火星相機 深度檔案：天問一號與祝融號

香港理工大學(The Hong Kong Polytechnic University, PolyU)綜合信息數據庫 · 04 科研模塊 本檔案聚焦理大研發的「火星落火狀態監視相機（Mars Landing Surveillance Camera，簡稱火星相機）」——它隨國家首次火星任務天問一號(Tianwen-1,2021)升空，在火星表面拍攝着陸器周邊環境、監視祝融號(Zhurong)火星車狀態。這是理大航天科研「月球之外」的另一座里程碑。 月球採樣系統見 lunar-sampling-system.md;RCDSE 機構檔案見 deep-space-exploration-research-centre.md；航天總覽見 aerospace-and-space.md。資料以理大新聞稿、理大刊物與權威媒體為主，均註明來源。

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# 一、概況速覽

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# 二、火星相機做什麼

「火星相機」的任務，是在火星這一遙遠、嚴酷的環境中充當「眼睛」。據理大新聞稿^※與多學科研究新聞稿^※，火星相機的核心功能包括：

• 拍攝着陸器周邊環境：為火星表面活動提供視覺信息；
• 監視祝融號火星車狀態：在火星車釋放、行駛過程中提供狀態監視；
• 確認太陽能板與天線的展開狀態：據理大資料，相機監視對象具體到祝融號太陽能板(solar panels)與天線(antennae)的展開與狀態——這兩者是火星車能否供電、能否與地球通信的命門，展不開就等於任務失敗；
• 據早期資料，火星相機亦與識別可能着陸點（藉助地形測繪與地貌分析技術）相關。

據 理大 RCDSE 資料^※，火星相機安裝在着陸平台的外頂部(the outside top surface of the lander platform)——這個位置能俯瞰整個着陸器頂面與火星車下行的斜坡，既看得到自己腳下的火星地貌，也盯得住祝融號從平台緩緩駛下的全過程。

火星距地球極遠，通信有顯著延遲，環境（温度、輻射、塵暴）嚴酷；相機必須在這些條件下可靠工作。這對儀器的可靠性、耐環境能力與空間資格驗證提出了極高要求——火星探測器從進入大氣層到成功着陸，全程須自主完成，地面團隊無法實時干預，因為地火單程通信延遲可達十餘分鐘，任何指令來回都遠遠趕不上着陸過程本身的幾分鐘窗口。這意味着火星相機不僅要「拍得清楚」，還要在着陸衝擊的瞬間「扛得住」，並在無人干預下自動記錄關鍵影像數據供後續分析。

據理大新聞稿^※，火星相機規格如下：

6,200G 是什麼概念？ 1G 等於地球表面重力加速度（約 9.8 m/s²）。着陸時約 6,200G 的衝擊力意味着儀器須在瞬間承受約 60,760 m/s² 的加速度——相當於其自重約 6,200 倍的力道。這是為何太空儀器須經嚴格「空間合格實驗」（包括振動測試、熱真空測試）才能上天的原因。理大團隊為火星相機特別設計了抗衝擊結構，使其在着陸衝擊後仍能正常成像。

來源強度：火星相機功能（拍攝周邊、監視祝融號、太陽能板/天線展開）、安裝位置、質量/視場角/温差/衝擊力規格均見理大新聞稿與 RCDSE 資料。

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# 三、相機怎麼造出來：輕、耐撞、抗輻射的三重設計

火星相機全重僅約 390 克——比一部智能手機略重，卻要在一次任務裏同時對付三種截然不同的物理考驗：熱、撞擊、輻射。這也是為什麼它雖小，卻被理大列為「招牌儀器」之一。據 理大 ISE 學系資料^※，相機在三個方向上做了針對性的工程設計：

• 一體化散熱(integrated thermo-dissipation)：相機從地球飛往火星約九個月，途中經歷約 150°C 的極端温差，落火後又要在火星地表的低温下工作；一體化散熱結構負責把成像器件產生的熱與外界温度波動一起「攤平」，避免電子元件因忽冷忽熱而失效；
• 分層金屬抗輻射(layered metallic radiation protection)：深空缺少地球磁場與大氣的屏蔽，宇宙射線與太陽高能粒子會破壞影像傳感器；相機以分層金屬結構為敏感元件擋輻射；
• 柔性抗衝擊結構(flexible shock absorbing structure)：着陸瞬間約 6,200G 的衝擊若直接傳到鏡組與傳感器，足以讓相機報廢；柔性緩衝結構把衝擊「吃掉」，讓相機撞完還能正常成像。

據理大資料，容啓亮教授對設計難點的概括是：相機須在極端太空旅行環境下保持高可靠性的同時，兼具廣視場與低畸變光學（官方直引，一句為限）。廣角與低畸變本身是一對矛盾——視場越廣，邊緣越容易變形；要在 170 度對角視場裏還保住畫面不扭曲，才談得上「看清楚」火星車與着陸器的真實姿態。

為什麼非要斤斤計較那 390 克？ 深空任務裏，每一克質量都要靠火箭從地球「背」上去，發射成本以「克」計價；探測器的質量預算(mass budget)被各分系統爭搶到極致，留給一台監視相機的額度極其有限。把相機壓到約 390 克，意味着散熱、抗輻射、抗衝擊三套結構都要在這點重量裏塞下——輕，本身就是航天工程裏最硬的約束之一，也最能體現精密設計的功力。

這套設計後來得到國際背書：據 理大 ISE 資料^※，「火星落火狀態監視相機」在2023 年第 48 屆日內瓦國際發明展上獲金獎（評審團嘉許，Gold Medal with Congratulations of the Jury），另獲羅馬尼亞克盧日-納波卡技術大學專項獎。更值得留意的是，為這台相機開發的技術後來被轉移應用到外科手術機器人等領域——一台上過火星的相機，其散熱與精密結構經驗，最終迴流到地面的醫療器械（知識轉移見 innohk-and-knowledge-transfer.md）。

來源強度：一體化散熱、分層金屬抗輻射、柔性抗衝擊結構、日內瓦金獎、技術轉移至手術機器人均見理大 ISE 資料；廣視場低畸變的容啓亮表述為官方直引。

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# 四、天問一號(2021)：國家首次火星任務

據理大資料與公開報道，天問一號(Tianwen-1)是中國首次自主火星探測任務，一次任務同時完成「環繞、着陸、巡視」三步，這在世界火星探測史上屬首例。它的時間線（據 任務公開資料^※ 與理大新聞稿）大致如下：

值得注意的是，天問一號並非「到了就落」。據 任務公開資料^※，探測器 2021 年 2 月入軌後並未立即着陸，而是先在火星軌道上環繞約三個月，對預選着陸區反覆勘察、確認地形安全後，才在 5 月擇機釋放着陸器——這種「先環繞、後着陸」的穩妥策略，把首次火星着陸的風險壓到最低，也給吳波團隊的地形分析留足了核對空間。

火星探測最兇險的一段，是從進入大氣層到落地的「恐怖七分鐘」：探測器以極高速度衝入火星稀薄大氣，須依次完成氣動減速、降落傘展開、動力反推(retro-propulsion)三個階段，把時速從上萬公里剎到接近零。整個下降過程僅幾分鐘，而地火單程通信延遲長達十餘分鐘，意味着當地面收到「開始進入大氣」的信號時，着陸其實早已結束——成敗在信號傳回前就已註定。這一過程全程自主，地面來不及干預。正因如此，落地一刻着陸平台上的火星相機能否如常工作、能否記錄下火星車展開的畫面，本身就是對整台儀器抗衝擊設計的終極檢驗。理大新聞稿明確記錄：天問一號於 2021 年 5 月 15 日成功在烏托邦平原預選着陸區軟着陸，理大研發的火星相機隨之投入監視任務。

為什麼落在烏托邦平原？ 烏托邦平原(Utopia Planitia)是火星北半球一片遼闊平坦的撞擊盆地，地勢開闊、大石與陡坡相對少，適合探測器安全着陸；這裏也並非無名之地——早在 1970 年代，美國「海盜 2 號(Viking 2)」着陸器就落在這一帶。祝融號選在烏托邦平原，既圖其平坦安全，也看中它作為古代可能存在水/冰活動區域的科學價值（吳波團隊的選址分析見本篇第七節）。着陸點一旦選定，容啓亮團隊的火星相機便在這片平原上完成了它「監視落火狀態」的使命。

理大研發的火星相機隨天問一號執行任務，在火星表面拍攝環境、監視祝融號——使理大成為這一國家級首次火星任務的香港參與者。據理大刊物，這位領銜的學者是香港首位參與國家航天任務儀器研製的科學家（見 aerospace-and-space.md）。

來源強度：天問一號為國家首次火星任務、發射/入軌/着陸/巡視時間線、烏托邦平原與海盜 2 號見任務公開資料，火星相機參與、烏托邦平原着陸見理大新聞稿。

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# 五、祝融號：火星相機監視的對象

火星相機盯着的這台火星車，就是祝融號(Zhurong)——以中國神話中的火神命名。瞭解它，才明白火星相機「監視狀態」這四個字的分量。據 任務公開資料^※：

祝融號靠太陽能供電，這正是火星相機要在着陸後第一時間確認太陽能板是否順利展開的原因——板子展不開，火星車就成了一塊曬不到電的鐵疙瘩。它原定工作約三個火星月，實際卻在烏托邦平原堅持了逾一個地球年，向南行駛約 1,921 米，遠超設計壽命。

祝融號的結局，也把火星環境的嚴酷寫得很清楚。據 任務公開資料^※，2022 年 5 月，為躲避將至的火星冬季與沙塵暴，祝融號轉入休眠模式，原計劃在條件適宜時自主喚醒；但截至 2025 年它再未甦醒，最可能的原因是火星塵埃在太陽能板上不斷堆積，使發電量降到不足以自喚醒的水平。一台在地球上再普通不過的「灰塵」，最終成了壓垮一輛火星車的最後一根稻草——這也從反面印證，火星相機當年在着陸一刻拍下太陽能板與天線展開的畫面，為何是任務安全監視中不可省略的一環。

祝融號在烏托邦平原帶回了什麼？ 火星相機監視的這台火星車，一年多的巡視並非空跑。據 《自然》刊載的祝融號雷達探測研究^※，祝融號用車載探地雷達沿約 1,171 米的行駛路徑，在不足 10 米厚的表層風化層之下，探測到一層厚約 70 米的多層結構；研究者據此推斷，這是烏托邦平原在晚西方紀至亞馬遜紀期間經歷多次洪水沉積的地質記錄。另據 《自然·天文學》研究^※，雷達在約 35 米深處發現了埋藏的多邊形地貌(buried polygonal terrain)，約 1.2 公里內識別出十六處多邊形楔狀構造，可能與遠古的水/冰凍融過程有關。雖然探測深度內未發現液態水的直接證據，但研究者不排除次表層存在含鹽冰。對本檔案而言，這些成果的意義在於：理大火星相機所服務的，不是一次象徵性的「插旗」，而是一次真正產出前沿行星科學的任務。

來源強度：祝融號質量/尺寸/能源/行駛里程、2022 年 5 月休眠、塵埃堆積致未再喚醒、環繞器持續工作均見任務公開資料；70 米多層結構、35 米多邊形地貌、含鹽冰推斷見《自然》與《自然·天文學》研究。

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# 六、研製速度：不到三年的攻堅

據理大資料，團隊自 2017 年起受命研製，在不到三年的時間內完成了火星相機的研製以及相應的空間資格驗證實驗(space qualification experiments)。

這一速度在航天工程中相當不易：航天儀器從設計到通過空間資格驗證（證明其能在發射振動、真空、極端温度、輻射等條件下可靠工作），通常需要漫長的反覆測試。理大團隊在不到三年內完成全流程，反映其在精密工程與空間資格驗證上的成熟能力——這一速度與容啓亮團隊此前研製相機指向系統（用於嫦娥三、四號）、表土採樣封裝系統（用於嫦娥五、六號，見 lunar-sampling-system.md）積累的經驗密不可分。

領銜者容啓亮：一條貫穿月球到火星的線。火星相機不是一位「跨界者」的偶然之作。領銜的容啓亮教授是理大工業及系統工程學系的鍾士元爵士精密工程教授(Sir Sze-yuen Chung Professor in Precision Engineering)，早在嫦娥三號、四號任務中就為國家研製了可轉動拍攝月面的相機指向系統(Camera Pointing System)，隨後又領銜用於嫦娥五、六號的表土採樣封裝系統（見 lunar-sampling-system.md）。從月球正面到月球背面、再到火星表面，容啓亮團隊的儀器一路把「香港製造」送上了國家深空探測的多個關鍵節點。也正因有這條「月球線」在前打底，火星相機的抗衝擊、空間資格驗證等硬功夫，才能在不到三年裏一次做到位——這台相機是理大深空工程積累到一定厚度後水到渠成的產物，而非從零起步的冒險。

來源強度：自 2017 年起、不到三年完成研製與空間資格驗證見理大資料；容啓亮講席頭銜與相機指向系統、採樣封裝系統的履歷見理大新聞稿與本站月球採樣檔案。

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# 七、雙線貢獻：造相機與選着陸點

天問一號任務裏，理大不止交了一台相機。它以兩條並行的技術線參與了同一次任務——一條「造相機」，一條「選着陸點」。

據多學科研究新聞稿^※，土地測量及地理資訊學系的吳波教授團隊，為天問一號的着陸區選址提供了地形測繪與地貌分析支撐：

• 在全球尺度篩出三個候選着陸區——亞馬遜平原(Amazonis Planitia)、克里斯平原(Chryse Planitia)與最終入選的烏托邦平原(Utopia Planitia)；
• 以 AI 技術分析了超過 67 萬個撞擊坑與約 200 萬塊岩石，評估各候選區的地形安全性；
• 生成高分辨率三維數字地形模型，幫助確定具體的着陸橢圓。

兩條線在同一任務裏咬合得很緊：吳波團隊先「看地形」把最安全的落點算出來，容啓亮團隊的相機再在落點上「看狀態」記錄着陸與火星車展開的全過程。「造相機」與「看地形」的協同，正是理大深空探測研究中心(RCDSE)「機構 + 雙主任」組織模式的具體體現（見 deep-space-exploration-research-centre.md；吳波星表測繪詳見 wu-bo-lunar-mars-topographic-mapping.md）。

來源強度：吳波團隊三個候選區、67 萬撞擊坑/200 萬岩石、三維地形模型見理大多學科研究新聞稿。

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# 八、後續：進入國家安全教育展覽

火星相機的意義不止於科研。據PolyU PAIR 新聞^※，理大研發的火星相機曾在國家安全教育展覽館(National Security Exhibition Gallery)展出——作為香港科技力量服務國家航天工程的實例，被納入國家安全與科技自立自強的敍事之中。

這一展出，使火星相機從一件「科研儀器」上升為香港參與國家科技戰略的象徵，具有超出技術本身的公共意義。展覽館通常面向公眾、學生團體開放，火星相機與其背後「香港理工大學研發」的説明牌並列展示，讓參觀者直接把「香港科研」與「國家航天工程」聯繫起來——這類展陳安排本身就是一種公共傳播策略，把實驗室裏的技術細節轉譯成普通市民能理解的國家敍事。

從時間線看，火星相機在公眾視野裏走完了一條完整的路：2020 年立項曝光、2021 年隨天問一號落火、2023 年拿下日內瓦發明展金獎、2024 年進入國家安全教育展覽館。技術獎項認可的是「造得好」，展覽館陳列強調的是「意義大」——兩者疊加，才讓這台 390 克的相機在香港的公共敍事裏站穩了位置。

來源強度：火星相機在國家安全教育展覽館展出見 PolyU PAIR 新聞；2023 年日內瓦金獎見理大 ISE 資料；展覽館性質與傳播意義為分析性歸納。

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# 九、放進理大航天科研版圖

火星相機與月球採樣系統，共同構成理大航天科研的「雙子星」：

從月球到火星，從「採樣」到「監視」，理大的航天儀器貢獻覆蓋了國家深空探測的多個關鍵節點。這一系列成果，使理大坐實了「國家深空探測的香港夥伴」角色（總覽見 aerospace-and-space.md）。

火星相機的成功，也讓理大在天問一號任務中形成「雙線貢獻」——容啓亮團隊負責的相機監視着陸過程，吳波團隊則負責着陸區選址的地形測繪分析（詳見 wu-bo-lunar-mars-topographic-mapping.md）。「造相機」與「看地形」兩條技術路線在同一任務中協同，是理大深空探測研究中心(RCDSE)「機構 + 雙主任」組織模式的具體體現（見 deep-space-exploration-research-centre.md）。

值得一提的是，火星相機與相機指向系統雖然都以「相機」為名，但功能定位截然不同：相機指向系統是可轉動的「眼睛」，用於拍攝月面全景與建立三維地形模型；火星相機則是固定安裝於着陸平台外頂部的「監視器」，專注於記錄着陸瞬間與巡視器展開狀態的關鍵影像。兩者的共同點在於都須通過嚴苛的空間資格驗證，並都由容啓亮團隊主導設計——這也是為什麼本數據庫把它們並稱理大航天儀器的「代表作」而非孤立個案。

# 關於火星相機的幾個常見問題

火星相機是誰造的、屬於哪次任務？ 它由香港理工大學容啓亮教授團隊研發製造，是國家首次自主火星探測任務天問一號(2021)着陸器上的載荷之一，據 理大新聞稿^※，其正式名稱為「火星落火狀態監視相機」。

它到底看什麼？ 據理大與 RCDSE 資料，它安裝在着陸平台外頂部，負責拍攝着陸器周邊的火星地貌，並監視祝融號火星車的行駛，以及太陽能板、天線的展開與狀態——都是關乎火星車能否供電、能否與地球通信的關鍵環節。

這台相機有多小、多結實？ 全重約 390 克，卻要扛住地火之間約 150°C 的温差與着陸時約 6,200G 的衝擊；靠一體化散熱、分層金屬抗輻射與柔性抗衝擊三套設計實現，2023 年獲 日內瓦國際發明展金獎^※。

理大在天問一號裏只出了這台相機嗎？ 不是。除容啓亮團隊的相機外，吳波教授團隊還為任務做了着陸區地形測繪與選址分析（見第七節），是「造相機」與「看地形」的雙線貢獻。這也讓理大成為香港高校中少數在同一次國家火星任務裏同時承擔儀器研製與前期科學支撐的一員。

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