出品：科普中國
制作：haibaraemily
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心
2021年5月22日10:40，天問一號著陸后的第7天，我國首個火星車“祝融號”緩緩駛離著陸平臺，踏上火星烏托邦平原表面，行駛了0.522米。
△著陸平臺與火星車分離示意圖（上）；祝融號駛離著陸平臺之前和之后的場景（下），由火星車的前后避障相機拍攝。來源：航天科技集團
這短短一小段路程，標(biāo)志著我國正式成為繼美國之后第二個實現(xiàn)火星巡視的國家（詳見：天問一號，著陸火星！
https://mp.weixin.qq.com/s/I7BbwzE6t-Bp65gSA6Oj1w），也標(biāo)志著天問一號成為人類首個在一次任務(wù)中實現(xiàn)“繞、著、巡”三大目標(biāo)的火星探測任務(wù)。
開胃小菜之后，2021年6月11日，國家航天局公布了祝融號火星車拍攝的一系列“火星大片”，其中不僅有火星車拍攝的著陸平臺：
△火星車在著陸平臺東偏南60°方向約6米距離處拍攝（注意國旗左側(cè)的熊貓和燈籠，那個是2022年北京冬奧會和冬殘奧會吉祥物）。來源：CNSA
還有最具里程碑意義的“著巡兩器合影”——火星車通過自己車底分離出的相機，拍攝了自己和著陸平臺的同框照。再一次，中國航天創(chuàng)造了屬于自己的地外星球探索史詩時刻。
△火星車行駛至著陸平臺南向約10米處，從車底釋放分離相機，擺好拍攝位置之后再回到著陸平臺旁邊。分離相機拍攝的照片先傳給火星車，再由火星車傳給天問一號環(huán)繞器，由環(huán)繞器中繼傳回地球。來源：CNSA
上一次，是2019年1月11日，玉兔二號月球車與嫦娥四號著陸器的兩器互拍，月球車的全景相機拍攝了嫦娥四號著陸器，著陸器的地形地貌相機拍攝了月球車。
△嫦娥四號著陸器和月球車互拍。來源：中國探月工程
上上一次，是2013年12月15日，玉兔號月球車與嫦娥三號著陸器的兩器互拍。
△嫦娥三號著陸器和月球車互拍。來源：中國探月工程
相比于曾經(jīng)的兩器互拍，這次的兩器合影解鎖了新機位，也更加有創(chuàng)意，可以說是越來越會自拍啦～
事實上，玉兔二號月球車至今還在月球上健康工作著，這也意味著我國是當(dāng)今世界唯一一個同時在兩顆地外星球上擁有工作中的巡視器的國家。
中國深空探測史上的新時代，已然開啟。
從踏上火星表面的那一刻，祝融號就正式開始了火星巡視探測，而在火星上空飛行的天問一號環(huán)繞器，也會在為火星車中繼數(shù)據(jù)之余開展火星遙感探測。
它們會開展哪些科學(xué)探測，會有哪些科學(xué)發(fā)現(xiàn)，是由它們攜帶的科學(xué)探測儀器決定的。
在前幾期介紹了天問一號的準(zhǔn)備工作、發(fā)射和著陸之后，這期將全面介紹一下天問一號和祝融號帶了哪些“裝備”（科學(xué)儀器），以及它們的科學(xué)探測目標(biāo)。（前情提要：2月到火星，5月才準(zhǔn)備著陸，天問一號到底在“墨跡”啥？、天問一號，著陸火星！
https://mp.weixin.qq.com/s/cBGtGJ7A7FLquQgt8qaDCA，本期內(nèi)容比較多，大家可以收藏了慢慢看，或者按小標(biāo)題跳過一些，挑自己感興趣的部分看）
△天問一號整體外形。來源：航天科技集團
整體
天問一號總重約5噸，由環(huán)繞器和著陸巡視組合體兩部分組成，著陸巡視組合體包括著陸平臺和火星車祝融號兩部分，兩者都打包裝在氣動外罩內(nèi)。環(huán)繞器重約3175千克，著陸器重約1585千克，火星車祝融號重約240千克。
防止有些讀者看暈，這里再多說一句：環(huán)繞器、著陸平臺和火星車，都是天問一號的成員，只是“天問一號的火星車”這個成員自己還另外有個名字叫“祝融號”，就像“嫦娥四號的中繼星”另外有個名字叫“鵲橋號”，“嫦娥四號的月球車”另外有個名字叫“玉兔二號”一樣。
△天問一號的各部分。來源：CNSA
天問一號的氣動外罩和著陸平臺只負(fù)責(zé)進入火星大氣層、下降和著陸（EDL），沒有攜帶科學(xué)儀器。環(huán)繞器攜帶7種科學(xué)儀器?；鹦擒嚁y帶6種科學(xué)儀器 [1, 2]。
△天問一號環(huán)繞器和火星車的科學(xué)載荷。來源： 參考文獻 [1, 2]
注意，這里說的都是“科學(xué)”儀器，事實上探測器還會攜帶諸多工程儀器，例如避障相機、監(jiān)視相機、星敏感器、慣導(dǎo)裝置等等。開頭火星車駛離著陸平臺的照片，就是工程儀器（避障相機）拍攝的。
火星車計劃開展約90個火星日的巡視探測，在此期間，環(huán)繞器會停留在通訊中繼軌道（近火點265公里、遠火點12500公里，周期約8.2個小時），為火星車和地球傳遞信息和數(shù)據(jù)。
之后，環(huán)繞器會降軌至科學(xué)探測軌道（近火點265公里、遠火點12000公里），計劃在這個軌道上對火星全球展開1個火星年（約2個地球年）的近距離遙感探測，同時可以兼顧火星車的數(shù)據(jù)通訊。
△天問一號的任務(wù)安排。改編自：參考文獻 [3]
環(huán)繞器的科學(xué)儀器
環(huán)繞器共攜帶了7種科學(xué)儀器：① 中分辨率相機（MoRIC）、② 高分辨率相機（HiRIC）、③ 礦物光譜分析儀（MMS）、④ 次表層探測雷達（MOSIR）、⑤ 磁強計（MOMAG）、⑥ 離子與中性粒子分析儀（MINPA）和 ⑦ 能量粒子分析儀（MEPA）。
△天問一號環(huán)繞器的組成和儀器。來源：WLR2678
中分辨率相機（MoRIC）和 高分辨率相機（HiRIC）
天問一號環(huán)繞器共攜帶了兩個光學(xué)相機：① 中分辨率相機（優(yōu)于100米/像素@400千米高度）和 ② 高分辨率相機（局部分辨率優(yōu)于0.5米/像素@265千米高度），中分辨率相機可以拍攝彩色照片，高分辨率相機可以拍攝全色（黑白）和彩色照片。
△天問一號環(huán)繞器的中分辨率相機（左）和高分辨率相機（右）來源：參考文獻 [2]
光學(xué)相機是諸多深空探測器的標(biāo)配，我們看到的許多火星美圖，都是火星勘測軌道飛行器（MRO）、火星快車、火星全球探勘者號（MGS）等探測器的相機拍攝的。
△現(xiàn)有火星探測器光學(xué)相機代表。來源：NASA、ESA
天問一號環(huán)繞器搭載了兩種不同分辨率的相機，這是目前國內(nèi)外環(huán)繞器所常用的配置方式。因為對環(huán)繞器來說，拍攝更高清的照片和一次性拍攝更大一片區(qū)域難以同時滿足：分辨率高的相機視野小，分辨率低的相機視野大。以天問一號為例，環(huán)繞器的中分辨率相機一張照片可以拍到400千米寬的區(qū)域，而高分辨率相機一張照片只能拍出9千米寬的區(qū)域。（這個問題我們前幾期詳細講過《2月到火星，5月才準(zhǔn)備著陸，天問一號到底在“墨跡”啥？》
https://mp.weixin.qq.com/s/cBGtGJ7A7FLquQgt8qaDCA）
△天問一號環(huán)繞器光學(xué)相機參數(shù)。來源：參考文獻 [1, 2]
通用的解決方法就是探測器同時攜帶兩個不同分辨率的相機一起工作：用中分辨率相機來快速獲得大視野內(nèi)的整體情況，尋找值得進一步仔細探測的區(qū)域；用高分辨率相機專注于拍攝某一小塊想要重點觀測區(qū)域的細節(jié)。
△火星勘測軌道飛行器中分辨率（CTX）和高分辨率（HiRISE）相機圖幅和分辨率對比。來源：行星事務(wù)所/haibaraemily
目前火星拍照的主力探測器之一火星勘測軌道飛行器（MRO）就是采樣用了這種雙分辨率相機協(xié)同工作的配置：中分辨率相機（CTX）分辨率6米/像素，圖幅30千米寬，高分辨率相機（HiRISE）分辨率0.3-0.5米/像素，圖幅6千米寬（@ 300千米高）——后者也是天問一號之前唯一能拍攝優(yōu)于米級分辨率火星影像的相機。
△MRO的CTX和HiRISE相機。來源： NASA
不止火星探測器，大名鼎鼎的月球勘測軌道飛行器（LRO）的寬角（WAC）和窄角（NAC）相機、卡西尼號的寬角（WAC）和窄角（NAC）相機均采用類似的策略。
△雙分辨率相機協(xié)同工作的模式。來源：NASA
這是天問一號環(huán)繞器中分辨率相機拍攝的火星北極區(qū)域。
△2021年3月4日發(fā)布。來源：CNSA
這是天問一號環(huán)繞器高分辨率相機拍攝的火星表面，分辨率達0.7米/像素（@ 330-350千米高度），與目前最高清的HiRISE相機分辨率達同一量級。
△2021年3月4日發(fā)布，拍攝區(qū)域距祝融號著陸點約30千米，可以看出大量地形地貌細節(jié) 。來源： CNSA
環(huán)繞器的高分相機還拍到了著陸平臺、祝融號火星車和著陸組件在火星上的照片，幾米大小的組件也能盡收眼底。
△2021年6月7日公布的天問一號著陸前后對比圖，可以看到祝融號火星車、著陸平臺和其他著陸組件對著陸區(qū)的影響。來源：CNSA
由于高分辨率相機的圖幅限制，目前火星優(yōu)于米級的高分辨率影像覆蓋的區(qū)域還非常有限。天問一號高分辨率相機的加入，有望讓我們看到火星更多區(qū)域的高清照片。
火星礦物光譜分析儀（MMS）
“光譜”探測是一種常用的遙感探測手段。不同物質(zhì)反射/輻射光的特征是不同的，結(jié)果就是含有某種物質(zhì)的反射/輻射光譜圖像在某些特定的波段會表現(xiàn)出明顯的吸收/輻射帶。這是科學(xué)家們在不能親身前往的外太空里尋找某種物質(zhì)時搜尋的“指紋”。
無論是環(huán)繞器搭載的光譜儀還是巡視器（火星車）搭載的光譜儀，本質(zhì)來說都是通過觀測目標(biāo)區(qū)域反射/輻射光譜中的特征，來探測星球表面含有哪些礦物，分布是什么樣的——區(qū)別只是不同光譜儀的探測頻段和分辨率有所差異，可能探測到的物質(zhì)成分也就相應(yīng)有所差異。
△天問一號環(huán)繞器礦物光譜儀參數(shù)和外形。來源：參考文獻 [1, 2]
天問一號環(huán)繞器攜帶的礦物光譜儀探測頻段在可見光到中紅外范圍（0.45-3.4 μm），這個波段的光譜儀在火星環(huán)繞器上也比較常見，例如火星快車上搭載的OMEGA成像光譜儀（0.5 - 5.2 μm）、火星勘測軌道飛行器（MRO）搭載的CRISM成像光譜儀（0.36 - 3.92 μm）也都覆蓋了相似的波段范圍。
△OMEGA光譜儀（ 左）和CRISM光譜儀（右）的工作原理示意。來源：ESA、NASA
這個波段內(nèi)可能探測到多種形式的水以及與水有關(guān)的礦物，例如：諸多水合礦物（富鐵、鎂、鋁的層狀硅酸鹽等）的反射光譜在1.4、1.9、2.2、2.3、2.4 μm處有有V型特征吸收帶；水冰的反射光譜在1.3、1.5、2.0和3.2 μm處有V型特征吸收帶，之前介紹過的科學(xué)家們在火星中緯區(qū)域發(fā)現(xiàn)的水冰（《科學(xué)》雜志||未來的火星移民：鑿冰飲水，指日可待？
https://mp.weixin.qq.com/s/eKAV84awZh6YQIZPGYJ-xg），在月球南北極發(fā)現(xiàn)的水冰（實錘了，我們的月球真的是顆“水冰月”！
https://mp.weixin.qq.com/s/JTd70YI2CYcK7heNSeYp3A），都是借助這種光譜特征發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)然，其他在這一范圍內(nèi)有吸收特征的物質(zhì)也有可能被探測到。
△火星勘測軌道飛行器（MRO）搭載的光譜儀CRISM在火星中緯區(qū)域地表之下發(fā)現(xiàn)水冰的“指紋”（1.65 μm處的尖峰是儀器問題）。改編自：參考文獻 [4]
這是OMEGA成像光譜儀和CRISM成像光譜儀在火星表面探測到的水合礦物分布，天問一號也可能探測到這類礦物。這些礦物的含量和分布可以幫助我們追溯火星的地質(zhì)演化歷史和水環(huán)境變遷。
△OMEGA光譜儀（藍點）、CRISM光譜儀（紅點）和兩者聯(lián)合（黃點）探測到的火星表面水合礦物分布。來源：參考文獻 [5]
次表層探測雷達（MOSIR）
不同物質(zhì)的介電常數(shù)（可以簡單理解為讓電磁波衰減的能力）不同，因此探測器收到的從不同物質(zhì)分界面反射回來的電磁波的時間和強度就會不同。次表層雷達的探測原理就是通過發(fā)射和接收電磁波信號，借助測量到的雷達信號接收時間和反射強度，反推這些雷達信號穿過了哪些不同的物質(zhì)，每層物質(zhì)有多厚。
對火星來說，次表層雷達尤其可以用來探測地表下的水冰層、冰層下的液態(tài)水這類有著迥異介電常數(shù)的物質(zhì)分層，也在過去2艘火星環(huán)繞器上有過成功的應(yīng)用：火星快車號的雷達MARSIS和火星勘測軌道飛行器（MRO）的雷達SHARAD都取得過重要科學(xué)成果。
△火星快車號三根展開20米長的雷達天線（左）；火星勘測軌道飛行器的兩根10米雷達天線（右）。來源： ESA、NASA
我們2018年介紹過的火星南極冰層之下發(fā)現(xiàn)的疑似液態(tài)水湖，就是借助火星快車號搭載的次表層雷達發(fā)現(xiàn)的（這一次，我們在火星找到了冰下湖？
https://mp.weixin.qq.com/s/Pl7jNjdroXJ92SuMtM1VNw）。
△測地雷達探測淺表層結(jié)構(gòu)（此處是冰層下的液態(tài)水）的原理示意圖。
改編自：參考文獻 [6]
天問一號的環(huán)繞器的次表層雷達共包含5根天線：4根5米長的主天線安裝在飛行方向的底部，構(gòu)成兩組正交偶極天線組；1根1.2米長的單級甚低頻接收天線（VLF）位于飛行個方向的側(cè)邊 [7]。4根雷達天線的正交分布方式與已有的火星快車號MARSIS雷達和火星勘測軌道飛行器（MRO）的SHARAD雷達都不同。甚低頻射電接收天線（VLF）雖然和雷達天線一體化設(shè)計，但主要服務(wù)于與后面講到的火星磁強計、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀一同探測火星的空間環(huán)境。
△天問一號環(huán)繞器上雷達天線的分布：底端2根Y向天線（Y ANT）和2根X向天線（X ANT）大致垂直，Z向的甚低頻天線（VLF ANT）位于飛行姿態(tài)的側(cè)邊。來源：參考文獻 [7]
天問一號環(huán)繞器上的次表層雷達主要探測目標(biāo)也是與火星生命有關(guān)的水冰和液態(tài)水分布，相比于祝融號火星車上的次表層雷達，環(huán)繞器雷達的探測深度較深，可達土壤100米，冰層1000米深。
△天問一號環(huán)繞器次表層雷達外形和參數(shù) | 參考文獻 [7]
天問一號次表層雷達探測到的成果可能以什么樣的方式呈現(xiàn)？當(dāng)探測到地下有“異?！眳^(qū)域時，雷達圖像中會表現(xiàn)為“亮線”。次表層雷達剖面圖里的亮暗體現(xiàn)的是回波信號的強弱，并不是實際的地下剖面照片，即分界面的亮線對應(yīng)著雷達反射強度較高的區(qū)域。
△金星快車號次表層雷達探測到的火星南極層狀堆積層結(jié)構(gòu)，雙程脈沖走時是雷達信號從發(fā)出到接收的時間（往返）。改編自：參考文獻 [8]
火星磁強計（MOMAG）、離子與中性粒子分析儀（MINPA）和能量粒子分析儀（MEPA）
天問一號環(huán)繞器的這三個儀器主要探測目標(biāo)都是火星的空間環(huán)境，包括火星的周圍的磁場、誘導(dǎo)磁層、太陽風(fēng)與火星高層大氣/電離層之間的相互作用等方面。
火星沒有地球、水星那樣內(nèi)部自發(fā)的偶極磁場（專業(yè)點叫“內(nèi)稟磁場”），但火星有大氣層和電離層。電離層與太陽風(fēng)的相互作用造就了火星如今的空間環(huán)境；再加上火星的殼層還有一些不對稱分布的剩磁，這讓太陽風(fēng)與火星的相互作用變得更加復(fù)雜了一點。
△太陽風(fēng)與火星相互作用示意圖。來源：參考文獻 [9]
通過對不同空間位置處的火星磁場、離子與中性粒子、能量粒子等方面的探測，可以幫助我們了解火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和磁場的演化、太陽風(fēng)與火星高層大氣/電離層之間的相互作用、火星大氣的散逸變遷等諸多謎團。
已經(jīng)退役的NASA火星全球探勘者號（MGS），曾對火星殼層的剩磁分布做過全球考察。而如今和天問一號為伴、同樣致力于探究這些謎團的在軌探測器，還有火星快車號、火星奧德賽號和MAVEN探測器。不過這些探測器的探測軌道不同，攜帶的探測儀器也有一定差異，不同軌道的多個探測器成果可以互為驗證和補充。例如MAVEN的工作軌道在近火點約150公里，遠火點在約4500-6000公里高度，而天問一號計劃的科學(xué)探測軌道（近火點265公里、遠火點12000公里）距離火星更遠一些。
△MAVEN的探測軌道示意圖。來源：NASA/GSFC
天問一號環(huán)繞器的磁強計整體為伸桿式，兩個磁通門探頭安裝在一根3米長的伸桿上。伸桿的作用是讓探頭遠離探測器主體，減小探測器本底剩磁對探頭想要探測的空間磁場的影響。
△天問一號環(huán)繞器磁強計伸桿壓緊狀態(tài)（左）和地面展開試驗（右）來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 磁強計參數(shù)（下）。來源：參考文獻 [1, 2]
這種設(shè)計與NASA的水手4號、歐空局的金星快車號任務(wù)搭載的磁強計相似，與之不同的另一種常見設(shè)計是直接把探頭安裝在兩側(cè)太陽能板邊緣，這樣也能讓探頭遠離探測器主體，例如火星全球探勘者號（MGS）和MAVEN的磁強計。
△金星快車號磁強計（上）來源：ESA；火星全球探勘者號（MGS）和MAVEN的磁強計位置（下）。來源：NASA
值得一提的是，這是我國首次在深空探測任務(wù)里搭載磁強計，之前的嫦娥系列探測器均沒有搭載過磁強計。
離子與中性粒子分析儀（MINPA）和能量粒子分析儀（MEPA）負(fù)責(zé)探測火星周圍的各種低能和高能粒子（低能離子、低能中性粒子、電子、質(zhì)子、α粒子、重離子）。
△離子與中性粒子分析儀（MINPA）和能量粒子分析儀（MEPA）的外形和參數(shù)。來源：參考文獻 [1, 2]
兩種儀器與環(huán)繞器上的磁強計、甚低頻射電接收設(shè)備攜手，可以獲取火星周圍多種粒子的空間分布，幫助我們?nèi)嫦到y(tǒng)地研究火星高層大氣、電離層及其與太陽風(fēng)的相互作用，揭示火星空間環(huán)境變化特征與演化規(guī)律。
祝融號火星車的科學(xué)儀器
祝融號火星車重240公斤，完全展開時長2.6米、寬3米、高1.85米。祝融號共攜帶了6種科學(xué)儀器：① 導(dǎo)航與地形相機（NaTeCam）、② 多光譜相機（MSCam）、③ 火星表面成分探測儀（MarSCoDe）、 ④ 次表層雷達（RoPeR）、⑤ 火星表面磁場探測儀（RoMAG）和⑥ 火星氣象站（MCS）。
△祝融號火星車科學(xué)儀器位置v3.1全新版本。來源：參考文獻 [2]
導(dǎo)航與地形相機（NaTeCam）
祝融號的一對導(dǎo)航與地形相機位于火星車桅桿頂端，就像火星車的“雙眼”，可以拍攝沿途火星表面的彩色立體照片，探測火星的地形起伏，同時為火星車的導(dǎo)航提供支持。
△祝融號導(dǎo)航與地形相機的參數(shù)和外形。來源：參考文獻 [1, 2]、CNSA
在桅桿頂端配置導(dǎo)航與地形相機，幾乎是目前火星車的標(biāo)配。勇氣、機遇、好奇號火星車均采用了在桅桿頂端配備1對用于導(dǎo)航的導(dǎo)航相機和1-2對用于考察地形的桅桿相機/全景相機，天問一號的導(dǎo)航與地形相機也承擔(dān)了相同的使命。
△火星車安裝在桅桿上的相機對比。來源： haibaraemily、NASA
這是祝融號還沒從著陸平臺上下來的時候，導(dǎo)航與地形相機的360度環(huán)拍照，拍到了火星車自己、著陸平臺的滑軌、以及著陸區(qū)周圍的火星景色。
△著陸點全景圖。來源：CNSA
在接下來的火星旅程中，導(dǎo)航與地形相機會成為祝融號的“旅拍”主力，給我們帶來源源不斷的火星新風(fēng)景。
△2015年4月10-11日，好奇號火星車桅桿相機拍攝的火星景色，祝融號的導(dǎo)航與地形相機在旅途中也會不斷拍攝各種火星景色。來源：NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA19803
多光譜相機（MSCam）和表面成分探測儀（MarSCoDe)
祝融號的多光譜相機和表面成分探測儀都負(fù)責(zé)探測和分析火星表面的巖石類型、礦物成分。
△祝融號多光譜相機的參數(shù)和外形。來源：參考文獻 [1, 2]
同導(dǎo)航與地形相機一樣，祝融號的多光譜相機也安裝在桅桿頂部，可以拍攝火星車沿途多個固定波段下的影像。多光譜相機和前面說到的光譜儀有相似之處，主要原理都是利用“光譜”這種“指紋”來探知不同成分物質(zhì)的分布。只不過，光譜儀不一定成像（能成像的光譜儀也叫“成像光譜儀”），而多光譜相機/成像光譜儀會拍攝影像，這可以大大提升光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率，相當(dāng)于能快速獲得一大塊面積里某種礦物成分的空間分布。
多光譜相機和高光譜相機的主要區(qū)別在于成像譜段的數(shù)量和寬窄：利用濾光設(shè)備，多光譜相機通常只會在想要探測的波段范圍內(nèi)選取3-10個譜段進行成像，而高光譜相機則會有許許多多譜段，一定程度上來說和成像光譜儀是差不多的——前面說到的OMEGA成像光譜儀和CRISM成像光譜儀本質(zhì)上就是高光譜相機。
△多光譜成像（左）；高光譜成像（右）。改編自：參考文獻 [10]
但另一方面，多光譜相機只會在固定幾個光譜頻段拍攝影像，這會損失一定的光譜分辨率，因此主要用于探測幾種固定的目標(biāo)礦物。
典型的例子是日本月亮女神號（Kaguya）月球探測器的多光譜相機（MI），共有九個成像譜段：415, 750, 900, 950, 1001 nm（紫外可見光波段）和1000, 1050, 1250, 1550 nm（近紅外波段），主要用于探測月球上斜長石、橄欖石、斜方輝石、單斜輝石和氧化鐵這幾種礦物的分布。
△月亮女神號多光譜相機獲取的月球氧化鐵的質(zhì)量分布。來源：Quickmap/MI
祝融號的多光譜相機共有9個成像譜段：480、525、650、700、800、900、950、1000 nm和全色波段，涵蓋可見光到近紅外波段范圍。與之探測相似波段范圍的勇氣號、機遇號火星車全景相機（PanCam，400 - 1100 nm內(nèi)多個譜段），主要用于探測火星表面的鐵氧化物、含鐵硅酸鹽等與火星水環(huán)境和地質(zhì)演化緊密相關(guān)的礦物。
△勇氣號、機遇號火星車全景相機（PanCam）外形（左）和可能探測到的含鐵礦物示例（右）。來源：NASA、參考文獻 [11]
祝融號的表面成分探測儀包含兩種儀器：激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測儀（LIBS）和短波紅外光譜探測儀。短波紅外光譜儀沒啥新鮮的，前面都說了好幾種光譜儀了，只是這個光譜儀的探測波段在短波紅外波段（0.85-2.4 μm），與火星車上的多光譜相機波段有所不同，可以互為補充。
另一項激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀（LIBS）就更加炫酷了：通過向目標(biāo)物發(fā)射高能激光脈沖，探測燒蝕激發(fā)出的等離子體冷卻過程中的特征發(fā)射光譜，進而遠程探測出目標(biāo)物的元素成分組成信息。簡單來說，這是一個“哪里不懂點哪里”的“激光炮”。
△祝融號多光譜相機的參數(shù)、外形和位置。來源：參考文獻 [1, 2]、CNSA
祝融號的LIBS能探測出目標(biāo)物中包括硅、鋁、鐵、鎂、鈣、鈉、氧、碳、氫、錳、鈦、硫在內(nèi)的十多種元素，這也是我國第一次將該技術(shù)用于深空探測。在此之前，NASA好奇號的化學(xué)相機（ChemCam）、毅力號的超級相機（SuperCam）都在火星驗證過這項“高能”技術(shù)的科學(xué)價值。
△好奇號化學(xué)相機（ChemCam）工作示意圖（左）；化學(xué)相機的LIBS探測前后對比，可見激光燒蝕痕跡（右）；2012年8月19日，好奇號化學(xué)相機在首個目標(biāo)中探測到的化學(xué)成分，這塊拳頭大小的石頭被取名為“Coronation”（下）。來源：NASA/JPL-Caltech
次表層探測雷達（RoPeR）
火星車的次表層雷達基本原理與環(huán)繞器搭載的次表層雷達相似，也是通過主動發(fā)射和接收電磁波信號來探測火星車沿途地下的淺表層結(jié)構(gòu)，例如風(fēng)化層厚度、濺射物層、水冰分布等。
△次表層雷達的工作原理.來源：中科院電子所
相比于天問一號環(huán)繞器的次表層雷達（探測深度為土壤≥100米，水冰≥1000米），祝融號火星車次表層雷達的電磁波頻率更高，可以以更高的分辨率精細探測火星車沿途地下更淺表層的結(jié)構(gòu)（土壤≥3-10米，水冰≥10-100米）。
△祝融號次表層雷達的參數(shù)和外形。來源：參考文獻 [2]
與玉兔號、玉兔二號的測月雷達相似，祝融號也搭載了2個不同頻率的次表層雷達，高頻雷達探測淺部，低頻雷達探測深部，這樣可以兼顧探測深度和探測分辨率。（詳見：兔二醒來，兩器互拍！真正的探險才剛剛開始！
https://mp.weixin.qq.com/s/O9aW4DTOfPvTWCqoTeSdOA）區(qū)別是兩艘玉兔號的高低頻次表層雷達分別安裝在月球車的底部和后部，祝融號的高低頻次表層雷達均安裝在火星車前部。
△祝融號的和玉兔號的次表層雷達位置。來源：haibaraemily、CNSA
除了祝融號和天問一號的環(huán)繞器，同期發(fā)射的NASA的毅力號火星車也攜帶了次表層雷達（RIMFAX），而在此之前，還沒有火星著陸器或火星車攜帶過次表層雷達，這也讓本次兩輛火星車?yán)走_的探測成果尤為令人期待。
△毅力號和天問一號環(huán)繞器的次表層雷達。來源：NASA、CNSA
綜合分析多個雷達的探測數(shù)據(jù)，可以幫助我們了解火星上不同區(qū)域、不同深度的次表層結(jié)構(gòu)。
火星表面磁場探測儀（RoMAG）
祝融號火星車攜帶了2個相同的三軸磁通門探頭（磁強計傳感器），分別安裝在桅桿的頂端和底端，負(fù)責(zé)探測火星近地表的磁場強度。這也是首個火星表面可移動的磁場探測儀器。
△祝融號次表層雷達的參數(shù)、位置、傳感器的結(jié)構(gòu)和封裝后的外觀。來源：參考文獻 [2, 12, 13]
前面說過，之前的火星環(huán)繞器早就遠遠探知火星的殼層還有一些剩磁。這些剩磁是如何形成和演化的，可能與火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化有關(guān)，但之前還沒有火星車貼近火星表面直接測量過火星殼層磁場。祝融號的直接測量結(jié)果既能幫助我們了解火星殼層剩磁的信息，也能與天問一號環(huán)繞器攜帶的磁強計探測結(jié)果相結(jié)合，幫助我們更全面地了解太陽風(fēng)與火星高層大氣/電離層的相互作用。
△火星全球探勘者號（MGS）在400公里高處獲取的火星殼層磁場分布，火星剩磁有著明顯的南北不對稱性，主要分布在南半球。來源：參考文獻 [14]
火星氣象站（MCS）
祝融號在火星車的桅桿頂部和甲板前端兩處安裝了風(fēng)、聲傳感器和溫、壓傳感器，使之成為了一個可移動的火星氣象站，可以長期觀測火星車附近的氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向和聲音信息?；鹦菤庀笳痉e累的這些氣象參數(shù)，可以幫助我們我們了解火星如今的氣象狀況，追溯火星的氣候變化歷史。
△祝融號的火星氣象站參數(shù)、外形和位置。來源：參考文獻 [1, 2]
火星氣象站是火星著陸任務(wù)的常備組件，如今正在火星表面工作的好奇號火星車、洞察號著陸器、毅力號火星車都在長期記錄和播報著所在地的氣象數(shù)據(jù)。隨著祝融號的加入，火星氣象網(wǎng)自此又新增了一個移動氣象站點呢~
△目前正在工作中的三個火星移動/固定氣象站。來源：NASA [15]
總的來說，天問一號計劃對火星開展的科學(xué)探測涉及到火星的方方面面，外至火星的空間環(huán)境、火星表面，內(nèi)至火星的次表層、水冰和液態(tài)水分布、物理場和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，環(huán)繞器+火星車這13種科學(xué)儀器都可以“一網(wǎng)打盡”。
△還是很全面滴.jpg
值得一提的是，90個火星日是祝融號的設(shè)計壽命，但并不意味著實際工作時長的上限。如果火星車能保持供電、保暖、行駛、通訊和健康工作，那實際工作的壽命完全可能很長。事實上，同樣使用太陽能供電的勇氣、機遇號火星車設(shè)計壽命也是90個火星日，但兩輛火星車實際分別工作了5年和14年。
天問一號環(huán)繞器更是如此，完全可能遠超1個火星年（也就是約2個地球年）的設(shè)計壽命，長長久久地環(huán)繞著火星工作著，源源不斷地為我們帶來新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
讓我們一起期待和見證吧。
致謝
本文感謝Planetary Utopia群友們對本文提升所做的幫助~
參考資料：
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[15] https://mars.nasa.gov/msl/weather/https://mars.nasa.gov/insight/weather/
https://mars.nasa.gov/mars2020/weather/
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