火星相机 深度档案：天问一号与祝融号

香港理工大学(The Hong Kong Polytechnic University, PolyU)综合信息数据库 · 04 科研模块 本档案聚焦理大研发的「火星落火状态监视相机（Mars Landing Surveillance Camera，简称火星相机）」——它随国家首次火星任务天问一号(Tianwen-1,2021)升空，在火星表面拍摄着陆器周边环境、监视祝融号(Zhurong)火星车状态。这是理大航天科研「月球之外」的另一座里程碑。 月球采样系统见 lunar-sampling-system.md;RCDSE 机构档案见 deep-space-exploration-research-centre.md；航天总览见 aerospace-and-space.md。资料以理大新闻稿、理大刊物与权威媒体为主，均注明来源。

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# 一、概况速览

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# 二、火星相机做什么

「火星相机」的任务，是在火星这一遥远、严酷的环境中充当「眼睛」。据理大新闻稿^※与多学科研究新闻稿^※，火星相机的核心功能包括：

• 拍摄着陆器周边环境：为火星表面活动提供视觉信息；
• 监视祝融号火星车状态：在火星车释放、行驶过程中提供状态监视；
• 确认太阳能板与天线的展开状态：据理大资料，相机监视对象具体到祝融号太阳能板(solar panels)与天线(antennae)的展开与状态——这两者是火星车能否供电、能否与地球通信的命门，展不开就等于任务失败；
• 据早期资料，火星相机亦与识别可能着陆点（借助地形测绘与地貌分析技术）相关。

据 理大 RCDSE 资料^※，火星相机安装在着陆平台的外顶部(the outside top surface of the lander platform)——这个位置能俯瞰整个着陆器顶面与火星车下行的斜坡，既看得到自己脚下的火星地貌，也盯得住祝融号从平台缓缓驶下的全过程。

火星距地球极远，通信有显著延迟，环境（温度、辐射、尘暴）严酷；相机必须在这些条件下可靠工作。这对仪器的可靠性、耐环境能力与空间资格验证提出了极高要求——火星探测器从进入大气层到成功着陆，全程须自主完成，地面团队无法实时干预，因为地火单程通信延迟可达十余分钟，任何指令来回都远远赶不上着陆过程本身的几分钟窗口。这意味着火星相机不仅要「拍得清楚」，还要在着陆冲击的瞬间「扛得住」，并在无人干预下自动记录关键影像数据供后续分析。

据理大新闻稿^※，火星相机规格如下：

6,200G 是什么概念？ 1G 等于地球表面重力加速度（约 9.8 m/s²）。着陆时约 6,200G 的冲击力意味着仪器须在瞬间承受约 60,760 m/s² 的加速度——相当于其自重约 6,200 倍的力道。这是为何太空仪器须经严格「空间合格实验」（包括振动测试、热真空测试）才能上天的原因。理大团队为火星相机特别设计了抗冲击结构，使其在着陆冲击后仍能正常成像。

来源强度：火星相机功能（拍摄周边、监视祝融号、太阳能板/天线展开）、安装位置、质量/视场角/温差/冲击力规格均见理大新闻稿与 RCDSE 资料。

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# 三、相机怎么造出来：轻、耐撞、抗辐射的三重设计

火星相机全重仅约 390 克——比一部智能手机略重，却要在一次任务里同时对付三种截然不同的物理考验：热、撞击、辐射。这也是为什么它虽小，却被理大列为「招牌仪器」之一。据 理大 ISE 学系资料^※，相机在三个方向上做了针对性的工程设计：

• 一体化散热(integrated thermo-dissipation)：相机从地球飞往火星约九个月，途中经历约 150°C 的极端温差，落火后又要在火星地表的低温下工作；一体化散热结构负责把成像器件产生的热与外界温度波动一起「摊平」，避免电子元件因忽冷忽热而失效；
• 分层金属抗辐射(layered metallic radiation protection)：深空缺少地球磁场与大气的屏蔽，宇宙射线与太阳高能粒子会破坏影像传感器；相机以分层金属结构为敏感元件挡辐射；
• 柔性抗冲击结构(flexible shock absorbing structure)：着陆瞬间约 6,200G 的冲击若直接传到镜组与传感器，足以让相机报废；柔性缓冲结构把冲击「吃掉」，让相机撞完还能正常成像。

据理大资料，容启亮教授对设计难点的概括是：相机须在极端太空旅行环境下保持高可靠性的同时，兼具广视场与低畸变光学（官方直引，一句为限）。广角与低畸变本身是一对矛盾——视场越广，边缘越容易变形；要在 170 度对角视场里还保住画面不扭曲，才谈得上「看清楚」火星车与着陆器的真实姿态。

为什么非要斤斤计较那 390 克？ 深空任务里，每一克质量都要靠火箭从地球「背」上去，发射成本以「克」计价；探测器的质量预算(mass budget)被各分系统争抢到极致，留给一台监视相机的额度极其有限。把相机压到约 390 克，意味着散热、抗辐射、抗冲击三套结构都要在这点重量里塞下——轻，本身就是航天工程里最硬的约束之一，也最能体现精密设计的功力。

这套设计后来得到国际背书：据 理大 ISE 资料^※，「火星落火状态监视相机」在2023 年第 48 届日内瓦国际发明展上获金奖（评审团嘉许，Gold Medal with Congratulations of the Jury），另获罗马尼亚克卢日-纳波卡技术大学专项奖。更值得留意的是，为这台相机开发的技术后来被转移应用到外科手术机器人等领域——一台上过火星的相机，其散热与精密结构经验，最终回流到地面的医疗器械（知识转移见 innohk-and-knowledge-transfer.md）。

来源强度：一体化散热、分层金属抗辐射、柔性抗冲击结构、日内瓦金奖、技术转移至手术机器人均见理大 ISE 资料；广视场低畸变的容启亮表述为官方直引。

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# 四、天问一号(2021)：国家首次火星任务

据理大资料与公开报道，天问一号(Tianwen-1)是中国首次自主火星探测任务，一次任务同时完成「环绕、着陆、巡视」三步，这在世界火星探测史上属首例。它的时间线（据 任务公开资料^※ 与理大新闻稿）大致如下：

值得注意的是，天问一号并非「到了就落」。据 任务公开资料^※，探测器 2021 年 2 月入轨后并未立即着陆，而是先在火星轨道上环绕约三个月，对预选着陆区反复勘察、确认地形安全后，才在 5 月择机释放着陆器——这种「先环绕、后着陆」的稳妥策略，把首次火星着陆的风险压到最低，也给吴波团队的地形分析留足了核对空间。

火星探测最凶险的一段，是从进入大气层到落地的「恐怖七分钟」：探测器以极高速度冲入火星稀薄大气，须依次完成气动减速、降落伞展开、动力反推(retro-propulsion)三个阶段，把时速从上万公里刹到接近零。整个下降过程仅几分钟，而地火单程通信延迟长达十余分钟，意味着当地面收到「开始进入大气」的信号时，着陆其实早已结束——成败在信号传回前就已注定。这一过程全程自主，地面来不及干预。正因如此，落地一刻着陆平台上的火星相机能否如常工作、能否记录下火星车展开的画面，本身就是对整台仪器抗冲击设计的终极检验。理大新闻稿明确记录：天问一号于 2021 年 5 月 15 日成功在乌托邦平原预选着陆区软着陆，理大研发的火星相机随之投入监视任务。

为什么落在乌托邦平原？ 乌托邦平原(Utopia Planitia)是火星北半球一片辽阔平坦的撞击盆地，地势开阔、大石与陡坡相对少，适合探测器安全着陆；这里也并非无名之地——早在 1970 年代，美国「海盗 2 号(Viking 2)」着陆器就落在这一带。祝融号选在乌托邦平原，既图其平坦安全，也看中它作为古代可能存在水/冰活动区域的科学价值（吴波团队的选址分析见本篇第七节）。着陆点一旦选定，容启亮团队的火星相机便在这片平原上完成了它「监视落火状态」的使命。

理大研发的火星相机随天问一号执行任务，在火星表面拍摄环境、监视祝融号——使理大成为这一国家级首次火星任务的香港参与者。据理大刊物，这位领衔的学者是香港首位参与国家航天任务仪器研制的科学家（见 aerospace-and-space.md）。

来源强度：天问一号为国家首次火星任务、发射/入轨/着陆/巡视时间线、乌托邦平原与海盗 2 号见任务公开资料，火星相机参与、乌托邦平原着陆见理大新闻稿。

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# 五、祝融号：火星相机监视的对象

火星相机盯着的这台火星车，就是祝融号(Zhurong)——以中国神话中的火神命名。了解它，才明白火星相机「监视状态」这四个字的分量。据 任务公开资料^※：

祝融号靠太阳能供电，这正是火星相机要在着陆后第一时间确认太阳能板是否顺利展开的原因——板子展不开，火星车就成了一块晒不到电的铁疙瘩。它原定工作约三个火星月，实际却在乌托邦平原坚持了逾一个地球年，向南行驶约 1,921 米，远超设计寿命。

祝融号的结局，也把火星环境的严酷写得很清楚。据 任务公开资料^※，2022 年 5 月，为躲避将至的火星冬季与沙尘暴，祝融号转入休眠模式，原计划在条件适宜时自主唤醒；但截至 2025 年它再未苏醒，最可能的原因是火星尘埃在太阳能板上不断堆积，使发电量降到不足以自唤醒的水平。一台在地球上再普通不过的「灰尘」，最终成了压垮一辆火星车的最后一根稻草——这也从反面印证，火星相机当年在着陆一刻拍下太阳能板与天线展开的画面，为何是任务安全监视中不可省略的一环。

祝融号在乌托邦平原带回了什么？ 火星相机监视的这台火星车，一年多的巡视并非空跑。据 《自然》刊载的祝融号雷达探测研究^※，祝融号用车载探地雷达沿约 1,171 米的行驶路径，在不足 10 米厚的表层风化层之下，探测到一层厚约 70 米的多层结构；研究者据此推断，这是乌托邦平原在晚西方纪至亚马逊纪期间经历多次洪水沉积的地质记录。另据 《自然·天文学》研究^※，雷达在约 35 米深处发现了埋藏的多边形地貌(buried polygonal terrain)，约 1.2 公里内识别出十六处多边形楔状构造，可能与远古的水/冰冻融过程有关。虽然探测深度内未发现液态水的直接证据，但研究者不排除次表层存在含盐冰。对本档案而言，这些成果的意义在于：理大火星相机所服务的，不是一次象征性的「插旗」，而是一次真正产出前沿行星科学的任务。

来源强度：祝融号质量/尺寸/能源/行驶里程、2022 年 5 月休眠、尘埃堆积致未再唤醒、环绕器持续工作均见任务公开资料；70 米多层结构、35 米多边形地貌、含盐冰推断见《自然》与《自然·天文学》研究。

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# 六、研制速度：不到三年的攻坚

据理大资料，团队自 2017 年起受命研制，在不到三年的时间内完成了火星相机的研制以及相应的空间资格验证实验(space qualification experiments)。

这一速度在航天工程中相当不易：航天仪器从设计到通过空间资格验证（证明其能在发射振动、真空、极端温度、辐射等条件下可靠工作），通常需要漫长的反复测试。理大团队在不到三年内完成全流程，反映其在精密工程与空间资格验证上的成熟能力——这一速度与容启亮团队此前研制相机指向系统（用于嫦娥三、四号）、表土采样封装系统（用于嫦娥五、六号，见 lunar-sampling-system.md）积累的经验密不可分。

领衔者容启亮：一条贯穿月球到火星的线。火星相机不是一位「跨界者」的偶然之作。领衔的容启亮教授是理大工业及系统工程学系的钟士元爵士精密工程教授(Sir Sze-yuen Chung Professor in Precision Engineering)，早在嫦娥三号、四号任务中就为国家研制了可转动拍摄月面的相机指向系统(Camera Pointing System)，随后又领衔用于嫦娥五、六号的表土采样封装系统（见 lunar-sampling-system.md）。从月球正面到月球背面、再到火星表面，容启亮团队的仪器一路把「香港制造」送上了国家深空探测的多个关键节点。也正因有这条「月球线」在前打底，火星相机的抗冲击、空间资格验证等硬功夫，才能在不到三年里一次做到位——这台相机是理大深空工程积累到一定厚度后水到渠成的产物，而非从零起步的冒险。

来源强度：自 2017 年起、不到三年完成研制与空间资格验证见理大资料；容启亮讲席头衔与相机指向系统、采样封装系统的履历见理大新闻稿与本站月球采样档案。

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# 七、双线贡献：造相机与选着陆点

天问一号任务里，理大不止交了一台相机。它以两条并行的技术线参与了同一次任务——一条「造相机」，一条「选着陆点」。

据多学科研究新闻稿^※，土地测量及地理资讯学系的吴波教授团队，为天问一号的着陆区选址提供了地形测绘与地貌分析支撑：

• 在全球尺度筛出三个候选着陆区——亚马逊平原(Amazonis Planitia)、克里斯平原(Chryse Planitia)与最终入选的乌托邦平原(Utopia Planitia)；
• 以 AI 技术分析了超过 67 万个撞击坑与约 200 万块岩石，评估各候选区的地形安全性；
• 生成高分辨率三维数字地形模型，帮助确定具体的着陆椭圆。

两条线在同一任务里咬合得很紧：吴波团队先「看地形」把最安全的落点算出来，容启亮团队的相机再在落点上「看状态」记录着陆与火星车展开的全过程。「造相机」与「看地形」的协同，正是理大深空探测研究中心(RCDSE)「机构 + 双主任」组织模式的具体体现（见 deep-space-exploration-research-centre.md；吴波星表测绘详见 wu-bo-lunar-mars-topographic-mapping.md）。

来源强度：吴波团队三个候选区、67 万撞击坑/200 万岩石、三维地形模型见理大多学科研究新闻稿。

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# 八、后续：进入国家安全教育展览

火星相机的意义不止于科研。据PolyU PAIR 新闻^※，理大研发的火星相机曾在国家安全教育展览馆(National Security Exhibition Gallery)展出——作为香港科技力量服务国家航天工程的实例，被纳入国家安全与科技自立自强的叙事之中。

这一展出，使火星相机从一件「科研仪器」上升为香港参与国家科技战略的象征，具有超出技术本身的公共意义。展览馆通常面向公众、学生团体开放，火星相机与其背后「香港理工大学研发」的说明牌并列展示，让参观者直接把「香港科研」与「国家航天工程」联系起来——这类展陈安排本身就是一种公共传播策略，把实验室里的技术细节转译成普通市民能理解的国家叙事。

从时间线看，火星相机在公众视野里走完了一条完整的路：2020 年立项曝光、2021 年随天问一号落火、2023 年拿下日内瓦发明展金奖、2024 年进入国家安全教育展览馆。技术奖项认可的是「造得好」，展览馆陈列强调的是「意义大」——两者叠加，才让这台 390 克的相机在香港的公共叙事里站稳了位置。

来源强度：火星相机在国家安全教育展览馆展出见 PolyU PAIR 新闻；2023 年日内瓦金奖见理大 ISE 资料；展览馆性质与传播意义为分析性归纳。

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# 九、放进理大航天科研版图

火星相机与月球采样系统，共同构成理大航天科研的「双子星」：

从月球到火星，从「采样」到「监视」，理大的航天仪器贡献覆盖了国家深空探测的多个关键节点。这一系列成果，使理大坐实了「国家深空探测的香港伙伴」角色（总览见 aerospace-and-space.md）。

火星相机的成功，也让理大在天问一号任务中形成「双线贡献」——容启亮团队负责的相机监视着陆过程，吴波团队则负责着陆区选址的地形测绘分析（详见 wu-bo-lunar-mars-topographic-mapping.md）。「造相机」与「看地形」两条技术路线在同一任务中协同，是理大深空探测研究中心(RCDSE)「机构 + 双主任」组织模式的具体体现（见 deep-space-exploration-research-centre.md）。

值得一提的是，火星相机与相机指向系统虽然都以「相机」为名，但功能定位截然不同：相机指向系统是可转动的「眼睛」，用于拍摄月面全景与建立三维地形模型；火星相机则是固定安装于着陆平台外顶部的「监视器」，专注于记录着陆瞬间与巡视器展开状态的关键影像。两者的共同点在于都须通过严苛的空间资格验证，并都由容启亮团队主导设计——这也是为什么本数据库把它们并称理大航天仪器的「代表作」而非孤立个案。

# 关于火星相机的几个常见问题

火星相机是谁造的、属于哪次任务？ 它由香港理工大学容启亮教授团队研发制造，是国家首次自主火星探测任务天问一号(2021)着陆器上的载荷之一，据 理大新闻稿^※，其正式名称为「火星落火状态监视相机」。

它到底看什么？ 据理大与 RCDSE 资料，它安装在着陆平台外顶部，负责拍摄着陆器周边的火星地貌，并监视祝融号火星车的行驶，以及太阳能板、天线的展开与状态——都是关乎火星车能否供电、能否与地球通信的关键环节。

这台相机有多小、多结实？ 全重约 390 克，却要扛住地火之间约 150°C 的温差与着陆时约 6,200G 的冲击；靠一体化散热、分层金属抗辐射与柔性抗冲击三套设计实现，2023 年获 日内瓦国际发明展金奖^※。

理大在天问一号里只出了这台相机吗？ 不是。除容启亮团队的相机外，吴波教授团队还为任务做了着陆区地形测绘与选址分析（见第七节），是「造相机」与「看地形」的双线贡献。这也让理大成为香港高校中少数在同一次国家火星任务里同时承担仪器研制与前期科学支撑的一员。

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