火星探测极简史

在夜空中，有时会看到一颗亮度变化无常的小红点缓慢移动，有时候甚至还会逆行，这就是火星。中国人觉得它荧荧如火，让人困惑，把它叫做荧惑。《史记》中记载着荧惑守心的天象，认为火星行至心宿二附近时，意味着灾难。在西方，不管在北欧神话、罗马神话还是希腊神话中，火星都代表着战争和灾难，称为战神。对这颗红色的星球，地球人普遍感到恐惧不安。

望远镜的发明和科学的进步，破除了火星的神话色彩。1543年，哥白尼（N. Copernicus）提出，火星是绕太阳运行的，不是绕地球运行的。1609年，开普勒（J. Kepler）宣布，火星的公转轨道不是圆形，而是椭圆。1610年，望远镜发明的第二年，伽利略（G. Galilei）把它对准火星。

当太阳、地球、火星在一条直线上时，火星与地球之间的距离最近，称为火星冲日，是最佳的观测时机。1659年，惠更斯（C. Huygens）绘制了第一幅火星地图。1877年的火星地图上的一些直线，被认为是火星运河，由此引发了持续上百年的火星热。通过观测，天文学家发现了火星的两颗小卫星，测定了火星的自转周期，发现了南北极的极冠，绘制了一系列火星地图。但望远镜看到的图像还是太模糊了，以至于产生了很多误解。

1957年，第一颗人造地球卫星升空，开启了航天时代。苏联1960年发射人类首颗火星探测器，揭开火星探测的序幕。截至2021年8月，人类共开展了47次火星探测任务（由于判断标准不一，这一数据有所出入）。

冷战时期，美苏竞技

冷战时期，除了在载人登月上进行激烈竞争外，美国和苏联也把火星作为竞技场，掀起了火星探测的高潮。

苏联先行一步

1960年10月，苏联发射了人类历史上第一个火星探测器——“火星1960A”，不幸的是，它还未进入地球轨道就宣告失败了。4天后，蘇联又发射了第二个探测器“火星1960B”，也遭遇了失败。

接下来，苏联发射的一系列火星探测器——“斯普特尼克22号”“23号”“24号”“探针2号”“火星1969A”“火星1969B”，接连失败。直至1971年5月发射的“火星2号”，终于成功进入环绕火星的轨道，着陆器和母体分离后击中火星表面，以粉身碎骨的方式成为火星上第一个人造物体。

基于“火星2号”失败的教训，苏联于1971年5月28日发射的“火星3号”，首次实现了火星表面的软着陆。遗憾的是，着陆后密封舱只传回了20秒的电视信号，之后联系就中断了。然而，就是在这20秒中，它传回了来自火星表面的第一张近距离照片！

1990年前，苏联一共实施了17次火星探测任务，但这些任务具有强烈的政治色彩，科学目标得不到足够的重视，因而获得的科学成果有限。

美国探火开始

虽然美国比苏联晚4年发射火星探测器，但最终领先一步，获得了火星探测历史上的首次成功。

1964年，美国发射了第一个火星探测器“水手3号”，未能成功进入轨道。同年，美国发射的第二个火星探测器“水手4号”成功飞越火星，发回了宝贵的第一手资料。

“水手4号”发现，在过去30多亿年中，火星上没有显著的地质运动。火星没有全球性磁场，宇宙射线可以直达火星表面，这两项发现颠覆了人们以往对火星的认知。之前，人们一直猜测火星上有生命，甚至是高等智慧生物。但“水手4号”传回的照片，粉碎了人们对火星文明的幻想。之后，人们对火星生命的研究就转向了微生物。

1971年5月，美国发射了“水手9号”，它成为第一颗环绕火星的人造卫星。“水星9号”抵达火星时，遇到全球性的沙尘暴天气，证实了天文学家之前提出的火星上存在“超级沙尘暴”的猜测。

直到1972年，沙尘暴逐渐平息后，人类才看到了火星的全貌：河床、撞击坑、巨大的死火山、峡谷、极地沉积物、冰晶云，还有皑皑的晨雾。“水手9号”发回的照片中有疑似水流的痕迹，使人们重新燃起了对火星的兴趣，期盼能发现生命迹象。

之后，美国又发射了“海盗”系列探测器，专门用于探索火星上有无生物，该系列探测器由轨道器和着陆器构成。

“海盗1号”的着陆器于1976年7月成功登陆火星，传回了火星表面的照片，人们发现这是一个空旷、贫瘠、乱石遍布的世界，富含铁元素的土壤因为被氧化，而使火星地表呈现一片橙红。

有趣的是，“海盗1号”传回的一张“人脸”照片引起了世界轰动，被误传为是火星人。当然，所谓的火星“人脸”最后被证实是一座丘陵造成的光影错觉。

与“海盗1号”同款的“海盗2号”于1975年9月9日发射升空，1976年9月3日在乌托邦平原着陆，“天问一号”的“祝融号”火星车也登陆在这一平原。“海盗2号”携带了探测温度、磁场、风速、风向、X射线光谱等参数的科学仪器，地震检波器观测到了难得一遇的火星地震，为人类探索火星内部结构提供了新的方向。

1990年代的火星探测先锋

1990年代，在苏联解体的背景下，全球共进行了7次火星探测任务，其中美国5次，俄罗斯和日本各1次。

正是在这一时期，美国开始了系统性的火星探测计划，其中1996年发射的“火星探路者”（Mars Pathfinder， MPF）及其携带的“索杰纳”（Sojourner，也译作“旅居者号”）火星车最具标志性。

“索杰纳”是第一辆在火星表面着陆的巡视器——火星车，采用太阳能动力，行驶速度约60.96厘米/分钟，慢得像蜗牛。虽然行走速度慢，但着陆器和火星车共发回了23亿字节的信息，包括1.7万张照片、15条对周围岩石和土壤的化学分析数据，以及有关着陆点的风和气象状况的大量数据。观测结果显示，火星在早期历史中的环境可能与地球相似，地表可能有液态水，大气也很浓密。

同年，俄罗斯发射了“火星96”，由于发动机故障，火箭第四级二次点火失败，发射次日在地球大气层中坠毁。

1998年，日本发射了“希望号”（也叫“行星-B”）轨道器，原计划2003年12月抵达火星，但地面与其联系中断，未能进入环绕火星的轨道。

当然，美国也有数次失败的案例，1998年12月發射的火星气候轨道器和1999年1月发射的火星极地着陆器都遭到了失败。

21世纪，火星探测群雄逐鹿

21世纪初至今，全世界共实施了14次火星探测任务，这一阶段火星探测的最大特点，是成功率显著提高，除了俄罗斯的“火卫一—土壤”号探测任务失败外，其他任务基本上都取得了成功或部分成功。另一个特点是参与火星探测的国家越来越多，火星“找水”和搜寻生命信号成为这一阶段火星探测的重点任务。

美国火星任务

在这一时期，美国发射了“奥德赛”轨道器、“机遇号”和“勇气号”火星车、“火星勘测轨道器”、“凤凰号”着陆器，以及“好奇号”和“毅力号”火星车，这些任务都取得了成功。

美中不足的是，2018年11月登陆火星的“洞察号”，虽然成功安装了地震仪，探测到了火星上的地震。但它的“鼹鼠”钻探设备的钻探深度一直停留在35厘米，2021年1月9日任务团队被迫宣布钻探任务失败。

2020年的火星发射窗口，美国、中国、阿联酋都发射了火星探测器，北京时间2月19日凌晨4时55分，“毅力号”以5千米/秒的速度进入火星大气，在超音速状态下展开降落伞，随后抛掉隔热罩，通过空中吊车的方式，将火星车释放到火星表面。

凭借轨道器对火星表面的遥感探测、着陆器对着陆区的详查、火星车的巡视探测，美国这些年发射的探测器取得了一系列关于火星的重大发现：火星表面存在液态水，发现远古时期的湖泊遗迹，估算出火星土壤含水量，发现火星极光现象等。从大气探测、到火星表面、再到内部结构探测，几乎实现了对火星的立体勘察，改变了人们对火星的认识，为寻找生命痕迹提供了重要证据。

欧洲颇有收获

欧洲在火星探测上起步较晚。2003年，欧洲空间局（ESA）发射了“火星快车号”探测器，轨道器运行正常，获得了火星表面的遥感数据。它发现了海岸线的遗迹，在火星北极附近一个未命名的环形山底部，发现一片水冰；2004年，“火星快车”探测器发现了火星极光。

但是，进入火星大气层的“猎兔犬2号”着陆器却失去了联系。原以为“猎兔犬2号”已经坠毁，但没想到的是，2015年，美国的“火星勘测轨道器”的遥感图像显示，它成功登陆了火星，但未能打开电池板，无法与地球取得联系。失踪了十多年的“猎兔犬2号”被找到也算是火星探测史上的离奇事件。

2016年3月，欧洲和俄罗斯合作的“火星生物学-2016”（ExoMars 2016）发射升空，它包括 “微量气体轨道器”和“斯基亚帕雷利号”着陆器[斯基亚帕雷利（G. Schiaparelli），19世纪发现火星上疑似运河痕迹的意大利天文学家]。2016年10月，轨道器成功地进入火星轨道，但着陆任务再次失败。

多国加入探火队伍

2013年，印度成功发射了“曼加里安号”轨道器，这也是亚洲第一个成功的火星探测任务。这项史上成本最低的火星探测计划，耗资仅7500万美元，但功能确实也很有限。

中国国家航天局也曾与俄罗斯联邦航天局合作，2011年，“萤火一号”火星探测器搭载俄方火箭发射，但因发射失败，“萤火一号”与俄方的“火卫一—土壤号”探测器一起坠入太平洋。

2020年7月20日，阿联酋发射了阿拉伯国家的首个深空探测器——“希望号”火星探测器。这项任务使用日本H-2A火箭发射升空，由美国提供技术支持。阿联酋方面的目的也很明确，就是先当学生，学好技术将来自己干。

除以上任务外，还有大家熟知的马斯克（E. Musk）主导的太空探索技术公司，也提出了庞大的火星计划，并研发了星舰，用于将来飞向火星的旅行。但很明显，马斯克的火星计划具有强烈的商业色彩，离真正实施火星移民还有漫长的路要走。

中国后发赶超

火星探测工程是中国行星探测计划的第一步，于2016年1月11日正式立项，2020年4月24日中国航天日期间被正式命名为“天问一号”。中国将通过一次发射，实现火星环绕、着陆和巡视三项任务，采用这种“一举三得”的探测方式，起点高、挑战大，作为世界上第2个成功登陆火星的国家，我国的深空探测能力和水平得到了显著提升。

2020年7月23日中午，笔者亲眼见证着在长征五号运载火箭托举着“天问一号”从海南文昌航天发射场起飞，成功进入太空后，通过数次变轨，于2021年2月10日抵达火星，成为环绕火星的人造卫星。在接下来的三个月里，“天问一号”通过遥感探测，进一步确定了着陆点的地形和气象条件，为着陆火星做好准备。2021年5月15日早晨，与“天问一号”轨道器分离后的着陆巡视组合体，穿过火星大气层，通过一系列的减速动作，成功登陆火星。组合体刚进入火星大气层的时候，时速高达2万千米/小时，在短短的9分钟内，减速到零。如果减速不够，就会坠毁在火星表面，历史上俄罗斯数次登火失败，欧洲两次登火失败，都发生在这一阶段。

“天问一号”先是通过大气摩擦减速，当减速到1656千米/小时时，打开降落伞，利用稀薄的大气进一步减速。然后抛掉隔热罩，测量地表高程，当减速到342千米/小时的时候，7500牛变推力发动机点火，实现空中悬停。最后通过着陆垫和伸缩杆缓冲从高处落下的势能，稳稳地着陆在火星表面。中国成为世界上第二个成功登陆火星的国家，这一成就值得我们每一个中国人感到骄傲和自豪。登陸火星全程只需9分钟，但地球到火星的距离达3亿多千米，地面发出的遥控指令要17分钟才能抵达火星。这意味着，“天问一号”只能自主判断，闯过这道鬼门关。

2021年5月22日，“祝融号”火星车驶离着陆平台，在火星表面刻下了中国的印记。“祝融号”登陆的地方，位于火星上最大的盆地——直径达3300千米的乌托邦平原。它携带了6种科学仪器，用来探测地形地貌、表面物质成分、地下水冰、磁场和气象状况。

今后，我们将通过“祝融号”，看到火星上的奇特景象，例如蓝色的夕阳，渺小而珍贵的地球，这些都会激发我们的好奇心，重新思考人与地球的关系。

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关键词：火星 火星探测任务 轨道器 着陆器 火星车 ■