探索火星之路，人類走了多遠？

鄭永春

圖片來源：NASA 官方網(wǎng)站

你可以拿起手機，在應(yīng)用商店搜尋星空、星圖、認星等關(guān)鍵詞，選一個應(yīng)用軟件安裝好。打開設(shè)置，把軟件中的位置設(shè)置成自動定位或自己所在的城市。之后，把手機對準夜空，四處搜尋，找到火星的位置。然后，放下手機，靜靜地凝視。

或者如果有簡易的望遠鏡，你還可以看到它若隱若現(xiàn)、或明或暗、略帶一絲暗紅色，那就是火星。當(dāng)我們還在仰望星空，以為火星遙不可及的時候，火星探測已經(jīng)走過了50多年的歷史。

“索杰娜”：火星上的“探路先鋒”

1960年，蘇聯(lián)發(fā)射了人類歷史上第一個火星探測器——“火星1號”，但并不成功，接著連續(xù)5次都未能實現(xiàn)航天器脫離地球飛向火星。直到1965年，美國的“水手4號”首次成功飛越火星，傳回了幾張模糊的火星照片。

到目前為止，美國、蘇聯(lián)（俄羅斯）、歐洲航天局（ESA，歐空局）、日本、印度等都曾經(jīng)探測過火星。在40多次火星探測任務(wù)中，既有環(huán)繞火星的軌道器進行遙感探測，也有登陸火星表面的著陸器進行定點探測，還有4輛小車在火星表面巡視勘察，其中一輛目前還在正常工作。

在各種類型的火星探測任務(wù)中，登陸火星毫無疑問是其中難度最大的，代表了當(dāng)今火星探測的最高水準。俄羅斯、歐洲接連失敗，成功的只有美國。如今，中國正在挑戰(zhàn)這一紀錄，“天問一號”火星探測器中有一輛中國人自主研制的火星車，計劃于2021年初登陸火星。

1996年發(fā)射升空、1997年7月4日成功登陸的火星車“索杰娜”（也有人翻譯為“旅居者號”），這個女性化的名字是為了紀念一位在美國南北戰(zhàn)爭期間積極反對奴隸制度、爭取婦女權(quán)利的女奴索杰娜·特魯斯（Sojourner Truth）。

“索杰娜”是一輛小型火星車，僅10.6千克，是美國火星探路者號（Mars Pathfinder）計劃的一部分。登陸火星前，它與著陸器合為一體。折疊之后的車身高度只有18厘米，也就一個足球直徑那么高。登陸后，展開后的火星車長65厘米、寬48厘米、高30厘米。搖臂轉(zhuǎn)向架可以檢測到20厘米高的巖石，如果火星車有側(cè)翻危險，坡度感應(yīng)器會發(fā)出警報。因為個子太矮，它拍攝的照片總是仰視視角，火星上的石塊看起來都很奇怪，特別高大。

“索杰娜”的設(shè)計壽命只有一星期。它的上甲板鋪設(shè)了一層太陽能電池，所有的能量就來源于此。它走得很慢，最快時也只有1厘米/秒，畢竟是在荒涼而陌生的星球上獨自行駛。但“索杰娜”的一個重要缺陷是，它離不開著陸器的通信，只能一直圍繞著陸器打轉(zhuǎn)。

由于重量限制，“索杰娜”的探測設(shè)備也很簡單，只在火星車后部安裝了一個簡易的彩色攝像頭和一臺能譜儀。遇到要分析的巖石時，火星車必須調(diào)轉(zhuǎn)頭，讓車尾的能譜儀接觸石塊進行分析。而且，分析過程往往需耗時數(shù)小時，才能識別出巖石中的化學(xué)元素。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以確定巖石中的礦物成分，并回答這些石頭是在什么樣的環(huán)境中形成的。

作為第一代火星車，“索杰娜”雖然個子小，功能簡單，走得也不遠，但它卻為此后更復(fù)雜、功能更強大的火星車擔(dān)當(dāng)起了“探路先鋒”的重任。

“勇氣號”和“機遇號”：表現(xiàn)遠超預(yù)期

“勇氣號”和“機遇號”是美國的一對“雙胞胎”火星車，不僅外形長得一模一樣，連攜帶的探測設(shè)備也完全相同。這對小哥兒倆分別于2003年6月10日和7月7日前后腳發(fā)射，2004年1月4日和1月25日先后登陸火星。

作為第二代火星車，“勇氣號”和“機遇號”各重170千克，是“索杰娜”的16倍。而且，它們的個子也要高得多，桅桿上的單色導(dǎo)航相機的視場更寬廣，拍到的照片讓地球上的工作人員看起來就像身臨其境，可以更方便地操控火星車。

車身重了，可以攜帶的儀器設(shè)備也就多了。作為機器人“地質(zhì)學(xué)家”，“勇氣號”和“機遇號”的主要目的是分析巖石的物理特性、化學(xué)成分和礦物組成。

因為沙塵暴的原因，幾乎整個火星表面都覆蓋了一層紅色的沙塵，就像一位蒙著面紗的少女，給人以神秘的印象，如霧里看花。當(dāng)年，“索杰娜”就被這層紅色的細沙給蒙蔽了，它在著陸器周圍分析來分析去，發(fā)現(xiàn)那些沙塵的成分都基本相似?！俺砸粔q，長一智”，為了揭開沙塵下面的火星巖石的神秘面紗，科學(xué)家專門給“勇氣號”和“機遇號”配備了不銹鋼刷頭，以清除石塊表面的灰塵。同時，還配備了一個鉆頭，可以在巖石上打磨出幾厘米深的圓孔，然后用光譜儀分析巖石成分。

7 月23 日，海南文昌，中國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器由長征五號遙四運載火箭發(fā)射升空。眾多市民和游客在發(fā)射場附近的淇水灣海灘觀看發(fā)射過程

最令人驚喜的是，作為一款低成本航天器，“勇氣號”和“機遇號”當(dāng)初的設(shè)計壽命只有短短3個月，但是它們的表現(xiàn)遠遠超過了人們的預(yù)期?！坝職馓枴边\行至2010年，工作了6年多，跑了7.7千米?！皺C遇號”一直運行至2018年，工作了整整15年（約相當(dāng)于8個火星年），是設(shè)計壽命的近60倍。而且，“機遇號”還是宇宙“馬拉松”比賽的冠軍，它總計跑了45.16千米，超過一個全程馬拉松的長度。

“好奇號”：把實驗室搬到火星上

經(jīng)常會有人問，為什么要做這么多次火星探測？這些任務(wù)都有什么不同？

的確，每一項火星探測任務(wù)都不相同——要么是技術(shù)的進步，要么是全新的探測目標。太陽系中值得探測的目標太多了，不允許把有限的經(jīng)費投到一個沒有足夠創(chuàng)造性的項目中去。

美國的“好奇號”是第三代火星車，更重、更大，功能也更強大。“好奇號”是一位華裔小學(xué)生馬天琪給它取的昵稱，它真正的名字叫火星科學(xué)實驗室。這個名字恰如其分地體現(xiàn)了它的功能和價值。它的外形大小與一輛私人轎車差不多，重約900千克，相當(dāng)于“勇氣號”或“機遇號”的5倍。因為太胖太重，所以不能像第二代火星車那樣用安全氣囊彈跳的方式登陸。

為此，“好奇號”研發(fā)了一種全新的登陸方式——空中吊車?？罩械踯嚺c“好奇號”合體進入火星大氣。當(dāng)離地面高度還有1600米時，空中吊車開始啟動，與降落傘脫離，8臺發(fā)動機點火反推進行減速。當(dāng)離地面高度只有20米時，空中吊車在空中懸停，釋放出一根纜繩，吊著火星車緩緩降落到火星表面。一旦感知火星車已經(jīng)接觸地面，空中吊車主動割斷纜繩，飛到他處自殺式墜毀。這種登陸方式不僅可以把更重的設(shè)備運送到火星表面，還會使設(shè)備受到相比用氣囊著陸時更緩和的沖擊。

“好奇號”的設(shè)計壽命為兩年，但自2012年8月登陸至今始終狀態(tài)良好，是唯一仍在正常運行的火星車。雖然“好奇號”走得很慢，最快的時候也不到1厘米/秒。但經(jīng)過長途跋涉，目前已經(jīng)行駛了22千米。

“好奇號”上配備了9臺科學(xué)儀器和一個火星環(huán)境探測包，光是相機就有3臺。它的機械臂功能強大，能抓、能鏟、能鉆探，還能研磨、篩選，把研磨后的樣品轉(zhuǎn)移到測試盒，添加化學(xué)試劑，進行加熱，測量光譜數(shù)據(jù)，得到顯微圖像。地球上普通巖礦實驗室能完成的常規(guī)分析任務(wù)，“好奇號”都能獨立完成，就像把一個功能完整的實驗室搬到了火星上。

在第40個火星日，“好奇號”發(fā)現(xiàn)了一片鵝卵石。在考察過程中，“好奇號”還發(fā)現(xiàn)蓋爾環(huán)形山內(nèi)曾經(jīng)的湖泊是一個淡水湖，而酸堿度為中性的淡水環(huán)境顯然更適合生命的誕生。另一項與生命有關(guān)的發(fā)現(xiàn)是“好奇號”檢測到了大氣中的甲烷，雖然含量不算高，但這可能意味著生命活動的跡象，不過還需要更多的證據(jù)。

“好奇號”，這輛充滿好奇的核動力“航母”仍然在執(zhí)著向前，它的探索使命仍未終結(jié)。

2020年，中國來了

2020年夏天是每隔26個月一次的火星發(fā)射窗口，有多個探測器奔赴火星。美國人自然不會錯過，他們計劃啟用另一臺空中吊車，攜帶另一輛火星車登陸火星。在航天任務(wù)中，歐空局既跟美國合作，也跟中國和俄羅斯合作。不過，歐空局和俄羅斯宇航局3月12日突然宣布，因為新冠肺炎疫情，任務(wù)推遲兩年。

2020年4月24日，第5個中國航天日之際，備受關(guān)注的中國首次火星探測任務(wù)名稱、任務(wù)標識正式公布。中國行星探測工程被命名為“天問（Tianwen）”系列，首次火星探測任務(wù)命名為“天問一號”，后續(xù)行星探測任務(wù)依次編號?！疤靻枴边@一名稱源于2300多年前愛國詩人屈原寫的長詩，表達了中華民族追求真理，探索宇宙的文化傳承。

“天問一號”是中國繼探月工程之后首次開啟行星探測的大幕，踏出自主探測火星的第一步。中國是火星探測的后來者，但后來不代表落后，在漢語中還有后起之秀、后來居上的成語典故。

在首次火星探測中，中國科學(xué)家和航天工程師既要慎之又慎、確保任務(wù)成功，又要有創(chuàng)新和突破，回應(yīng)公眾對科技進步的期待。根據(jù)計劃，我國首次火星探測任務(wù)將綜合采用環(huán)繞、著陸、巡視探測3種方式。既有軌道器環(huán)繞火星，又有著陸器登陸火星，還有火星車巡視火星表面。在其他國家要通過2～3次任務(wù)才能實現(xiàn)的目標，我們要一次實現(xiàn)。這種組合探測的技術(shù)更復(fù)雜、任務(wù)難度更大。

火星探測器的發(fā)射窗口于2020年7月下旬開啟，各國“探火計劃”和火星探測器都已整裝待發(fā)。7月23日，中國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器就由長征五號遙四運載火箭發(fā)射升空。由于火箭的推力有限，為了節(jié)省能量，航天器從地球到火星要沿著拋物線的霍曼轉(zhuǎn)移軌道才最省燃料，這就要求火星恰好處于地球前方一定角度的相對位置。因此，每隔26個月才有一個發(fā)射機遇期，每次有一個月左右的時間，這就是“發(fā)射窗口”。一旦錯過，就只能再等26個月到2022年再發(fā)射了。

航天是一個系統(tǒng)工程，涉及數(shù)百家甚至上千家單位，但發(fā)射的時間卻沒辦法推遲，這就給工程的組織、實施、協(xié)調(diào)帶來了難度。

除此之外，遙遠的距離也要想辦法克服。地球到月球的平均距離為38萬公里，但地球和火星之間的距離最遠達到4億公里，無線電波以光速傳播僅單程就需要將近23分鐘。從地面上發(fā)一個指令給“天問一號”，它要在23分鐘之后才能執(zhí)行。地球上的工程師收到指令的執(zhí)行結(jié)果則是將近一個小時之后的事情了。這就給航天器和火星車的測量控制帶來了困難。

經(jīng)過半年多的飛行，“天問一號”計劃于2021年初抵達火星，然后擇機釋放著（陸）巡（視）組合體進入火星大氣層，實現(xiàn)登陸火星。中國火星車搭載了多臺科學(xué)儀器，探測著陸區(qū)的流水地貌、火山地貌、風(fēng)蝕地貌、撞擊坑地貌，分析表面物質(zhì)的成分，并測量氣象參數(shù)，探測地下結(jié)構(gòu)。相機是每一輛火星車必備的，目的是對著陸區(qū)進行拍照。由于行駛速度較慢，所以目的地的選擇十分慎重?；鹦擒噷膸资组_外，發(fā)射一束激光打到巖石表面，通過測量揮發(fā)物的光譜，分析巖石的成分，從中發(fā)現(xiàn)有價值的探測目標，然后才會前往探測。

這個源自中國的探測器，承載了中國人對紅色星球的夢想，它將讓中國人從火星探測看臺上的觀眾，成為航天競技場上的一位選手。那么，中國的“天問一號”在哪里著陸呢？我們等待著。