天问一号成功着陆！千百年的“向天之问”，能否得到解答？
今天，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆，在火星上首次留下中国印迹，迈出了我国星际探测征程的重要一步。
2020年7月23日，在中国海南岛东北海岸的文昌航天发射场，天问一号探测器搭乘长征五号遥四运载火箭顺利升空，今年2月到达火星，成功被火星捕获，经过3个月的养精蓄锐，完成着陆巡视器与环绕器分离，软着陆火星表面。
整个降落过程大致分为“进入”“减速”“软着陆”三步，简称为EDL(Entry， Descent，Landing)。
天问一号登陆火星概念图
图源：学术头条
天问一号在进入火星大气层以后首先借助火星大气，进行气动减速，将下降速度减掉90%左右。
紧接着天问一号打开降落伞进行伞系减速，当速度降至100米/秒时，通过反推发动机进行减速，由大气减速阶段进入动力减速阶段。
在距离火星表面100米时，天问一号进入悬停阶段，完成精避障和缓速下降后，着陆巡视器在缓冲机构的保护下，抵达火星表面。
后续，天问一号上装载的火星车“祝融号”，将依次开展对着陆点全局成像、自检驶离着陆平台并开展巡视探测。
祝融号
中国人千百年来的“向天之问”，也将揭开部分答案。
2021年，美国、中国的探测器先后抵达火星地表，阿联酋的希望号作为一枚火星环绕器已在目标轨道飞行多日。
目前成功到过火星轨道的有苏联、美国、印度、欧空局、阿联酋、中国，他们都已经完成“绕”这个阶段；而成功着陆火星的，按严格意义来说，只有美国和中国。
毅力号火星降落示意图
图源：NASA
这些探测器都带我们进一步认识了这颗红色星球，宇宙新大陆的面貌正在我们眼前变得越来越清晰。
有人会问，我们为什么要花这么大的力气去研制火星探测器，为什么要去探测火星？我想主要是“至所未至，知所未知”的好奇心使然。
当人们有条件、有能力，也有保障的时候，总是希望去未知的地方看一看。
何志平
中国科学院上海技术物理研究所研究员
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有效载荷相当于火星探测器的眼睛、耳朵，可以从不同方面探测火星的信息，包括地形地貌、物质成分、环境、地质活动，以及气候条件等。
“天问一号”上配置了13台套有效载荷，其中环绕器上7台套，火星车6台套。我们将利用环绕器在火星上空进行大范围的宏观探测，利用火星车到我们最感兴趣的地方开展精细探测。
人的眼睛也可认为是一个光谱成像仪器，可以感知不同色彩的图像。而光谱学研究发现，在人眼看不到的地方，也有很多光谱信息。我们就是利用光谱信息与物质成分之间的关联性来探测的。
火星上富含氧化铁，所以火星看起来才这么红；
发现火星表面有辉石、橄榄石等矿产资源信息以及分布情况；
在火星的极地有冰，其中大部分是干冰，小部分是水冰。
而在火星表面，除了利用吸收光谱以外，还常常采用激光诱导光谱技术。它主要是通过探测对应元素成分的特征光谱来分析。就像人的指纹一样，每一种元素都有对应的光谱特征信息。
在火星表面，利用火星车探测的国家主要是美国，得到了很多有价值的成果，如：
火星曾经可能有温暖湿润的环境；
火星曾经可能存在过微生物；
这些发现，也进一步激发了人类对火星的兴趣。今年的火星探测很热，原计划有四次火星探测任务，包括中国、美国、阿联酋和欧空局。后来欧空局因故推迟，所以现在有三个探测器正在奔向火星。
“天问一号”在环绕器上配置火星矿物光谱分析仪，在火星车上配置火星表面成分探测仪，对火星的物质成分进行探测。
环绕器上这台仪器的谱段主要在红外，我们把它叫红外光谱眼。火星车上的仪器，主要利用激光诱导技术，所以也叫激光光谱眼。
什么是定标呢？打个比方，我们以前用手表时，需要经常对时，去校正它的准确性。同理，红外光谱眼在探测过程中，也要将所获得的火星光谱特征信号校正的更准。这主要依靠多溯源、综合性的光谱定标方法。
多溯源指的是校准用了多个源，包括太阳，自带的标准灯，冷空间及火星特定区域。通过对这多个目标溯源的观测，可以更准确、全面了解仪器的响应状况，将探测的数据校对的更准确。
同时，探测火星特定区域，这些美国、欧洲等国家探测过的地方，比对我们的数据与他们的数据，在做科学研究时，特别是有新发现的时候，更容易得到同行认可。
激光诱导光谱在火星上的探测，就像对火星进行“针灸”。把激光汇聚到约0.2毫米的小点上，发出的高能量密度激光射在火星表面，由此产生高温使物质形成等离子体而发光，看起来就像一个很亮很亮的小点。
通过探测其中的光谱信息，我们就能知道探测的火星部位有什么元素。
温度是绕不过去的一个坎，虽然火星车对仪器有一定的保温的作用，但激光光谱眼有三个部件是安装在火星车外面的，就相当于暴露在室外的空调外机。
所以它要经受严寒，要在接近零下一百度的环境中活下来，并且在低温下能正常的工作，拿到可靠的数据。同时，还要在多沙尘暴的环境中存活并正常工作。
这些工作需要突破很多技术难点，那么，光谱眼是如何突破难点锤炼出来的呢？主要是靠自主创新，而且是被“逼出来”的自主创新。
举例来讲，红外光谱探测用到了一个技术叫“声光光谱探测技术”，我们最早开始研制的时候，不是为了火星，而是围绕月球探测任务开始研发的。
它要用到的一个核心器件叫声光可调滤光器，英文简写是AOTF。这个器件当时国内没有，最有效可行的方式是全球合作。
我们找到美国的一家机构，希望能够定制购买，在美国现有的器件基础之上，研制出我们需要的应用器件。但是协调下来并未成功，只能靠我们自己做。
我们首先在国内找到生长晶体的单位合作，解决大口径、高性能的二氧化碲晶体材料。
后来，又找到一家单位，虽然他们以前没有做过声光可调滤光器，但是他们做过声光原理的器件，具备设计和工艺基础；
同时，研制专用设备，支撑产品研发中的优化设计，制备工艺确认以及最终产品检验所需要的测试能力。通过与国内多家单位的协作，我们最终高质量完成了这个国产化器件的研制。
有人就会问，为什么非要用这个技术不可？这其实也是被科学探测需求“逼出来”的。刚刚提到，这项技术的研发，并不是为了火星，而是月球。
月球与火星的不同在于，它的表面温度比较高，而且没有国家去过月球表面探测红外光谱，没有经验可以借鉴。
我们经过分析、验证，AOTF技术很适合在月球较高温度条件下探测红外光谱。因为它有一个特性——可以用电控选择波长。
每个物体都在发出红外光，我们人体也一样。在疫情期间，我们利用人体发出的红外光可以测量温度。
在月球上也一样，我们仪器本身也发出红外光，而我们又要测量月球表面的光谱，两者之间会互相干扰，很难拿到有效的数据。
利用AOTF的特性，把信号光关掉的时候，可以测量仪器自身的红外光，把它打开的时候，测量仪器的红外光叠加月球红外光，这样就很容易算出月球表面光谱的信息。
除此之外，利用它可选择波长的特性，可以探测到高质量的数据。
打个比方，我们平时拍照的时候，如果在场景里有一个很亮的目标和一个很暗的目标，无论如何设定拍照的参数都不太好。要么亮的地方过曝，白花花的一片，要么暗的地方很暗，看不清细节。
但是我们可以单独分别针对暗的及亮的地方设置曝光时间和光圈，就都能得到质量较好的图像效果。
同理，要探测目标的几百个光谱，利用波长选择特性，我们可以根据每个波长的强度，单独针对它设定参数进行探测，可以获得这几百个光谱最优的信息，最终能拿到好的数据。
通过这两个特性，我们完成了月球的红外光谱探测，所以这次在火星上应用，我们就有信心多了。
现在，距离“天问一号”发射已经过去50多天了，它仍然在路上。
回到开头的问题——我们究竟能不能在火星上找到最适合种土豆的地方？我们究竟能不能在火星上找到最适合人类改造、生存的地方？我们人类究竟如何走出地球，走向未来的太空时代？
“天问一号”任务中对火星表面的物质成分探测，其实是我们深空探测任务中“一小步”。
这些宏大目标，都是由无数个这样的“一小步”来实现的，“积跬步以致千里”，我们走向深空的征程才刚刚开始。
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