人類為什么探索火星

賈陽（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部）

1 引言

在古代，人類逐漸發(fā)現(xiàn)天體的運(yùn)行規(guī)律同日常生活存在著密切的聯(lián)系，最早可以追溯到古埃及人將尼羅河的漲落與天狼星、太陽的運(yùn)行聯(lián)系到一起。人類通過裸眼觀測天體，不斷總結(jié)運(yùn)行的規(guī)律，于是形成了天文學(xué)。

火星是太陽系八大行星之一。夜晚，在繁星之中，火星很容易引起人類先民的注意，它在恒星的背景之上，時(shí)而向東運(yùn)動，時(shí)而向西運(yùn)動，行蹤詭異，在有文字記載的各古代文明中留下了很多關(guān)于火星的記錄。

在中國古代，火星被稱為“熒惑”，“熒熒火光，離離亂惑”中至少包含兩個(gè)方面的意思。首先是顏色，它呈暗紅色，時(shí)亮?xí)r暗，熒熒如火。在位置適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，火星是全天除了太陽、月亮和金星之外最亮的天體，它在滿天星辰中特別引人注目，不止因?yàn)樗牧炼?，還因?yàn)樗募t色。不過當(dāng)火星最暗的時(shí)候，在群星之中還是很難找到它的。另外就是它在天空中運(yùn)行的軌跡，大多數(shù)的時(shí)候自西向東運(yùn)行，但是有一些特殊的時(shí)候，會發(fā)現(xiàn)它運(yùn)行的方向恰好相反，在恒星的背景上自東向西逆行，這種奇怪的現(xiàn)象，給古人帶來了疑惑。

不過，人類沒有滿足于這些粗淺的認(rèn)識，帶著困惑不斷觀察、不斷探索，努力尋找現(xiàn)象背后真正的科學(xué)道理。

2 目視觀測

仔細(xì)觀察火星，除了顏色暗紅，亮度有明暗變化，運(yùn)動時(shí)順時(shí)逆，又發(fā)現(xiàn)受到明亮的太陽的影響，火星會消失一段時(shí)間。更進(jìn)一步地分析總結(jié)，人類發(fā)現(xiàn)了它運(yùn)行的規(guī)律，每隔兩年多一點(diǎn)的時(shí)間就會出現(xiàn)在夜空中同樣的一個(gè)位置，而且亮度的變化、順逆運(yùn)動的改變也是相同的周期。這意味著人類知道了火星視運(yùn)動的會合周期是2.14 地球年。

在地球上觀察,認(rèn)為日月星辰在圍繞地球旋轉(zhuǎn)是很自然的事情,很容易理解,也很容易解釋。大家都熟知的托勒密建立的地心說，就是基于這樣的觀察體驗(yàn)。但是在精細(xì)解釋五大行星在恒星背景前的運(yùn)動時(shí)，地心說遇到了挑戰(zhàn)，于是升級到本輪與均輪模型，也就是行星的運(yùn)動是大圓圈之上還套有小圓圈，這樣就解釋了行星的逆行。

更精細(xì)的觀測使人們逐漸地認(rèn)識到，把地球放在宇宙的中心，行星繞著地球環(huán)繞運(yùn)行，解釋起來越來越困難。而如果把太陽放在中心，地球和五大行星都繞著太陽運(yùn)行，這樣的所謂日心說，解釋觀測的現(xiàn)象似乎會變得更加的簡潔。哥白尼首先提出了日心說理論，認(rèn)為行星在繞著太陽做圓周運(yùn)動。其實(shí)新理論與觀測結(jié)果并不完全相符，有時(shí)還不如本輪與均輪模型預(yù)測的結(jié)果準(zhǔn)確。第谷是“現(xiàn)代天文學(xué)的始祖”，他用功能強(qiáng)大的肉眼精心觀測，編制了精準(zhǔn)的星表，還對行星的運(yùn)動做了精確的記錄。這些寶貴的記錄為日心說的升級完善奠定了基礎(chǔ)。

德國人開普勒是第谷的一位助手，他利用第谷的工作資料，花費(fèi)了漫長的時(shí)間改進(jìn)日心說。開普勒不再相信哥白尼提出的行星是在圓形軌道上繞太陽運(yùn)行，認(rèn)為行星的確圍繞太陽運(yùn)行，但是它的軌跡不是圓形，而是在橢圓軌道上運(yùn)動。

這其中有一個(gè)細(xì)節(jié)，就是在開普勒提出太陽位于行星橢圓軌道的一個(gè)焦點(diǎn)這一重要結(jié)論的過程中，火星作出了貢獻(xiàn)。因?yàn)榛鹦堑能壍老鄬碚f沒有那么圓，大量的、精確的關(guān)于火星在天球位置上的觀測，支持了開普勒第一定律，為日心說的發(fā)展提供了強(qiáng)大支撐。

火星的軌道偏心率是0.093，而地球是0.017，金星只有0.007?；鹦堑能壍罌]有那么圓，意味著開普勒整理數(shù)據(jù)的時(shí)候，會發(fā)現(xiàn)用圓解釋火星的運(yùn)行軌道會有偏差，更容易得到火星的軌道是個(gè)橢圓這個(gè)結(jié)論，進(jìn)而確定五大行星和地球的軌道都是一個(gè)焦點(diǎn)位于太陽的橢圓。接下來，開普勒的諸大定律就呼之欲出了。

不過，在天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之前，人類的文明雖然發(fā)展了數(shù)千年，但是關(guān)于火星本身的認(rèn)識其實(shí)還相當(dāng)?shù)臏\顯。隨著天文望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，人類逐漸揭開了火星這顆神秘的紅色星球的面紗。

3 望遠(yuǎn)鏡時(shí)代

在小型望遠(yuǎn)鏡里面第一次看到火星的人通常都會比較失望，因?yàn)槟軌蚩吹降闹徊贿^是在一個(gè)紅色的圓盤之上的些許暗斑。如果條件更合適一些，火星的極冠剛好對著地球，那么還能夠看到一些白色。也就是說，即使是在火星大沖的時(shí)候，小型望遠(yuǎn)鏡能夠展示的東西也很少。

17 世紀(jì)初，伽利略利用小型的天文望遠(yuǎn)鏡觀測到月球表面的撞擊坑、木星的4 顆衛(wèi)星等等，人類的天文觀測進(jìn)入新階段。但是，當(dāng)他把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)火星，也只能看到一個(gè)橘紅色的亮點(diǎn)，伽利略發(fā)現(xiàn)火星不是完美的圓盤，這說明他已經(jīng)注意到了火星的盈虧，因?yàn)橛械臅r(shí)候火星明亮的部分只有86%朝向地球。不過當(dāng)時(shí)望遠(yuǎn)鏡的性能決定了不會有更多的發(fā)現(xiàn)，后來望遠(yuǎn)鏡的口徑擴(kuò)大，望遠(yuǎn)鏡的性能逐漸提高，火星在望遠(yuǎn)鏡里面變得更大更清晰起來。

比如，在火星的表面上，有一些位置相對周邊更暗一些，觀察這些暗區(qū)的運(yùn)動，就確定了火星自轉(zhuǎn)的周期比24 小時(shí)多一些。利用火星大沖，也就是火星與地球之間距離比較小的機(jī)會，仔細(xì)地觀察火星的表面，發(fā)現(xiàn)在火星的極區(qū)存在著白色的極冠，接著確定了火星自旋軸相對于公轉(zhuǎn)軌道面的傾角，這意味著火星的表面和地球一樣，也存在著四季的變化。

由于火星和地球之間的距離有時(shí)遠(yuǎn)，有時(shí)近，看上去火星的視直徑變化也比較大，小的時(shí)候只有3.5″，大的時(shí)候會達(dá)到25.79″。從望遠(yuǎn)鏡里面可以看到，火星冬季北半球的極區(qū)有白色的極冠，大小隨季節(jié)變化，甚至在夏季也不會完全消融，主要的成分是干冰，也有水冰。

火星上經(jīng)常發(fā)生大規(guī)模的塵暴，沙塵被卷到了數(shù)十公里的高空，每個(gè)火星年都會發(fā)生上百次的區(qū)域性塵暴，有的時(shí)候甚至?xí)l(fā)展成全球性塵暴。在地面，從望遠(yuǎn)鏡里面就可以清晰地觀察到沙塵暴的演化過程。

確定火星有大氣層時(shí)，天文學(xué)家借助了火星掩恒星這樣的特殊天象。原理是火星在恒星的前方穿越的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)恒星在被遮擋之前，亮度就已經(jīng)變暗，由此斷定火星有大氣層。英國人赫歇爾是位極其出色的觀察者，當(dāng)火星在星空穿行的時(shí)候，有時(shí)會正好移動到某顆恒星的前面，1783 年，他發(fā)現(xiàn)即使火星不是正好位于恒星前面，恒星的亮度也會變暗，說明火星上有不是很稠密的大氣層。

當(dāng)太陽、地球、火星三者近似在一條直線上，火星和地球位于太陽同一側(cè)的時(shí)候，被稱為火星沖日。如果火星沖日發(fā)生在火星近日點(diǎn)附近的時(shí)候，則稱為火星大沖，大約每15～17 年就會發(fā)生一次這樣的大沖。在航天時(shí)代到來之前，火星大沖是觀測火星的最佳時(shí)期，此時(shí)觀察火星，距離近而且整夜可見,更容易描繪火星表面的細(xì)節(jié)特征。

1840 年，人類繪制了第一張完整的火星圖，這是第一張用經(jīng)緯度標(biāo)注的地球之外的行星的地圖，而且明確將零度經(jīng)線定義在南緯5.2°一個(gè)小的暗點(diǎn)上，這個(gè)暗點(diǎn)是一個(gè)直徑約50km 的撞擊坑，它以艾利爵士命名，這位爵士是一位19 世紀(jì)特別厲害的皇家天文學(xué)家，在將格林威治確定為地球經(jīng)度起算點(diǎn)這件事情上，他做出了貢獻(xiàn)。

1877 年，火星和地球之間的距離非常近，激發(fā)起人類觀測火星的又一次高潮，美國人霍爾使用當(dāng)時(shí)世界上最大、最先進(jìn)的26 英寸折射望遠(yuǎn)鏡觀察火星，發(fā)現(xiàn)火星周圍的暗點(diǎn)竟然是環(huán)繞火星旋轉(zhuǎn)的，原來火星也是有天然衛(wèi)星的，而且是兩顆，它們分別被命名為“火衛(wèi)一”及“火衛(wèi)二”。

更重要的是發(fā)現(xiàn)了火星表面上的幾條暗色線條，這引起了人們的廣泛猜想，認(rèn)為可能是火星表面的水道，甚至被解釋為是人工開鑿的運(yùn)河?！斑\(yùn)河”這個(gè)詞，暗示著火星上存在著高級的生命，讓人們想象在火星上有大量的水、植物，還存在著智慧的生命，于是大量的科學(xué)幻想作品產(chǎn)生。這個(gè)浪漫的設(shè)想，一直延續(xù)到了1948 年，利用加利福尼亞帕羅瑪天文臺建造的直徑5m 的望遠(yuǎn)鏡仔細(xì)觀察火星，發(fā)現(xiàn)那些“運(yùn)河”并不存在。所謂的“運(yùn)河”，僅僅是火星上的沙塵在季風(fēng)的帶動下，大范圍移動所產(chǎn)生的。偶爾還觀察到了白色云層，更仔細(xì)的觀察者發(fā)現(xiàn)在晨昏線上能夠看到不尋常的明亮的亮光，閃光曾經(jīng)被懷疑是火山噴發(fā)，但是現(xiàn)在看來，那是由于在火星表面低洼地帶，云層、霾和霧等對陽光反射形成的，當(dāng)火星、太陽和地球幾何關(guān)系符合一定條件的時(shí)候，在地球上就看到了來自火星的閃光。

進(jìn)一步深化對火星的認(rèn)知，需要人類進(jìn)入到用航天器對火星進(jìn)行探索的航天時(shí)代。

4 航天時(shí)代

人類使用望遠(yuǎn)鏡觀察火星已經(jīng)持續(xù)了3 個(gè)世紀(jì)，并成功地確定了火星的軌道參數(shù)、旋轉(zhuǎn)速度及其轉(zhuǎn)動軸方向，還在火星表面上描繪了主要的暗區(qū)和亮區(qū)的形狀，發(fā)現(xiàn)了火星的極冠，記錄了季節(jié)的變化。還看到了覆蓋整個(gè)火星表面的塵暴，利用火星掩恒星這樣的機(jī)會，證實(shí)火星擁有稀薄的大氣。然而，人類要想更深入地了解這顆神秘的紅色星球，必須發(fā)送探測器，到火星的附近進(jìn)行更詳實(shí)的探測。

直到1965 年，人類第一次依靠水手四號（Mariner-4）探測器獲得了火星表面上的圖像，才真正開始近距離觀測火星，對火星的認(rèn)識進(jìn)入到了航天時(shí)代。

1883 年夏天，俄羅斯教員齊奧爾科夫斯基產(chǎn)生了到星際空間旅行的念頭，在他的著作中提出的火箭發(fā)動機(jī)推力公式成為火箭技術(shù)的基礎(chǔ)。1911 年，在給友人的一封信件中，他預(yù)言人類不會永遠(yuǎn)停留在地球的束縛之中，總有一天會暢游太陽系。

人類進(jìn)入航天時(shí)代之后，為深化對火星的認(rèn)識，蘇聯(lián)、美國和其他航天國家發(fā)射了數(shù)十顆火星探測器，逐步地深化著人類對火星的認(rèn)識。

1962 年11 月1 日，蘇聯(lián)發(fā)射了火星一號（Mars-1）探測器，質(zhì)量為894kg，是一個(gè)直徑1.1m，高2.3m 的圓柱體，加上太陽電池板，跨度達(dá)到了4m，還帶有大型的高增益天線?？墒牵?963 年3 月，探測器在飛往火星的途中出現(xiàn)故障而失聯(lián)。

1964 年11 月28 日，美國發(fā)射的水手四號火星探測器于1965 年7 月14 日在距離火星表面9920km處飛過火星，它成為人類成功到達(dá)火星附近的第一個(gè)探測器。發(fā)回22 幅近距離的火星的照片，揭示在火星的表面上有大量的撞擊坑，火星的周圍沒有較強(qiáng)的磁場，存在著大氣，其主要的成分是二氧化碳，密度較低。

1971 年11 月24 日，水手九號探測器進(jìn)入了環(huán)繞火星的軌道，發(fā)現(xiàn)在火星的表面上除了布滿著撞擊坑之外，還存在著年輕的火山峽谷。在火星的表面上還發(fā)現(xiàn)了局部的沙塵暴。著名的火星大峽谷也是由水手九號探測器發(fā)現(xiàn)的，這個(gè)橫亙火星表面幾千千米的峽谷，后來被命名為“水手谷”。

人類關(guān)于火星知道得越來越多，但是還想知道得更多。美國接下來發(fā)射了兩個(gè)著陸器——海盜一號（Viking-1）和海盜二號，希望能夠在火星的土壤中尋找到微生物的證據(jù)。這兩個(gè)探測器獲得了火星表面大量的觀測資料，發(fā)回火星表面的第一張彩色照片，在照片中能夠看到表面的巖石和沙化地貌。

1997 年7 月4 日，第一輛火星車來到了火星的表面，盡管其設(shè)計(jì)壽命只有一周，實(shí)際上它工作的時(shí)間持續(xù)了3 個(gè)月，行駛了大約100m。在火星車上搭載著一個(gè)α 粒子X 射線譜儀，用來探測火星土壤和巖石的元素組成。

火星與地球相似，人類進(jìn)入航天時(shí)代以來，火星被認(rèn)為是太陽系中地球之外最有可能存在生命之地，一直是探測活動的熱點(diǎn)。歐洲航天局（ESA）、印度、阿聯(lián)酋等國家和組織也加入到火星環(huán)繞探測的隊(duì)伍中，中國的天問一號火星探測任務(wù)更是一次實(shí)現(xiàn)了“繞、落、巡”，使中國加入到人類火星探測隊(duì)伍中，并成為第二個(gè)在火星表面開展巡視探測的國家。

5 天問一號火星探測任務(wù)

中國的月球探測工程包括“繞、落、回”三個(gè)階段，在月球探測工程實(shí)施的過程中，中國人也把目光投向更遠(yuǎn)的深空，如果說月球探測是中國深空探測的1.0版，那么我國首次火星探測任務(wù)就是中國深空探測的2.0 版。

首先要考慮的問題就是這次任務(wù)的探測形式。掠飛探測相對容易，但是很難再有科學(xué)發(fā)現(xiàn)。早期有一種方案是將探測器分成兩個(gè)部分，一部分在火星附近減速，成為火星探測器，另外一部分則在火星借力后開展主帶小行星探測。這樣的多目標(biāo)方案節(jié)省經(jīng)費(fèi)，但是兩個(gè)目標(biāo)的探測都不會很深入。環(huán)繞探測仍是主要探測形式之一，包括火星重力場、磁場、表面地形地貌等目標(biāo)的全局探測?？扇绻皇菍?shí)現(xiàn)環(huán)繞探測，任務(wù)相對而言有些簡單。軟著陸探測可以對火星表面進(jìn)行多種探測手段的全面、深入探測，巡視探測更將擴(kuò)大火星表面精細(xì)探測的范圍，是火星探測最重要的形式之一。

綜合上述考慮，中國的航天工程師決定這次挑戰(zhàn)個(gè)高難度系數(shù)的動作，一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”。這可以簡單理解成兩步并作一步走。這樣做的好處是：環(huán)繞器開展全球普查，火星車對重點(diǎn)地區(qū)詳查，兩個(gè)結(jié)果可以相互比對、相互驗(yàn)證，點(diǎn)面結(jié)合；在進(jìn)入火星大氣之前，環(huán)繞器已經(jīng)幫助進(jìn)入艙完成了一次減速，與從行星際地火轉(zhuǎn)移軌道直接進(jìn)入火星大氣相比，降低進(jìn)入速度，減少進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)；火星車的探測數(shù)據(jù)可以通過環(huán)繞器中繼傳輸?shù)降厍?，地面的指令也可以先發(fā)送至環(huán)繞器，再轉(zhuǎn)到火星車上，這樣就不需要在火星車上配置米級口徑的大天線了，大幅度降低火星車設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

當(dāng)然，這樣做也是有風(fēng)險(xiǎn)的：任務(wù)形式的復(fù)雜性，導(dǎo)致對兩個(gè)探測器的可靠性要求都很高，沒有環(huán)繞器的支持，火星車在火星表面的工作將變得十分困難；進(jìn)入火星之前，環(huán)繞器將進(jìn)行降軌，瞄準(zhǔn)之后釋放進(jìn)入艙，接著必須馬上完成升軌控制，避免環(huán)繞器也進(jìn)入火星大氣層，一系列軌道控制動作時(shí)效性要求很高；環(huán)繞器的工作安排，既需要考慮環(huán)火遙感的需要，又需要考慮為火星車提供數(shù)據(jù)中繼的需要，變得更復(fù)雜。

總體上看，這樣的探測方式有創(chuàng)新，也有難度，體現(xiàn)了我國航天技術(shù)的發(fā)展水平，以及航天工程技術(shù)人員的自信，當(dāng)然這種自信是建立在月球探測取得的豐碩技術(shù)成果基礎(chǔ)上的。2021 年5 月15 日，天問一號成功軟著陸于火星表面，這種自信變成了現(xiàn)實(shí)。

天問一號環(huán)繞器在環(huán)火軌道上，執(zhí)行著火星全球遙感探測任務(wù)。祝融號火星車在火星烏托邦平原一路向南，已經(jīng)行駛1921m，獲得了關(guān)于火星表面磁場、巖石成分、地下土壤分層情況，以及氣溫、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等方面的大量信息，2022 年5 月18 日,受北半球冬季到來，以及沙塵天氣的影響，祝融號火星車進(jìn)入休眠狀態(tài)。設(shè)計(jì)師們特意制作了海報(bào)，紀(jì)念與祝融號一起度過的日日夜夜，期盼塵暴之后，收到火星車的新消息。

6 探索火星的意義

我們?yōu)槭裁匆セ鹦牵坎煌娜藭o出不同的答案。比如：印度政府發(fā)言人在回答西方記者關(guān)于為什么印度要探測火星的問題時(shí)，曾經(jīng)說過一句話：如果我們沒有偉大的夢想，那么我們永遠(yuǎn)是伐木人和挑水工。齊奧爾科夫斯基是現(xiàn)代宇宙航行的奠基人，被稱為“航天之父”，他曾經(jīng)講過一句著名的話：地球是人類的搖籃，但是人類不能永遠(yuǎn)生活在搖籃里?？茖W(xué)家們更關(guān)注的是：這顆紅色的行星上是不是曾經(jīng)有過生命，人類在宇宙中是孤獨(dú)的嗎？科幻作家劉慈欣曾經(jīng)講過一段話：火星是人類進(jìn)行太空移民的第一選擇。最有可能的情況是，當(dāng)危機(jī)到來時(shí)，人類才投入全部力量到地外世界的探索和開拓中去。而其實(shí)人類移民到火星需要漫長的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。還有個(gè)哲學(xué)家講過一句話：你要問去火星有什么意義，那么請問若干億年前海洋生物第一次爬上陸地有什么意義？

祝融號火星車自拍照

祝融號火星車行駛軌跡

人類為什么探索火星？這里試圖給出一個(gè)新的答案?；鹦亲赞D(zhuǎn)一圈是24h40min，地球自轉(zhuǎn)一圈是24h。那么每隔37 天，祝融號火星車和地面上使用北京時(shí)間的師傅們就會經(jīng)歷同時(shí)同分同秒，把這層含義做成了一張圖片，起了名字叫做“天涯共此時(shí)”。

到了日落的時(shí)候，火星的天空不是紅彤彤的，而是淡藍(lán)色的。

天涯共此時(shí)(杜勇/攝影,譚浩/制作)

火星落日

“火衛(wèi)一”凌日(譚浩/制作)

地月系統(tǒng)凌日(譚浩/制作)

地月系統(tǒng)凌日局部圖(譚浩/制作)

火星也是有月亮的，不過有點(diǎn)小，所以它不可能把太陽全都擋住，形成不了地球上的日食景觀。但是“火衛(wèi)一”凌日時(shí)，經(jīng)過幾十秒鐘緩緩從太陽的表面劃過，也很壯觀。

還有一個(gè)百年一遇的天文奇景。相對于火星而言，地球?qū)儆趦?nèi)行星，所以難得一見的奇景就是看地月系統(tǒng)凌日。兩個(gè)小點(diǎn)從太陽表面上緩緩滑過，大概幾個(gè)小時(shí)時(shí)間。有的時(shí)候地球與月球相距比較遠(yuǎn)，會橫跨整個(gè)太陽的表面，也有的時(shí)候相對來說距離比較近。左圖那個(gè)藍(lán)色的暗點(diǎn)是我們的家園地球，灰色的暗點(diǎn)是月球。

通過這幾張圖片，想要表達(dá)的意思就是：探索火星的意義，就在于為人類增加一個(gè)視角，從這個(gè)視角看火星、看地球、看太陽系，甚至整個(gè)宇宙，包括審視人類自身。