火星探測極簡史

在夜空中，有時會看到一顆亮度變化無常的小紅點緩慢移動，有時候甚至還會逆行，這就是火星。中國人覺得它熒熒如火，讓人困惑，把它叫做熒惑?！妒酚洝分杏涊d著熒惑守心的天象，認為火星行至心宿二附近時，意味著災(zāi)難。在西方，不管在北歐神話、羅馬神話還是希臘神話中，火星都代表著戰(zhàn)爭和災(zāi)難，稱為戰(zhàn)神。對這顆紅色的星球，地球人普遍感到恐懼不安。

望遠鏡的發(fā)明和科學(xué)的進步，破除了火星的神話色彩。1543年，哥白尼（N. Copernicus）提出，火星是繞太陽運行的，不是繞地球運行的。1609年，開普勒（J. Kepler）宣布，火星的公轉(zhuǎn)軌道不是圓形，而是橢圓。1610年，望遠鏡發(fā)明的第二年，伽利略（G. Galilei）把它對準火星。

當太陽、地球、火星在一條直線上時，火星與地球之間的距離最近，稱為火星沖日，是最佳的觀測時機。1659年，惠更斯（C. Huygens）繪制了第一幅火星地圖。1877年的火星地圖上的一些直線，被認為是火星運河，由此引發(fā)了持續(xù)上百年的火星熱。通過觀測，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了火星的兩顆小衛(wèi)星，測定了火星的自轉(zhuǎn)周期，發(fā)現(xiàn)了南北極的極冠，繪制了一系列火星地圖。但望遠鏡看到的圖像還是太模糊了，以至于產(chǎn)生了很多誤解。

1957年，第一顆人造地球衛(wèi)星升空，開啟了航天時代。蘇聯(lián)1960年發(fā)射人類首顆火星探測器，揭開火星探測的序幕。截至2021年8月，人類共開展了47次火星探測任務(wù)（由于判斷標準不一，這一數(shù)據(jù)有所出入）。

冷戰(zhàn)時期，美蘇競技

冷戰(zhàn)時期，除了在載人登月上進行激烈競爭外，美國和蘇聯(lián)也把火星作為競技場，掀起了火星探測的高潮。

蘇聯(lián)先行一步

1960年10月，蘇聯(lián)發(fā)射了人類歷史上第一個火星探測器——“火星1960A”，不幸的是，它還未進入地球軌道就宣告失敗了。4天后，蘇聯(lián)又發(fā)射了第二個探測器“火星1960B”，也遭遇了失敗。

接下來，蘇聯(lián)發(fā)射的一系列火星探測器——“斯普特尼克22號”“23號”“24號”“探針2號”“火星1969A”“火星1969B”，接連失敗。直至1971年5月發(fā)射的“火星2號”，終于成功進入環(huán)繞火星的軌道，著陸器和母體分離后擊中火星表面，以粉身碎骨的方式成為火星上第一個人造物體。

基于“火星2號”失敗的教訓(xùn)，蘇聯(lián)于1971年5月28日發(fā)射的“火星3號”，首次實現(xiàn)了火星表面的軟著陸。遺憾的是，著陸后密封艙只傳回了20秒的電視信號，之后聯(lián)系就中斷了。然而，就是在這20秒中，它傳回了來自火星表面的第一張近距離照片！

1990年前，蘇聯(lián)一共實施了17次火星探測任務(wù)，但這些任務(wù)具有強烈的政治色彩，科學(xué)目標得不到足夠的重視，因而獲得的科學(xué)成果有限。

美國探火開始

雖然美國比蘇聯(lián)晚4年發(fā)射火星探測器，但最終領(lǐng)先一步，獲得了火星探測歷史上的首次成功。

1964年，美國發(fā)射了第一個火星探測器“水手3號”，未能成功進入軌道。同年，美國發(fā)射的第二個火星探測器“水手4號”成功飛越火星，發(fā)回了寶貴的第一手資料。

“水手4號”發(fā)現(xiàn)，在過去30多億年中，火星上沒有顯著的地質(zhì)運動。火星沒有全球性磁場，宇宙射線可以直達火星表面，這兩項發(fā)現(xiàn)顛覆了人們以往對火星的認知。之前，人們一直猜測火星上有生命，甚至是高等智慧生物。但“水手4號”傳回的照片，粉碎了人們對火星文明的幻想。之后，人們對火星生命的研究就轉(zhuǎn)向了微生物。

1971年5月，美國發(fā)射了“水手9號”，它成為第一顆環(huán)繞火星的人造衛(wèi)星?！八?號”抵達火星時，遇到全球性的沙塵暴天氣，證實了天文學(xué)家之前提出的火星上存在“超級沙塵暴”的猜測。

直到1972年，沙塵暴逐漸平息后，人類才看到了火星的全貌：河床、撞擊坑、巨大的死火山、峽谷、極地沉積物、冰晶云，還有皚皚的晨霧?！八?號”發(fā)回的照片中有疑似水流的痕跡，使人們重新燃起了對火星的興趣，期盼能發(fā)現(xiàn)生命跡象。

之后，美國又發(fā)射了“海盜”系列探測器，專門用于探索火星上有無生物，該系列探測器由軌道器和著陸器構(gòu)成。

“海盜1號”的著陸器于1976年7月成功登陸火星，傳回了火星表面的照片，人們發(fā)現(xiàn)這是一個空曠、貧瘠、亂石遍布的世界，富含鐵元素的土壤因為被氧化，而使火星地表呈現(xiàn)一片橙紅。

有趣的是，“海盜1號”傳回的一張“人臉”照片引起了世界轟動，被誤傳為是火星人。當然，所謂的火星“人臉”最后被證實是一座丘陵造成的光影錯覺。

與“海盜1號”同款的“海盜2號”于1975年9月9日發(fā)射升空，1976年9月3日在烏托邦平原著陸，“天問一號”的“祝融號”火星車也登陸在這一平原?！昂１I2號”攜帶了探測溫度、磁場、風速、風向、X射線光譜等參數(shù)的科學(xué)儀器，地震檢波器觀測到了難得一遇的火星地震，為人類探索火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了新的方向。

1990年代的火星探測先鋒

1990年代，在蘇聯(lián)解體的背景下，全球共進行了7次火星探測任務(wù)，其中美國5次，俄羅斯和日本各1次。

正是在這一時期，美國開始了系統(tǒng)性的火星探測計劃，其中1996年發(fā)射的“火星探路者”（Mars Pathfinder， MPF）及其攜帶的“索杰納”（Sojourner，也譯作“旅居者號”）火星車最具標志性。

“索杰納”是第一輛在火星表面著陸的巡視器——火星車，采用太陽能動力，行駛速度約60.96厘米/分鐘，慢得像蝸牛。雖然行走速度慢，但著陸器和火星車共發(fā)回了23億字節(jié)的信息，包括1.7萬張照片、15條對周圍巖石和土壤的化學(xué)分析數(shù)據(jù)，以及有關(guān)著陸點的風和氣象狀況的大量數(shù)據(jù)。觀測結(jié)果顯示，火星在早期歷史中的環(huán)境可能與地球相似，地表可能有液態(tài)水，大氣也很濃密。

同年，俄羅斯發(fā)射了“火星96”，由于發(fā)動機故障，火箭第四級二次點火失敗，發(fā)射次日在地球大氣層中墜毀。

1998年，日本發(fā)射了“希望號”（也叫“行星-B”）軌道器，原計劃2003年12月抵達火星，但地面與其聯(lián)系中斷，未能進入環(huán)繞火星的軌道。

當然，美國也有數(shù)次失敗的案例，1998年12月發(fā)射的火星氣候軌道器和1999年1月發(fā)射的火星極地著陸器都遭到了失敗。

21世紀，火星探測群雄逐鹿

21世紀初至今，全世界共實施了14次火星探測任務(wù)，這一階段火星探測的最大特點，是成功率顯著提高，除了俄羅斯的“火衛(wèi)一—土壤”號探測任務(wù)失敗外，其他任務(wù)基本上都取得了成功或部分成功。另一個特點是參與火星探測的國家越來越多，火星“找水”和搜尋生命信號成為這一階段火星探測的重點任務(wù)。

美國火星任務(wù)

在這一時期，美國發(fā)射了“奧德賽”軌道器、“機遇號”和“勇氣號”火星車、“火星勘測軌道器”、“鳳凰號”著陸器，以及“好奇號”和“毅力號”火星車，這些任務(wù)都取得了成功。

美中不足的是，2018年11月登陸火星的“洞察號”，雖然成功安裝了地震儀，探測到了火星上的地震。但它的“鼴鼠”鉆探設(shè)備的鉆探深度一直停留在35厘米，2021年1月9日任務(wù)團隊被迫宣布鉆探任務(wù)失敗。

2020年的火星發(fā)射窗口，美國、中國、阿聯(lián)酋都發(fā)射了火星探測器，北京時間2月19日凌晨4時55分，“毅力號”以5千米/秒的速度進入火星大氣，在超音速狀態(tài)下展開降落傘，隨后拋掉隔熱罩，通過空中吊車的方式，將火星車釋放到火星表面。

憑借軌道器對火星表面的遙感探測、著陸器對著陸區(qū)的詳查、火星車的巡視探測，美國這些年發(fā)射的探測器取得了一系列關(guān)于火星的重大發(fā)現(xiàn)：火星表面存在液態(tài)水，發(fā)現(xiàn)遠古時期的湖泊遺跡，估算出火星土壤含水量，發(fā)現(xiàn)火星極光現(xiàn)象等。從大氣探測、到火星表面、再到內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測，幾乎實現(xiàn)了對火星的立體勘察，改變了人們對火星的認識，為尋找生命痕跡提供了重要證據(jù)。

歐洲頗有收獲

歐洲在火星探測上起步較晚。2003年，歐洲空間局（ESA）發(fā)射了“火星快車號”探測器，軌道器運行正常，獲得了火星表面的遙感數(shù)據(jù)。它發(fā)現(xiàn)了海岸線的遺跡，在火星北極附近一個未命名的環(huán)形山底部，發(fā)現(xiàn)一片水冰；2004年，“火星快車”探測器發(fā)現(xiàn)了火星極光。

但是，進入火星大氣層的“獵兔犬2號”著陸器卻失去了聯(lián)系。原以為“獵兔犬2號”已經(jīng)墜毀，但沒想到的是，2015年，美國的“火星勘測軌道器”的遙感圖像顯示，它成功登陸了火星，但未能打開電池板，無法與地球取得聯(lián)系。失蹤了十多年的“獵兔犬2號”被找到也算是火星探測史上的離奇事件。

2016年3月，歐洲和俄羅斯合作的“火星生物學(xué)-2016”（ExoMars 2016）發(fā)射升空，它包括 “微量氣體軌道器”和“斯基亞帕雷利號”著陸器[斯基亞帕雷利（G. Schiaparelli），19世紀發(fā)現(xiàn)火星上疑似運河痕跡的意大利天文學(xué)家]。2016年10月，軌道器成功地進入火星軌道，但著陸任務(wù)再次失敗。

多國加入探火隊伍

2013年，印度成功發(fā)射了“曼加里安號”軌道器，這也是亞洲第一個成功的火星探測任務(wù)。這項史上成本最低的火星探測計劃，耗資僅7500萬美元，但功能確實也很有限。

中國國家航天局也曾與俄羅斯聯(lián)邦航天局合作，2011年，“螢火一號”火星探測器搭載俄方火箭發(fā)射，但因發(fā)射失敗，“螢火一號”與俄方的“火衛(wèi)一—土壤號”探測器一起墜入太平洋。

2020年7月20日，阿聯(lián)酋發(fā)射了阿拉伯國家的首個深空探測器——“希望號”火星探測器。這項任務(wù)使用日本H-2A火箭發(fā)射升空，由美國提供技術(shù)支持。阿聯(lián)酋方面的目的也很明確，就是先當學(xué)生，學(xué)好技術(shù)將來自己干。

除以上任務(wù)外，還有大家熟知的馬斯克（E. Musk）主導(dǎo)的太空探索技術(shù)公司，也提出了龐大的火星計劃，并研發(fā)了星艦，用于將來飛向火星的旅行。但很明顯，馬斯克的火星計劃具有強烈的商業(yè)色彩，離真正實施火星移民還有漫長的路要走。

中國后發(fā)趕超

火星探測工程是中國行星探測計劃的第一步，于2016年1月11日正式立項，2020年4月24日中國航天日期間被正式命名為“天問一號”。中國將通過一次發(fā)射，實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三項任務(wù)，采用這種“一舉三得”的探測方式，起點高、挑戰(zhàn)大，作為世界上第2個成功登陸火星的國家，我國的深空探測能力和水平得到了顯著提升。

2020年7月23日中午，筆者親眼見證著在長征五號運載火箭托舉著“天問一號”從海南文昌航天發(fā)射場起飛，成功進入太空后，通過數(shù)次變軌，于2021年2月10日抵達火星，成為環(huán)繞火星的人造衛(wèi)星。在接下來的三個月里，“天問一號”通過遙感探測，進一步確定了著陸點的地形和氣象條件，為著陸火星做好準備。2021年5月15日早晨，與“天問一號”軌道器分離后的著陸巡視組合體，穿過火星大氣層，通過一系列的減速動作，成功登陸火星。組合體剛進入火星大氣層的時候，時速高達2萬千米/小時，在短短的9分鐘內(nèi)，減速到零。如果減速不夠，就會墜毀在火星表面，歷史上俄羅斯數(shù)次登火失敗，歐洲兩次登火失敗，都發(fā)生在這一階段。

“天問一號”先是通過大氣摩擦減速，當減速到1656千米/小時時，打開降落傘，利用稀薄的大氣進一步減速。然后拋掉隔熱罩，測量地表高程，當減速到342千米/小時的時候，7500牛變推力發(fā)動機點火，實現(xiàn)空中懸停。最后通過著陸墊和伸縮桿緩沖從高處落下的勢能，穩(wěn)穩(wěn)地著陸在火星表面。中國成為世界上第二個成功登陸火星的國家，這一成就值得我們每一個中國人感到驕傲和自豪。登陸火星全程只需9分鐘，但地球到火星的距離達3億多千米，地面發(fā)出的遙控指令要17分鐘才能抵達火星。這意味著，“天問一號”只能自主判斷，闖過這道鬼門關(guān)。

2021年5月22日，“祝融號”火星車駛離著陸平臺，在火星表面刻下了中國的印記?！白Ｈ谔枴钡顷懙牡胤剑挥诨鹦巧献畲蟮呐璧亍睆竭_3300千米的烏托邦平原。它攜帶了6種科學(xué)儀器，用來探測地形地貌、表面物質(zhì)成分、地下水冰、磁場和氣象狀況。

今后，我們將通過“祝融號”，看到火星上的奇特景象，例如藍色的夕陽，渺小而珍貴的地球，這些都會激發(fā)我們的好奇心，重新思考人與地球的關(guān)系。

[1]龐之浩， 高開源. 2020年世界火星探測概覽. 國際太空， 2020（8）： 23-28.

[2]林文杰. 扒一扒火星探測史. 知識就是力量， 2016（3）： 18-21.

[3]松堂. 那些年， 去過火星的“探路者”們. 太空探索， 2018（8）： 34-39.

[4]侯明東， 劉杰， 張慶祥， 等. 火星探測的現(xiàn)狀與未來. 中國空間科學(xué)學(xué)會空間探測專業(yè)委員會第十四次學(xué)術(shù)會議論文集. 中國空間科學(xué)學(xué)會， 2001： 6.

[5]任秋凌. 人類探測火星的傳奇歷程. 科學(xué)之友， 2004（1）： 44-45.

[6]張揚眉. 國外火星探測發(fā)展態(tài)勢分析. 國際太空， 2020（8）： 29-36.

[7]盧波. 2016年國外空間探測發(fā)展回顧. 國際太空， 2017（2）： 16-23.

[8]鄭永春. 火星， 中國來了！現(xiàn)代物理知識， 2021（6）： 20-25.

[9]鄭永春， 火星零距離. 杭州： 浙江教育出版社， 2018.

[10]鄭永春， 火星全圖. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2018.

[11]張揚眉. 世界火星探測一覽表. 國際太空， 2020（8）： 49-50.

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