天问一号|堪比27架歼20！美国核动力火星车造价创新高，看天问一号值多少钱
2020年7月30日19时50分 ， 美国NASA所属喷气推进实验室制造的毅力号火星车由一枚宇宙神五号-541型火箭在卡纳维拉尔角空军基地SLC-41工位点火升空 ， 此次载荷发射总质量接近4吨 ， 仅次于重达5吨的我国天问一号火星飞船 。
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宇宙神五号-541火箭发射毅力号火星车
火星凭借与地球相似的星球环境 ， 且处于太阳系宜居带边缘 ， 加上距离相对较近 ， 因此自上世纪六十年代以来就是深空探测的热门选择 。 迄今人类已经实施了四十余次火星探测任务 ， 在火面巡视领域仍然是美国航天的独角戏 ， 俄罗斯、欧空局虽然也曾尝试登陆火星但皆以失败告终 。
在毅力号之前NASA分别于1997年7月4日、2004年1月3日、2004年1月25日、2012年8月5日成功部署索杰纳号、勇气号、机遇号、好奇号共四辆火星车 ， 目前好奇号仍处于工作状态 。
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好奇号火星车
最新发射的毅力号完全继承了好奇号火星车的“六轮摇臂-转向架”车体设计 ， 用于发供电的放射性同位素热电发生器也是好奇号的备份产品 。 由于应用了功能迥异的科学载荷 ， 同时又拓展了火星直升机与火星采样返回先导任务 ， 因此车体重量也由好奇号的900公斤上升至1025公斤 。
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毅力号火星车
为什么只有美国在火星表面上演独角戏？
【天问一号|堪比27架歼20！美国核动力火星车造价创新高，看天问一号值多少钱】通过梳理世界火星探测任务可以发现 ， 在上世纪七十年代初期之前苏联火星探测虽然屡战屡败 ， 但火星-3号仍然拿下了人类首次成功软着陆火星表面的成就 ， 虽然在着陆火面14.5秒后着陆器失联 ， 但这一纪录仍然属于苏联 。 美国是在4年后才通过海盗一号任务实现火星软着陆 ， 可以说在火星探测初期美苏属于平分秋色 。
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火星-3号登陆器模型
然而苏联在1973年发射火星-7号之后长达14年时间里火星探测工程事实上处于停摆状态 ， 而在同一时期美国先后成功部署了海盗一号轨道器、海盗一号登陆器、海盗二号轨道器、海盗二号登陆器共4部火星探测器 ， 进一步夯实了火星环绕探测、着陆探测两大科目的根基 ， 为20世纪90年代至今的火星表面巡视探测打下了坚实基础 。
长达14年时间苏联火星探测零作为毫无疑问与那一时期的经济颓势密切相关 ， 深空探测表面上看是科技竞争 ， 实际上仍然是以经济发展为基础的国力之争 。
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海盗一号/二号的成功为美国火星探测奠定基础
童叟无欺：航天工程从来都是一分价钱一分货
以好奇号核动力火星车为例 ， 该项目前后共计耗资25亿美元 ， 即便是世界头号大国在深空探测领域也得学会过紧日子 ， 在研发毅力号火星车之初预算被严格限定在10亿美元 。 编列预算的委员会认为毅力号基于成熟车体设计、成熟的任务实施经验 ， 以及好奇号成熟的产品供应链 ， 维持低预算水平是情理之中 。
然而现实又给他们上了一课 ， 毅力号火星车事实上已经花掉了27亿美元 ， 耗资超越好奇号再创人类火星探测投资新纪录 ， 用这笔钱可以换27架F-35或者歼-20 。
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毅力号火星车包裹在进入舱中
与高价探火相比近年来又涌现了一批低价探火项目 ， 比如印度2013年发射的曼加里安号绕火卫星 ， 整个项目耗资45亿卢比 ， 折合美元约7400万 ， 此消息一出立马引得众多国人连连称赞其高效和低成本 。
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印度曼加里安号绕火卫星
0.74亿美元打造的绕火卫星真的高效吗？实施深空探测项目通常可以锻炼两大能力 ， 分别是工程能力与科学能力 ， 就工程能力来看 ， 印度缺乏深空测控网 ， 不论是2013年发射曼加里安绕火卫星 ， 还是2019年发射月船-2号月球探测器 ， 使用的都是美国深空测控网 。
如果没有深空测控网意味着什么？意味着他们的航天器根本无法正确切入绕月、绕火轨道 ， 这是深空探测工程的重要门槛 ， 也就是说事实上印度航天并不具备独立进行火星探测的能力 。
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NASA深空网70米口径测控天线
曼加里安号绕火卫星重量仅有1.35吨 ， 但还是受限于PSLV极轨运载火箭捉襟见肘的运力导致卫星无法像天问一号那样直接进入地火转移轨道 ， 而是一圈一圈地绕飞地球进行加速 ， 当速度达到第二宇宙速度后方可进入地火转移轨道 。
由于频繁的点火加速需要消耗大量燃料 ， 因此探测器可供安装科学载荷的空间更是少之又少 ， 最终只搭载了一台彩色相机 ， 和其余4台性能并不出众的探测载荷 。
与之对比 ， 我国天问一号仅轨道器就搭载了7大科学载荷 ， 其中一台火星高分相机分辨率更是达到了同类产品的世界领先水平 ， 局部分辨率可达0.25米 。 综合来看 ， 印度曼加里安号绕火卫星可实现功能仅相当于天问一号的六分之一 。
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天问一号火星探测器
我国深空探测诠释真正的低投入高产出
天问一号火星探测器目前已经飞离地球引力 ， 它将要完成的是一步实现绕、落、巡火星的三大工程任务 ， 任务如果最终成功将意味着我们将坐稳人类火星探测的第二把交椅 。 从落后半个多世纪到位居世界前列 ， 天问一号所承载的战略价值不言而喻 ， 这么重要的任务需要花多少钱呢？
官方一般很少透露航天器研发经费数据 ， 但也能从以往历次任务中找寻蛛丝马迹 。
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天问一号环绕器
天问一号飞船由环绕器、进入舱、着陆巡视器三大部分组成 ， 发射质量5吨 ， 其中环绕器发射质量3.175吨 ， 主要承担天问一号飞船地火转移段飞行控制、环绕火星探测两大职能 ， 在着陆巡视器降落火星初期阶段兼职中继通信职能 ， 可以将其视为一颗绕火探测卫星 。
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天问一号结构示意图
环绕器搭载有中分辨率相机、高分辨相机、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共计7大载荷 ， 展开对火星大气电离层与行星际环境探测、火星表面和地下水冰分布探测、火星土壤类型分布和结构探测、火星地形地貌特征及其变化探测、火星表面物质成分调查分析 ， 共计5大类科学探测任务 ， 是对火星从大气到地表再到地下的全面立体扫描 。
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天问一号环绕器近火制动效果图
不论是平台工程能力亦或者科学探测能力都远在嫦娥二号绕月卫星之上 ， 火箭专家龙乐豪院士在2013年接受采访时披露 ， 嫦娥二号探测器大概投入7亿~8亿人民币 ， 通过梳理嫦娥探月工程发展时间轴可知通货膨胀因素在航天采购中的影响可以忽略不计 ， 基于平台与载荷能力判断 ， 天问一号环绕器研发投入估值可达10亿~12亿人民币 。
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着陆巡视器被包裹在进入舱内
天问一号着陆巡视器估值可参照嫦娥四号 ， 我们先来看看二者的异同：
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天问一号着陆器与巡视器
天问一号着陆器仅承担软着陆职能 ， 嫦娥四号着陆器不仅承担软着陆职能 ， 也有科学探测任务 ， 加上月夜生存需求配置了同位素温差核热源 ， 因此嫦娥四号着陆器相较于天问一号着陆器的造价更贵 。
天问一号巡视器集中配置6大科学载荷 ， 承担火星表面的所有科学探测职能 ， 嫦娥四号巡视器玉兔二号则仅承担部分探测任务 。 天问一号巡视器车体全新设计 ， 不仅体量更大机动能力也更强 ， 因此可以判断天问一号巡视器造价高于玉兔二号月球车 。
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嫦娥四号着陆器与巡视器
天问一号着陆+巡视器制造成本与嫦娥四号着陆+巡视器的成本大致相当 ， 但天问一号是全新产品所以前期研发投入更高 ， 整体投入仍高于嫦娥四号 。 基于嫦娥四号探测器7亿人民币的研发投入判断 ， 天问一号着陆巡视器组合体估值在10亿人民币左右 。
进入舱基于“超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料”全新研发设计 ， 估值3亿人民币 ， 长征五号运载火箭发射价格约为6亿人民币 ， 为服务探火工程天津武清新建了GRAS-4型70米口径射电天线 ， 喀什深空站也扩建了天线阵列 ， 测控系统估值4亿人民币 。
天问一号各系统相加综合估值为32亿人民币 ， 折合美元4.57亿 。
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天津武清GRAS-4型70米口径天线反射体
天问一号研发成本远远低于毅力号的27亿美元 ， 仅略高于勇气号火星车的4亿美元 。 但天问一号要实现的工程目标却远远不止于巡视探测 ， 因为它还有环绕探测 。
如果是大洋彼岸的NASA完成天问一号任务需要花多少钱呢？就是勇气号+火星勘察卫星的造价 ， 总计11.2亿美元 ， 是天问一号成本的两倍不止 。
印度与美国在航天领域可谓是走向了两个极端 ， 前者是蜻蜓点水式的深空探测 ， 核心原因是国力有限 ， 没钱 。 后者项目成本屡创新高则是制造业空心化的后果体现 。
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天问一号火星车行进测试
可持续发展战略助力高效推进航天事业
精打细算过日子向来是中国航天的优良传统 ， 嫦娥二号探测器就是一个典型案例 。 它原本是嫦娥一号绕月卫星备份产品 ， 在受领嫦娥探月二期工程先导任务后 ， 主要针对嫦娥三号落月区进行高分辨率成像 。
它在近月点15公里远月点100公里轨道先后两次执行高分辨率成像工作 ， 总计获取35轨嫦娥三号落月区图像 ， 成像分辨率优于1.5米 ， 为嫦娥三号选点着陆提供了科学依据 ， 在距离月面仅15公里高度两次抬升轨道又为嫦娥五号验证了月面上升轨道控制技术 。
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嫦娥二号获取的全月图是世界最高分辨率
嫦娥二号环月探测阶段除了获取嫦娥三号落区高分辨率图像 ， 又获取了比嫦娥一号更高分辨率的全月立体影像图 ， 为后续嫦娥四号、五号等一系列探测任务实施奠定了数据基础 。
完成成像工作后 ， 嫦娥二号开启主发动机变轨飞离月球 ， 进入拓展任务阶段 。 第一个拓展任务是飞抵距离地球约150万公里的日地拉格朗日L2点 ， 并成功验证绕飞轨道 ， 这是人类航天器首次从月球轨道出发前往日地拉格朗日L2点绕飞轨道 。
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嫦娥二号进入日地拉格朗日L2点环绕轨道
之后嫦娥二号继续向深空飞去 ， 这一次它的目标是被誉为“战神”的图塔蒂斯小行星 ， 在飞行过程中面对美国关闭图塔蒂斯小行星轨道数据的不利局面 ， 我国天文观测网集合国内主力天文望远镜对该小行星进行了精确的轨道计算 ， 最终嫦娥二号成功飞掠“战神” ， 并获取了图塔蒂斯小行星连续稳定的成像数据 。
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嫦娥二号拍摄的图塔蒂斯小行星
而这还没有完 ， 嫦娥二号继续抬升轨道 ， 连续突破1000万公里、2000万公里、5000万公里、6100万公里轨道 ， 并于6年前突破1亿公里轨道 ， 在此期间连续验证了我国深空测控网技术性能 ， 为天问一号的火星之旅再次奠定基础 。
嫦娥二号从绕月卫星变身小行星探测器 ， 进而又成为围绕太阳运转的人造小行星 ， 实际上如果不是当时深空测控网还没有完全齐备 ， 嫦娥二号甚至计划飞向火星 ， 一箭多雕的任务执行能力背后凸显中国航天系统运转之高效 。
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嫦娥二号
这时有人会问了 ， 人家印度曼加里安号任务你怎么不说“精打细算”不说“高效”了？因为它们缺乏成体系的长远任务规划 ， 这种精打细算的背后是真没钱 。 工程方面没有掌握自主可控的深空测控能力 ， 科学探测除了获取火星照片 ， 剩余探测任务皆为重复建设 ， 在月船-2号任务失败后 ， 他们又瞄上了金星 ， 这种东一榔头西一棒子的探测除了收获一些所谓的“纪录”再没有其他价值可言 。
深空探测成体系向纵深突破植根于强大国力
中国航天精打细算之后该花的钱丝毫不手软 ， 在嫦娥探月工程带动下立足喀什、佳木斯、阿根廷内乌肯建立了覆盖全球测控弧段的深空测控网 ， 测控边际触达太阳系边缘 ， 综合实力位居世界前列 。 在此基础上天津武清70米级亚洲第一大数据接收天线、喀什深空天线阵持续加码 ， 昌吉奇台县正在计划筹建百米级全可动射电望远镜 ， 届时我国行星际探测实力将再上一个新台阶 。
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喀什深空天线阵
天问一号探测任务投资估值的32亿人民币能买到什么？半艘055万吨大驱或者5架歼-20 ， 看上去并不是什么天文数字 ， 但服务天问一号的工业体系是用再多钱也买不到的 。
5吨重的天问一号飞船每一个零部件都是高投入加持 ， 比如着陆器使用的拉杆和限力杆部件 ， 仅在方案设计阶段就批产了600多件 ， 进入舱使用的大尺寸减速伞也要通过高空探空火箭多次发射至数十公里高空模拟火星大气开伞 ， 进入舱设计也需要高超音速风洞助力 ， 可见为了达到指标性能前期要投入多少财力 。
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天问一号火星进入舱
每每谈到航天工程的价值时人们都常说它可以带动工业发展 ， 然而这一情况正在发生新的质变 。 今年上半年长征五号B型遥一火箭顺利完成新一代载人飞船首飞任务 ， 这款飞船接下来将用于载人登月任务 。
就是这样一款承担史诗级登月任务的新飞船从启动到完成初样研制仅用时3年 ， 可以说创造了一个新的人类航天纪录 ， 对此张柏楠总师这样说道 ， 确实咱们国家中国制造的能力是有大幅提高 ， 从图纸下厂到最后制造非常快而且非常精准 ， 就能够一次完成 ， 这技术水平应该都是国际先进或者国际领先的 。
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工业能力大幅提升反哺航天工程
从这里明显可以看出工业能力的提高正在反哺新飞船的研制 ， 由过去被动适应航天制造需求变为主动服务航天需求 ， 这一转变也是历史性的 ， 因为它将助力中国航天进入自由王国时代 ， 就是航天需要什么 ， 就可以设计制造出什么 。
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