汪毓明，张铁龙，申成龙，郝新军，李毅人，刘凯，陈满明，潘宗浩

中国科学技术大学期刊中心和中国科学技术大学科学技术协会联合出品

 编者按：5月15日7时18分，天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。穿越星河，我们终于抵达宇宙更深处。习近平在贺电中指出，天问一号探测器着陆火星，迈出了我国星际探测征程的重要一步，实现了从地月系到行星际的跨越，在火星上首次留下中国人的印迹，这是我国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展。

中国科学技术大学是我国深空探测中首个独立承担单机级科学载荷任务的高校，其研制的火星环绕器有效载荷火星磁强计，随“天问一号”成功发射。火星磁强计将与其他环绕器有效载荷一起，为全面研究火星磁场、空间和大气环境打开大门，在人类探索火星的征途上，贡献科大团队的智慧和力量。

火星，古称“荧惑”，因表面遍布赤铁矿而在夜空中呈现橙红色。火星是太阳系的八大行星之一，是除金星之外，距离地球最近的行星，也是人类除地球之外了解最多的行星。人类对火星有着特殊的好感，火星赤道平面与公转轨道平面的交角非常接近于地球，这使它也有类似于地球的四季交替，火星的自传周期为24小时37分，这使火星上的一天几乎和地球一样长。同时，火星的元素组成和地球极为相似。

 图1：火星和地球的基本参数对比图

 图2：地球和火星行星元素对比图

深空探测，能帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状，进一步认识地球宜居环境的形成和演变，认识空间现象和地球自然系统之间的关系。从长远来看，对未来深空的开发和利用具有十分重要的科学和经济意义。深空和行星将是21世纪人类进行空间资源开发与利用、空间科学与技术创新的重要区域。

除地球外，火星是人类探测次数最多的行星。自20世纪60年代后，人类开始有计划的向火星发射探测器，不断揭开这颗令人充满好奇的星球。虽然火星探测技术难度高，存在着被称为“火星诅咒”（Mars Curse）的极高失败率，依然没能击退人类探测火星的热情。火星探测主要是采用多种手段对火星磁层、电离层和大气层、火星地形、地貌、表面物质组成与分布，以及地质特征与构造进行探测，对火星空间环境、内部结构、成分及火星的起源与演化进行深入而全面的分析和研究。特别的，鉴于火星现在的地质活动十分微弱，表面依然残存着几十亿年前的证据。如果火星上存在过生命，那么生命起源时的各种化学活动的迹象就可能保存至今。这些研究最终将向我们揭示类地行星的形成演化以及生命物质的起源等一系列重大科学问题。

图3：人类对火星已经进行了多达50次探测，由于探测难度大，探测器成功到达火星的概率仅约一半

火星与地球的轨道会合周期为780天，即地火两星每隔780天出现一次最短间距，因此火星探测器的发射窗口相隔约26个月。作为窗口年的2020年，是一个热闹的火星探测年。7月20日，阿联酋的“希望号”（Al-Amal）火星探测器发射升空，拉开了年度火星探测的序幕。随后，7月23日我国首颗独立设计制造的火星探测器“天问一号”顺利发射，拟对火星开展综合性探测，研究火星空间环境、大气环境、地表环境和内部构造，了解火星的现状和演化历史^{[1, 2]}。7月30日，美国发射了“毅力号”（Perseverance）火星车，开启了对火星上微生物的搜寻。

2020年7月23日，我国“长征五号”大型运载火箭成功将“天问一号”送入预定轨道，正式开启中国首次探火之旅。“天问一号”经过近7个月地火空间的飞行，经过地面技术人员不断修正探测器的飞行方向，在2021年2月10号成功被火星引力场捕获，顺利进入火星轨道，开始环火飞行。

 图4：火星探测器地火转移轨道飞行示意图

图5：（左）中国首次火星探测任务标识；（右）“天问一号”火星探测器环绕火星想象图

“天问一号”火星探测任务的最大亮点是通过一次发射就实现火星环绕、着陆和巡视三大任务，即一次性完成“绕落巡”，这在人类火星探测史是一次勇敢的尝试。

图6：“天问一号”实物图

火星磁强计，作为火星环绕器上七大载荷之一^[3]，由中国科学技术大学承担研制。中国科学技术大学是我国深空探测任务中首个独立承担单机级科学载荷研制任务的高校。中国科学技术大学于2016年4月正式启动火星探测火星磁强计项目，在国家国防科技工业局和中国科学技术大学的大力支持下，地球和空间科学学院的空间有效载荷研制团队承担具体研制任务。该团队作为核心单元同时也获得了中国科学院近地空间环境重点实验室和中科院比较行星学卓越创新中心的大力支持。

磁强计是用来测量磁感应强度的传感器，在工业、农业、交通运输、国防、航空航天、海洋、气象、医疗卫生等领域均有广泛应用。在外层空间探测中，它被用来进行天体运行、演变及其周围环境的磁场检测；而在卫星姿态测控中，可通过磁强计测量空间磁场来提供卫星姿态信息。有资料显示早在二千多年前，中国人就开始使用天然磁石来指示方向，磁强计最早可追溯到我国古代四大发明之一的指南针。

图7：（左）最早发明于汉朝（206 BC）的罗盘；（右）地磁场示意图

“天问一号”火星磁强计的主要功能为获取火星空间磁场环境高精度数据，主要科学探测任务包括全面准确地测量火星空间边界层，探测火星南部局地岩层的剩磁及火星感应磁场，研究近火空间处的行星际等离子体和行星际磁场状态，同时还将结合其他相关仪器对火星大气中的粒子逃逸和太阳风与火星电离层的相互作用过程等问题开展研究^[4]。

图8：Mars Global Surveyor在近火点附近测量的磁场方向及强度

（https://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2005/mgs_plates.html)

“天问一号”火星磁强计系统组成见下图，由两个磁通门传感器探头、一个电子学箱和一套伸杆机构组成。两个探头均安装在伸杆机构的伸展杆上，其中外侧探头安装在伸展杆的顶端（远离环绕探测器本体），内侧探头安装在伸展杆中部位置；伸杆机构安装在环绕器舱板外侧；电子学箱安装在环绕器舱板内侧靠近伸杆机构的位置。

图9：（上）“天问一号”火星磁强计正样实物图；（下）“天问一号”火星磁强计传感器

图10：（左）“天问一号”火星磁强计伸杆闭合示意图；（右）“天问一号”火星磁强计伸杆展开示意图

“天问一号”火星磁强计将在整个火星卫星轨道阶段的任务中提供精确的近火空间矢量磁场观测，数据采样率采用1Hz、32Hz和128Hz可选模式。在传统的空间探测任务中，为了获取精确的空间磁场信息，单靠磁强计是不够的，还需要保证卫星平台对磁传感器（探头）没有任何磁干扰。为了达到这个要求，通常有两种解决方案：1）通过非常严格的卫星平台磁控，达到卫星平台的磁洁净指标要求；2）在卫星平台上加载一个很长的伸杆，让磁传感器远离卫星平台，即远离干扰源。这两种解决方案都需要极高的代价。完整的卫星平台磁控处理极其耗时，并且价格昂贵。而加载长伸杆意味着重量的增加和价格的提高，同时长伸杆展开后可能会对卫星平台或者其它载荷带来影响。本次火星磁强计与以往空间探测中磁场探测载荷不同之处在于平台环境复杂，没有磁洁净，磁传感器伸杆短。这将产生比以往同类卫星平台更大的磁场干扰，给磁场观测带来更大难度。火星磁强计双传感器设计方案可以利用在轨标定方法，消除卫星本底产生的干扰磁场，从而得到“纯净”的空间矢量磁场数据，为国家节约经费。

图11：“天问一号”火星环绕器磁通门磁强计观测计划

“天问一号”火星磁强计将与其他有效载荷一起，为全面研究火星磁场、空间和大气环境打开大门。我们期待磁通门磁强计为我们传回更多有效的数据，让我们对火星更好地进行科学研究。

 笔者按：在这条人类前往火星的道路上，人们饱含勇敢、机智、好奇和毅力，求知问天，在星辰大海中留下人类奋进和不屈的足迹。

 回顾我国自主火星探测任务的历程，“天问一号”首任首席科学家、中国科学院院士万卫星研究员高瞻远瞩，在他的带领和多方协作下，2010年11月中国科学院第一次火星探测工程工作方案研讨会在中科大成功举办，开启了我国自主火星探测的序幕。在我们火星磁强计的研制乃至科大行星科学发展的过程中，万卫星院士给予了全方位的关心、指导和帮助。2021年5月*日，火星磁强计伸杆机构顺利展开，正式开启火星磁场探测进程。火星磁强计全体载荷研制成员，谨以此文缅怀我们敬爱的师长、朋友，“火星院士”万卫星！

图12：中国科学院第一次火星探测工程工作方案研讨会在中国科大召开

参考资料：

[1] Wan, W.X., Wang, C., Li, C.L. et al. China’s first mission to Mars. Nat Astron., 2020, 4: 721.

[2] 李春来, 刘建军等, 中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置, 深空探测学报, 2018, 005(005): 406.

[3]朱岩, 白云飞, 王连国,等. 中国首次火星探测工程有效载荷总体设计. 深空探测学报, 2017, 004(006): 510.

[4] Kai Liu, XinJun Hao, YiRen Li et al. Mars Orbiter magnetometer of China’s First Mars Mission Tianwen-1 [J]. Earth and Planetary Physics, 2020, 4: 384.