7月23日，中国首个火星探测器“天问一号”发射升空，使中国跻身于国际深空探测第一梯队。

“天问一号”主要由一个火星环绕器和一个火星着陆巡视器构成，共配置13台有效载荷。其中环绕器将作为地火转移轨道飞行的动力服务舱，抵达火星轨道后主要承担火星全球环绕探测，同时也负责火星车与地球间的中继通信服务；着陆巡视器由进入舱和火星车组成，登陆火星表面后，火星车开始在火星表面巡视和局部科学探测。

环绕器上的有效光电载荷

环绕器上配置了7台有效载荷，包括中分辨率相机、高分辨率相机、环绕器次表层探测雷达、火星矿物光谱分析仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪。

中分辨率相机

中分辨率相机光学组件（图片来源：西安光机所官网）

中分辨率相机搭载于火星环绕器，在265-800Km轨道高度对火星表面进行成像，绘制火星全球遥感影像图，并进行火星地形地貌及其变化的探测。西安光机所承担了该相机光学组件的研制工作，具有视场大、畸变控制严格、像质要求高等特点。

高分辨率相机

长春光机所研制的高分辨率相机主要对沙丘、冰川、崩塌等获取火星表面重点区域精细观测图像，开展火星表面地形地貌和地质构造研究。

高分辨率相机（图片来源：长春光机所官网）

该高分辨率相机采用了集光能力强、有效口径利用充分、光学传递函数高、杂光抑制能力强的长焦距大视场离轴光学系统，以全碳化设计理念解决了相机长焦距技术指标与重量资源紧张之间的矛盾，通过碳纤维桁架实现了光学元件的位置保证和高轻量化的结构设计。相机配置了五谱段TDI CCD和国产面阵探测器两种成像探测器，实现线阵推扫和面阵成像的兼容，有望获得火星表面真彩色融合图像及视频图像。

环绕器次表层探测雷达

此次项目中，中电博微38所负责研发了我国首款环绕器次表层探测雷达，不同于其它探测设备，环绕器次表层探测雷达利用低频段雷达的介质穿透特性，在高速环绕的卫星平台上，向火星发射低频率电磁波，穿透到次表层内部，利用回波特性分析次表层分层结构，并推算其物质组成。

38所设计了双频段发射双极化接收的先进体制，兼顾低频段雷达的穿透性和浅表层的高分辨能力，并根据科学探测的实际需要，设计了高低频脉间交替的工作模式，实现了对火星次表层10米以下的分层精度探测，其中，对次表层土壤的穿透深度可达几百米，对冰层可达几千米。

火星矿物光谱分析仪

火星矿物光谱分析仪通过获取火星表面可见至中波红外宽谱段（400-3400 nm）的光谱成像数据，重量不到7公斤，高性能红外探测器被冷至近零下200℃，国际罕见。为了适应环绕器中的“腾空”工作状态，上海技物所研究员何志平带领团队，采用推帚式成像、多元实时动态融合的总体技术方案，突破了红外背景抑制、高效自由曲面-光栅分光组件、器上太阳及灯组合定标等关键技术，同步实现了设备轻小型、低功耗与高性能的三合一。

火星磁强计

中国科学技术大学作为我国深空探测中首个承担单机级科学载荷任务的高校，独立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（图片来源：中国科技大学官网）

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。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层，研究近火空间处的行星际等离子体和行星际磁场，同时还会结合其他载荷仪器对火星大气中的粒子逃逸等问题开展研究。

火星离子与中性粒子分析仪

火星离子与中性粒子分析仪可对火星空间环境中的离子和中性粒子参数进行探测，研究火星大气逃逸、太阳风与火星的相互作用，了解火星大气和水的演化历史。此外，该载荷还探测太阳风离子，研究太阳风在行星际的传播特性。

火星离子与中性粒子分析仪（图片来源：文汇报）

该载荷在国际上首次将离子和中性粒子通过同一个传感器实现探测，既能满足性能指标要求、又实现了载荷的小型化。由于探测参数的复杂性，该载荷还设计了多种探测模式，并且可以根据探测需求定义并选择新的探测模式。

火星能量粒子分析仪

“天问一号”环绕器上的重要载荷火星能量粒子分析仪是13个火星任务主载荷里首个开机工作的产品，也是整个火星任务中唯一长时间运行的科学载荷。该产品由中国航天科技集团有限公司五院510所和中国科学院近代物理研究所联合研制。

测量的近火星空间的带电粒子分布情况，可以与磁强计、离子和中性粒子分析仪等环绕器有效载荷，联合分析火星大气逃逸的原因。

此外，火星能量粒子分析仪测量的从地球至火星的带电粒子分布情况，可以提供抗辐射设计所需的参考数据，从而保护航天器、以及未来探索火星的宇航员的安全。

着陆巡视器上的有效光电载荷

火星车上配置6台有效载荷，包括多光谱相机、导航地形相机、火星表面成分探测仪、火星车次表层探测雷达、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪。主要开展对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气电离层、磁场等的科学探测。

多光谱相机

多光谱相机（图片来源：西安光机所）

中科院西安光机所月球与深空探测技术研究室研制的多光谱相机，安装在着陆巡视器的桅杆上，其主要科学用途为获取着陆区及巡视区多光谱图像，进而进行火星表面物质类型分布的分析工作。

相机通过滤光轮机构实现8个光谱通道和一个可直视太阳全色谱段通道的调节；通过调焦轮机构进行焦距调整，可实现1.5 m到无穷远范围的清晰成像；增设星上在轨定标功能，提高成像质量和采集数据的可靠性。滤光轮、调焦轮机构、星上在轨定标这三种新技术都是首次应用于我国深空探测。

火星表面成分探测仪

搭载在火星车头部位置的火星表面成分探测仪，足足重15.7 kg。中科院上海技物所研究员徐卫明表示，中国火星车采用的表面成分探测技术主要包括主动激光诱导击穿光谱探测和被动短波红外光谱探测技术。它们都能对着陆区的火星表面元素、矿物和岩石开展高精度的科学探测，对研究火星的形成、地质的长期演变过程等具有重要的科学意义。

高能、高光束质量脉冲激光器是火星表面成分探测仪的关键组件之一，由上海光机所提供定制激光器。“此前国际上并没有类似激光器的在轨报道。”上海光机所研究员候霞说道。上海光机所历时3年刻苦攻关，研制出低温敏、高光束质量全固态脉冲激光器。该激光器是国际上输出能量最高、工作温度最宽的火星探测激光器。经各项测试，激光器的技术指标满足火星岩石成分探测需求。

显微相机也是火星表面成分探测仪的关键组件之一。火星表面成分探测仪在着陆火星后，白天工作，主要用于分析火星表面物质的化学元素和火星表面主要矿物。西安光机所承担显微相机焦平面组件电路和显微相机成像控制研制工作，从元器件选型、电路板材料、焊接工艺、设计方案容错能力4个方面着手进行攻关，解决了火星显微相机焦平面组件低温-130℃存储和-80℃工作的重大难题。

火星车次表层探测雷达

火星车次表层探测雷达是一种基于火星车平台的高分辨率火星次表层地质结构探测雷达，是实现火星探测工程科学探测任务的重要载荷之一，由雷达电子学单元、低频通道发射天线、低频通道接收天线、高频通道发射天线、高频通道接收天线、电缆组件六部分组成。

火星车次表层探测雷达（图片来源：文汇报）

该雷达包含低频通道和高频通道两个通道。低频通道用于巡视区深层的火星次表层结构探测，高频通道用于巡视区浅层火星表面土壤、冰层结构的高分辨率全极化探测。

火星表面磁场探测仪

火星表面磁场探测仪作为着陆巡视器的有效载荷。它包括位于桅杆上的磁传感器和位于载荷控制器中的电子学单元，由中国科学院地质与地球物理研究所研制。

火星表面磁场探测仪（图片来源：文汇报）

它将探测着陆区火星磁场，确定火星磁场指数；与HX环绕器磁强计配合，探测火星空间变化磁场，反演HX电离层发电机电流，研究HX电离层电导率等特性，完成对巡视区磁场的连续高精度矢量测量；尝试利用天然磁场跃变，探测HX内部局部构造。

此外，还有避障相机，安装于火星车着陆器上，其成像视场角很大，可视距离短，适用于火星车自主局部避障规划。西安光机所研制的避障相机光学组件可帮助火星车实现安全行驶，具有轻小型化、可耐受温度交变的恶劣环境、排气防尘等特点。地形相机与火星气象测量仪也是着陆巡视器上的有效载荷，小编暂未查找到详细介绍。

避障相机（图片来源：西安光机所）

此次“天问一号“搭载了多项国产黑科技，除上述仪器外，还有由上海有机所研制和生产的有机热控涂层，确保仪器设备表面温度处于正常工作状态；中国科学院上海硅酸盐研究所也承担了耐高温多层隔热材料、导电型低吸辐比柔性薄膜二次表面镜、防静电低吸辐比柔性薄膜二次表面镜等关键材料的研制工作，并为火星用关键材料开展了空间环境适应性（真空—紫外辐照）考核试验，确保了关键材料在型号上的可靠应用。

除以上“神器”外，甚长基线干涉测量技术（VLBI）在此次项目中也起着至关重要的作用。对于中国航天来说，VLBI测轨分系统是重要的“导航装备”之一，它使我国航天测控网从传统测距测速技术拓展为测距测速+VLBI高精度测角系统，大幅提高探测器测定轨测定位能力，对我国的月球和深空探测产生深远影响。

附环绕器和火星车上有效载荷配置与技术指标

表1 环绕器有效载荷配置和技术指标

表2 火星车有效载荷配置和技术指标

参考来源：

1.长光所研制高分相机随“天问一号”成功发射，长春光机所官网：http://www.ciomp.ac.cn/xwdt/yw/202007/t20200723_5643042.html

2.我国首次火星探测任务发射成功迈出深空探测崭新一步，西安光机所官网：http://opt.cas.cn/gb2019/xwzx/tpxw/202007/t20200723_5643001.html

3.【中国科学报】晒晒“天问一号”的中科院元素http://www.cas.cn/cm/202007/t20200729_4754561.shtml?from=timeline

4. 我校研制的火星磁强计随“天问一号”成功发射，中国科技大学官网：http://news.ustc.edu.cn/2020/0723/c15884a439627/page.htm

5. 情系玉兔逐梦火星 中科院上海技物所科研人春节不休息https://www.sohu.com/a/294261282_120083999

6. “天问一号”火星探测器发射升空 上海技物所承研两项载荷将对火星表面元素与矿物成分开展科学探测，中科院上海技物所官网：http://www.sitp.ac.cn/xwzx/kydt/202007/t20200723_5643684.html

7. “天问一号”成功发射，长春光机所、西安光机所等展示科研实力https://baijiahao.baidu.com/s?id=1673005673521413881&wfr=spider&for=pc

8. 中国科学技术大学独立研制的火星磁强计随“天问一号”成功发射

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1673085001816071302&wfr=spider&for=pc

9.李春来，刘建军，耿言等，中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置[J].深空探测学报，2018，5(5)：406-412

10.“天问一号”启程，探测火星它带上了哪些“神器”？

http://www.whb.cn/zhuzhan/kjwz/20200723/361969.htm

11.安徽38所研发我国首款环绕器雷达 为“天问一号”加装一双“透视眼”

https://www.sohu.com/a/409334604_394097

12.“天问一号”火星探测器发射成功中科院在火星探测任务中发挥重要作用

http://www.ccb.cas.cn/xwzx/zhxw2015/202007/t20200724_5645020.html

13.“寂寞旅途”不偏轨、带回火星“深度讯息”……这些Made in Shanghai，棒极了！

https://mp.weixin.qq.com/s/fvcdweAPAmLQ9YEqSje84Q

14.信标、战衣、慧眼……看看天问一号的中科院元素

http://wap.sciencenet.cn/mobile.php?type=detail&cat=news&id=443198&mobile=1&from=timeline

15.带着激光器“慧眼”，天问一号向火星进发…

https://mp.weixin.qq.com/s/naEaJoGDWNbIxl27JNx1sg

☆ END