深空探測領(lǐng)域技術(shù)跨度最大、創(chuàng)新性最強的航天工程。

天問一號任務(wù)，在國際上首次通過一次發(fā)射實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視的3大目標(biāo)，對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測，在火星表面開展區(qū)域巡視探測。工程圓滿成功邁出了中國行星探測征程的第一步，實現(xiàn)了中國航天器從地月系到行星際飛行的跨越，在火星上首次留下中國人的印跡，這是中國航天事業(yè)發(fā)展的又一具有里程碑意義的進展，一舉使中國在行星探測領(lǐng)域進入世界先進行列。

1 任務(wù)概況

天問一號探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器構(gòu)成，著陸巡視器由進入艙和火星車組成。于2020年7月23日12時41分，采用長征五號運載火箭，在文昌航天發(fā)射場零窗口發(fā)射，精準(zhǔn)進入地火轉(zhuǎn)移軌道。

與火箭分離后，探測器經(jīng)過4次中途修正、1次深空機動，飛行202天，行程4.75×10km，于2021年2月10日與火星交會。在近火點成功實施火星捕獲制動，進入近火點高度400 km、遠火點高度1.82×10km、傾角11°、周期約10個地球日的捕獲軌道，成為中國第1顆人造火星衛(wèi)星。

捕獲后，探測器經(jīng)過數(shù)次軌道調(diào)整，進入近火點280 km且位于著陸點上空、遠火點5×10km、傾角87°、周期2個火星日的停泊軌道。利用高分辨率相機對預(yù)選著陸區(qū)開展了93天的地形地貌詳查，進一步確認著陸地形的安全性。在此期間，環(huán)繞器科學(xué)載荷開機，測試正常。

2021年5月15日凌晨，探測器實施降軌機動，進入火星進入軌道并為著陸巡視器建立進入姿態(tài)。著陸前約3 h，著陸巡視器與環(huán)繞器分離。環(huán)繞器隨即升軌，返回停泊軌道。著陸巡視器繼續(xù)彈道飛行，在距離火星表面125 km處進入火星大氣，通過氣動外形、降落傘、發(fā)動機反推等多級減速和著陸緩沖機構(gòu)緩沖，于當(dāng)日7時18分軟著陸于火星烏托邦平原南部(109.9°E，25.1°N)。從進入大氣到完成著陸歷時約9 min，總減速量約4.8 km/s。著陸后，“祝融號”火星車隨即自主完成桅桿、太陽翼、天線等設(shè)備展開，建立工作狀態(tài)，并直接對地傳回成功著陸信息。之后，進行著陸點環(huán)境感知，確認駛離條件滿足任務(wù)要求。

2021年5月17日，環(huán)繞器由停泊軌道進入周期8.2 h的中繼軌道，為火星車建立中繼通信。

2021年5月22日10時40分，火星車駛離著陸平臺，踏上火星表面，行走0.522 m。5月26日，火星車行駛到著陸平臺東偏南約6 m處，拍攝了著陸平臺影像；6月1日，火星車行駛至著陸平臺南側(cè)約10 m處，釋放分離相機，拍攝了火星車后退移動影像及與著陸平臺的合影；在此期間，火星車科學(xué)載荷全部開機，正常工作，火星車的巡視探測功能全部得到驗證。

2021年6月11日，國家航天局發(fā)布天問一號探測器著陸火星首批科學(xué)影像圖，宣布首次火星探測工程取得圓滿成功。

火星車著陸點的南部區(qū)域據(jù)科學(xué)家推測為火星古海陸交界地帶，地貌豐富，科學(xué)研究價值較高，科學(xué)研究團隊決策讓火星車向南行駛，開展巡視探測。

至2021年8月15日，火星車完成90個火星日的既定探測任務(wù)，通過6臺科學(xué)載荷，獲取行駛區(qū)域地形地貌影像，行駛路徑上的磁場分布和地下剖面結(jié)構(gòu)信息，土壤、沙丘、巖石等典型地物成分信息，氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象信息，總共約10 GB原始科學(xué)數(shù)據(jù)。

2021年10月上旬，探測器進入火星日凌影響階段。受太陽噪聲影響，探測器與地面通信質(zhì)量下降，環(huán)繞器和火星車暫停了科學(xué)探測，通過自主運行保證安全和健康。順利度過日凌后，環(huán)繞器于11月8日進入遙感使命軌道，開始火星全球遙感探測，通過7臺科學(xué)載荷，獲取火星空間環(huán)境、地形地貌、表面物質(zhì)成分、次表層剖面結(jié)構(gòu)等信息。同時，兼顧為火星車提供中繼通信。

2 突破性成就

首次火星探測任務(wù)實現(xiàn)了中國航天從地月系到行星際探測的跨越，特色突出，難度顯著。一是任務(wù)起點高，技術(shù)跨度大，中國首次火星探測跨越了國外幾十年的火星探測發(fā)展歷程，一步進入到國際火星探測先進行列；二是任務(wù)環(huán)境新，不確定性大，尤其是制約火星著陸成敗的大氣環(huán)境缺乏第一手數(shù)據(jù)，為探測器的設(shè)計和研制帶來很大挑戰(zhàn)；三是關(guān)鍵環(huán)節(jié)多，固有風(fēng)險大，3大目標(biāo)串行實現(xiàn)，環(huán)環(huán)相扣，特別是著陸過程在9 min之內(nèi)自主完成10多個模式切換和分離動作，每個動作執(zhí)行結(jié)果都直接影響任務(wù)成??；四是環(huán)境模擬難，試驗難度大，火星環(huán)境與地球差異很大，地面很難完全模擬，許多試驗方法本身就是工程難題；五是飛行距離遠，資源約束大，在火星軌道上接收的通訊信號強度比地月距離通訊衰減了10倍，在火星表面接收到太陽光強度僅為地球處的約1/3，大大制約了探測器的能力；六是研制周期緊，進度風(fēng)險大，受天體運行規(guī)律的約束，火星探測每隔26個月才有一次發(fā)射機會，不容錯過。

針對這些特點和難點，在有關(guān)各方的大力支持下，集中全國各方面的科研力量，集智攻關(guān)，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，取得了大量創(chuàng)新成果，主要體現(xiàn)在以下8個方面。

2.1 國際上首次一步實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視

相比國際深空探測的發(fā)展，中國月球探測起步晚，火星探測起步更晚，在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越發(fā)展是中國航天發(fā)展的迫切需要?；谥袊教旃I(yè)的基礎(chǔ)實力，大膽創(chuàng)新、審慎研究，提出了通過一次任務(wù)實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測的總體方案。

任務(wù)設(shè)計面臨的突出問題是3個任務(wù)目標(biāo)相互耦合下全局最優(yōu)設(shè)計?；鹦黔h(huán)繞探測需要的軌跡漂移覆蓋與巡視探測數(shù)據(jù)中繼需要的軌跡回歸需求相互制約，火星著陸時機選擇與環(huán)繞階段遙感探測成像條件相互關(guān)聯(lián)，火星捕獲設(shè)計不僅受到運載發(fā)射能力和二級滑行時間等條件制約，也直接影響到著陸當(dāng)天的能源與通訊條件。這些發(fā)射、環(huán)繞、著陸、巡視等條件的強耦合關(guān)系，使得這次任務(wù)的軌道設(shè)計和飛行方案十分復(fù)雜。

為解決多任務(wù)強耦合問題，攻克了基于火星軌道漂移特性的捕獲、進入、中繼、遙感多任務(wù)多目標(biāo)的軌道設(shè)計方案與關(guān)鍵技術(shù)，匹配和銜接了多任務(wù)飛行各階段的需求，并對捕獲安全、進入安全2個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了重點保證。

2.2 首次實現(xiàn)中國地球雙曲線逃逸軌道發(fā)射

地球與火星公轉(zhuǎn)的會合周期為687天，理論上每個會合周期內(nèi)僅有一個最佳發(fā)射時刻(所需能量最小)，考慮海南夏季臺風(fēng)頻發(fā)的氣候和短臨不利氣象條件對火箭發(fā)射的影響，綜合運載火箭與探測器對發(fā)射窗口的適應(yīng)性(運載能力一定的前提下，發(fā)射窗口越寬，探測器需攜帶的推進劑越多，相應(yīng)自身重量資源越少)，確定了連續(xù)14天、每天30 min的發(fā)射要求。運載火箭系統(tǒng)采用每天連續(xù)3條彈道、每條彈道對應(yīng)10 min發(fā)射窗口的窄窗口、多彈道的技術(shù)方案，發(fā)射場系統(tǒng)采用連續(xù)長周期特燃特氣迭代保障等措施，提高發(fā)射準(zhǔn)備可靠性。

為了保證多窗口下可靠發(fā)射，首次采用固定射向、固定基礎(chǔ)級飛行時序、固定滑行時間的創(chuàng)新彈道設(shè)計，保證火箭飛行程序、彈道特征點參數(shù)嚴(yán)格一致，實現(xiàn)42條彈道共用一套控制系統(tǒng)參數(shù)(非迭代制導(dǎo)段)，顯著降低了系統(tǒng)諸元設(shè)計、生成、驗證難度，極大提升和保障了發(fā)射可靠性。同時共用一組航落區(qū)、一個安全管道，箭下點橫向、縱向散布減小2/3以上，為上升段測控、航落區(qū)安全保障創(chuàng)造更好的條件。

地球衛(wèi)星和探月任務(wù)發(fā)射的目標(biāo)軌道為橢圓軌道，器箭分離前火箭采用半長軸關(guān)機方案，控制參數(shù)滿足單調(diào)、連續(xù)變化的控制要求。但對于行星探測任務(wù)發(fā)射，目標(biāo)軌道為雙曲線地球逃逸軌道，半長軸參數(shù)在軌道由橢圓變?yōu)殡p曲線的瞬間發(fā)生突變，不滿足關(guān)機控制要求。首次采用基于地球逃逸軌道能量C關(guān)機控制方案，首次實現(xiàn)中國運載火箭以第二宇宙速度高精度進入雙曲線軌道的發(fā)射，實際入軌精度折算為速度增量，偏差僅有10量級，為后續(xù)行星探測發(fā)射實施創(chuàng)立新規(guī)范。

2.3 首次實現(xiàn)中國航天器行星際飛行

與地月轉(zhuǎn)移飛行相比，行星際飛行距離遠、時間長、環(huán)境變化大、狀態(tài)變化多、攝動因素雜、自主要求高，軌道設(shè)計和飛行控制的復(fù)雜程度顯著提高。探測器系統(tǒng)攻克了高精度高可靠飛行控制、大時延下自主管理和自主導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)，將中國航天器的飛行到達能力拓展到了行星際空間。

在地火轉(zhuǎn)移階段，為了最大限度地發(fā)揮運載火箭發(fā)射能力，采用了“深空機動+短轉(zhuǎn)移”的地火轉(zhuǎn)移軌道技術(shù)。在運載火箭發(fā)射傾角、二級火箭二次點火滑行時間范圍的約束下，采用雙重蘭伯特方法求解不同發(fā)射窗口下的深空機動執(zhí)行時機和速度增量解集，確定其中發(fā)射能力和火星捕獲能量綜合最優(yōu)的轉(zhuǎn)移方案，使得火星捕獲后探測器剩余燃料最大。

在火星捕獲和環(huán)火運行段，采用最優(yōu)捕獲控制技術(shù)，在實現(xiàn)安全捕獲的條件下，同時滿足了后續(xù)火星進入條件、火星遙感成像條件和測控弧段需求；突破了環(huán)繞器遙感使命軌道設(shè)計技術(shù)，利用火星環(huán)繞軌道近火點漂移特性保證在1個火星年內(nèi)實現(xiàn)全球覆蓋，通過合理的軌道回歸特性設(shè)計，兼顧了火星車中繼通信需求，并在國際上首次采用UHF/X雙頻段中繼技術(shù)，進一步增加中繼通信機會和帶寬，大大提高了火星車拓展任務(wù)階段的探測效率。

根據(jù)任務(wù)總體方案，制定了包含9次軌道機動、30余次軌道修正的飛行方案，設(shè)定了巡航、對火、中繼、變軌等9種飛行姿態(tài)，覆蓋了地火轉(zhuǎn)移、捕獲軌道、停泊軌道、進入軌道、中繼軌道、遙感軌道等6類軌道，成功實現(xiàn)中國迄今最為繁難的飛行任務(wù)，為中國航天器行星際飛行探索了新經(jīng)驗。

2.4 首次實現(xiàn)中國地外行星軟著陸

與地球再入相比，火星進入、下降、著陸(EDL)整體減速效率低，減速高程緊張。因此首次火星著陸任務(wù)采用了“氣動減速-傘降減速-動力減速-著陸緩沖”四級串聯(lián)減速技術(shù)路線，并在主氣動減速段采用“彈道-升力式”的控制方式，以提高對火星大氣環(huán)境、入口點參數(shù)和氣動特性的偏差容忍度，實現(xiàn)更高的落點精度。針對首次火星著陸任務(wù)設(shè)計中面臨的多學(xué)科交叉和耦合難題，建立了設(shè)計迭代改進流程和多學(xué)科綜合優(yōu)化方法，在全面掌握EDL相關(guān)分系統(tǒng)的性能邊界和故障容限基礎(chǔ)上，優(yōu)化、提高了系統(tǒng)應(yīng)對故障工況和進入條件極限拉偏下的安全著陸能力。

火星大氣中二氧化碳介質(zhì)對氣動力、熱影響的機理研究基礎(chǔ)薄弱，國外火星大氣研究文獻數(shù)據(jù)零散，為此在對國內(nèi)氣動力熱風(fēng)洞設(shè)施進行改造基礎(chǔ)上，開展了火星大氣二氧化碳介質(zhì)化學(xué)非平衡對氣動力和熱燒蝕機理的工程科學(xué)研究和試驗驗證，建立了全空域/速域氣動力熱數(shù)據(jù)庫，開創(chuàng)了火星氣動研究新領(lǐng)域。結(jié)合調(diào)研資料和機理研究的成果，合理確定了著陸過程大氣環(huán)境約束，并設(shè)計了高彈道系數(shù)的全新短鈍體進入艙氣動外形。研制新型輕質(zhì)防熱材料，并在國際上首次采用超音速可展開配平翼技術(shù)，以很小重量代價(約為國外同類任務(wù)的1/10)解決了半彈道式進入配平攻角不利于降落傘開傘的問題。通過對EDL過程的飛行數(shù)據(jù)辨識和反演，實際飛行氣動特性在設(shè)計偏差帶范圍內(nèi)。

火星大氣稀薄，氣動減速剩余速度過高，進入艙必須在超音速條件下開傘，為解決短鈍體外形跨音速段氣動穩(wěn)定性差的問題，降落傘首次采用大幅面鋸齒形“盤-縫-帶”傘。針對超音速、低密度條件下開傘速度快、載荷大、傘衣形態(tài)劇烈變化的特點，突破輕質(zhì)高強度降落傘設(shè)計與制造、高密度包傘、高速低沖擊彈射等關(guān)鍵技術(shù)，研制了中國面積最大、重量最輕、承載能力最高的超音速降落傘。

為克服超音速開傘、防熱大底彈射分離等EDL過程的大沖擊、高動態(tài)環(huán)境影響，發(fā)展了多信息融合智能決策導(dǎo)航技術(shù)，在大動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)了高精度、高容錯導(dǎo)航，攻克了導(dǎo)航基準(zhǔn)重構(gòu)技術(shù)，消除了導(dǎo)航基準(zhǔn)丟失帶來的著陸風(fēng)險。

降落傘減速完成后，進入艙在距離火星表面約1.5 km高度轉(zhuǎn)入動力減速，采用首次研制的中室壓變推力發(fā)動機實施減速和平臺規(guī)避機動。動力減速過程中，通過新一代測距測速微波雷達、相控陣?yán)走_和激光三維避障敏感器，實時感知器下點地形地貌，自主選擇安全落點；采用基于干擾辨識和前饋補償?shù)淖塑壱惑w化控制技術(shù)，實現(xiàn)動力下降過程推力方向的快速指向和軌跡高效高精度控制，實現(xiàn)落區(qū)的智能自主避障。

天問一號成功實現(xiàn)了火星軟著陸，實際著陸精度達到千米量級，建立了匹配、協(xié)調(diào)的指標(biāo)體系，全面掌握了火星EDL技術(shù)路線以及相關(guān)分系統(tǒng)和產(chǎn)品核心技術(shù)。

2.5 首次實現(xiàn)中國地外行星表面巡視

火星表面巡視主要面臨的困難是在火星表面復(fù)雜地貌和氣象條件下，安全、高效地開展移動和探測。

為提高移動脫困能力，在國際上首次采用主動懸架火面移動技術(shù)，解決國外火星車在軌曾經(jīng)發(fā)生車體托底、車輪故障拖行、車輪沉陷無法脫困、松軟坡道爬坡能力不足等問題，實現(xiàn)蠕動脫困和爬坡、抬輪移動、蟹行運動等特殊脫困功能。

針對火星表面弱光照、有風(fēng)情況下對流漏熱以及最低可達-123 ℃的極低溫等特殊環(huán)境，突破了高效率太陽電池火星光譜匹配、除塵涂層、新型大功率最大峰值功率跟蹤(MPPT)控制等新技術(shù)，實現(xiàn)供配電系統(tǒng)功率密度提升約30%；突破熱能收集存儲與利用、納米氣凝膠隔熱等太陽能高效收集利用和散失控制技術(shù)，達到單個火晝可收集1 200 Wh熱量、隔熱等效熱導(dǎo)系數(shù)小于0.015 W/(m·K)的水平。

針對火星車無法與地球?qū)崟r通信的問題，為自主高效開展巡視探測，突破火星車自主移動技術(shù)，實現(xiàn)雙目視覺圖像匹配與地形重構(gòu)、高精度視覺定位，復(fù)雜地形導(dǎo)航單元智能規(guī)劃、多約束任務(wù)規(guī)劃等功能。為了確保自主運行的能源、通信、熱控等安全，實現(xiàn)了長期在無地面控制情況下，火星車針對環(huán)境變化的自判斷、自保護、自恢復(fù)等自適應(yīng)功能，大大拓展火星車火面生存能力。

火星車于2021年8月15日順利完成90個火星日的既定探測目標(biāo)，繼續(xù)開展拓展任務(wù)，各方面狀態(tài)仍然十分良好。相比以往巡視任務(wù)，其機動、脫困，能源利用，自主管理，火面生存等能力和水平跨上一個新臺階。

2.6 首次實現(xiàn)中國行星際測控通信

為實現(xiàn)4×10km的遠距離測控和通信，在增強探測器和地面測控設(shè)施能力兩方面開展技術(shù)攻關(guān)。

1) 增強探測器

突破了高靈敏度大動態(tài)碼率自適應(yīng)測控應(yīng)答機技術(shù)，實現(xiàn)極低信噪比下快速載波捕獲跟蹤以及解調(diào)，接收靈敏度優(yōu)于-157 dBm(優(yōu)于國外-156 dBm 的指標(biāo))，縮短捕獲時間超過95%；突破多體制深空中繼通信技術(shù)，國際首次實現(xiàn)深空探測X頻段鏈路中繼通信，與UHF頻段中繼鏈路配合，實現(xiàn)在中繼軌道近火點和遠火點雙節(jié)點的自適應(yīng)中繼通信，將中繼數(shù)據(jù)量提升至500 Mbit/日，有效突破火星車對地數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，為火星車高效探測創(chuàng)造良好條件。

2) 地面測控設(shè)施能力

(1) 地面通信設(shè)施方面:突破多天線組陣弱信號接收處理系統(tǒng)技術(shù)，在喀什新建3面35 m口徑天線，與原有1面35 m口徑天線組成多天線組陣弱信號接收處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了多普勒動態(tài)范圍170 kHz、32 bps極低碼速率的解調(diào)，G/T值達到56.5 dB/K，與美國70 m單口徑天線G/T值相當(dāng)；在天津武清研制建設(shè)了亞洲最大的全可動天線——70 m口徑天線，指向精度達到了7.2角秒，X頻段天線效率達到72.1%(俯仰44°)，超過美國70 m天線最高68.7%的效率指標(biāo)；通過70 m 天線和已有的北京密云50 m、40 m及昆明40 m口徑天線進行異地組陣，達到等效口徑103 m 的接收能力，成功實現(xiàn)2.6×10km,4 Mbps、4×10km,2 Mbps碼速率數(shù)據(jù)接收，優(yōu)于國外火星探測最大下行碼速率4 Mbps(1×10km)和1 Mbps(4×10km)的水平。

(2) 測定軌技術(shù)方面:突破了行星際空間精密定軌與預(yù)報技術(shù)，開環(huán)測速精度達到0.05 mm/s(1 s積分)，甚長基線干涉測量(VLBI)時延精度達到0.1 ns，使得地火轉(zhuǎn)移段測定軌精度達到2 km，環(huán)火段測定軌精度達到1 km，達到國際先進水平。為火星捕獲、著陸進入的精確控制提供了基礎(chǔ)保證。

這些新技術(shù)突破為后續(xù)任務(wù)測控通信能力建設(shè)和任務(wù)實施創(chuàng)立新標(biāo)準(zhǔn)。

2.7 首次獲取中國一手火星科學(xué)探測數(shù)據(jù)

天問一號任務(wù)攜帶了13臺高性能科學(xué)載荷，其中環(huán)繞器7臺，開展火星全球維度的科學(xué)普查；火星車6臺，開展火星表面局部維度的重點詳查。通過兩器的配合，首次實現(xiàn)火星空間遙感、近距離遙感、接觸式多維度探測，獲取了火星電場、磁場、光譜、大氣、粒子、形貌、成分等多要素第一手科學(xué)數(shù)據(jù)。

通過環(huán)繞器火星礦物光譜分析儀和火星車表面成分探測儀，獲取了火星表面物質(zhì)成分信息。通過環(huán)繞器和火星車次表層探測雷達，獲取了火星土壤的結(jié)構(gòu)信息，包括厚度、分層情況等，并在火星淺表層探尋水冰。通過環(huán)繞器高分辨率相機、中分辨率相機和火星車導(dǎo)航地形相機，獲取了火星地形地貌信息，結(jié)合水相地貌信息，通過火星車表面成分探測儀，尋找碳酸鹽類礦物或赤鐵礦、層狀硅酸鹽、含水硫酸鹽、高氯酸鹽礦物等風(fēng)化成因礦物，研究水變質(zhì)對這些礦物形成的影響，建立火星表面水相環(huán)境和次生礦物種類的聯(lián)系，尋找火星歷史上液態(tài)水存在的環(huán)境條件。通過環(huán)繞器磁強計、離子與中性粒子分析儀、能量粒子分析儀，獲取磁場與粒子的聯(lián)合探測信息，系統(tǒng)研究火星大氣、電離層及其與太陽風(fēng)的相互作用。通過火星車表面磁場探測儀與環(huán)繞器磁強計相互配合，探測研究火星空間磁場、電離層電導(dǎo)率等特性、電離層及磁鞘磁場小尺度結(jié)構(gòu)及其動態(tài)變化過程。

科學(xué)載荷的功能、性能指標(biāo)普遍達到、部分指標(biāo)優(yōu)于國際先進水平，獲取了高精度、高指標(biāo)的豐富科學(xué)數(shù)據(jù)，為取得原創(chuàng)性科學(xué)成果奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2.8 首次實現(xiàn)中國火星環(huán)境建模與模擬驗證技術(shù)

針對火星環(huán)境不確知、無一手資料的難題，廣泛調(diào)研國外火星環(huán)境研究成果、環(huán)境模型和任務(wù)飛行數(shù)據(jù)，充分調(diào)動國內(nèi)優(yōu)勢研究力量開展相關(guān)工程科學(xué)研究和文獻數(shù)據(jù)比對校驗，考慮多種偏差來源，開展多模型、多工況分析計算，合理選取環(huán)境條件包絡(luò)線，形成一套適用于火星探測器工程研制的火星空間環(huán)境和表面環(huán)境規(guī)范。

針對火星與地球環(huán)境差異巨大，難以進行地面模擬開展驗證試驗的問題，著力開展試驗方法攻關(guān)，通過改造火星氣氛風(fēng)洞、研制新型試驗火箭彈，利用多類多型飛機搭建試驗平臺、建設(shè)著陸懸停綜合試驗設(shè)施，尋找火星類似地貌等多種手段，突破了模擬超音速低密度條件的開傘驗證、模擬有風(fēng)低氣壓熱環(huán)境的熱平衡試驗、模擬高溫和動載荷環(huán)境的結(jié)構(gòu)承載試驗、模擬火星重力條件的動力下降著陸全系統(tǒng)驗證試驗、模擬火星大氣介質(zhì)影響的風(fēng)洞下測力/測熱試驗，以及EDL過程綜合建模設(shè)計與數(shù)字模擬等技術(shù)，在地面對探測器功能和性能進行了全面驗證和考核。顯著提升行星環(huán)境建模和模擬能力，建立一套行星環(huán)境不確知情況下，可靠開展環(huán)境建模的方法，以及在地面開展行星環(huán)境模擬試驗的方法，建設(shè)、改造了一批試驗設(shè)施，為后續(xù)行星探測創(chuàng)立新基礎(chǔ)。

3 結(jié)論與展望

天問一號任務(wù)實現(xiàn)了中國行星探測零的突破，獲取了一手火星探測科學(xué)數(shù)據(jù)，帶動了國內(nèi)行星科學(xué)研究取得顯著進步，成功開啟了中國行星探測的新征程。

天問一號任務(wù)的實施，構(gòu)建了中國獨立自主的行星探測基礎(chǔ)工程體系，包括設(shè)計、制造、試驗、飛行任務(wù)實施、科學(xué)研究、工程管理以及人才隊伍，所突破的多目標(biāo)復(fù)雜任務(wù)總體設(shè)計、地球逃逸軌道發(fā)射、行星際飛行與行星捕獲控制、稀薄大氣天體進入下降著陸、火星表面操控、遙感和就位探測科學(xué)載荷、遠距離測控通信、特殊環(huán)境建模與地面模擬試驗等關(guān)鍵技術(shù)和取得的行星探測實踐經(jīng)驗，為后續(xù)小行星探測、火星取樣返回、木星系及行星穿越任務(wù)的實施奠定了堅實的工程基礎(chǔ)。