從飛掠到著陸，人類是如何到達火星的

馮中

20世紀，人類終于啟航離開地球“搖籃”，太陽系各大行星的探測任務全面開拔。其中，最重要的目的地就是我們的鄰居——火星。但它也是時至今日人類探索失敗率最高的行星目的地。

從最早的一次性“飛掠”任務，到能夠環(huán)繞火星開展長期探測，再到突破火星大氣層抵達地表的著陸和“漫游”任務，甚至是最新的無人機協(xié)同探測技術(shù)，在一次次的失敗和嘗試中，我們不斷摸索著探索這個未知世界的正確方式。

人類是如何到達火星的？60年間，這些火星探測器不僅解開了眾多行星的演化之謎，也為將來人類踏上火星夯實了技術(shù)基礎(chǔ)。

從你的全世界路過——早期火星探測器：“飛掠型”

第一顆人造地球衛(wèi)星斯普特尼克1號于1957年進入太空，幾乎同一時期，第一批火星探測器也在冷戰(zhàn)的歷史大背景下被催生出來。僅在1960年至1969年的10年間，蘇聯(lián)和美國就開展了多次火星探測任務，但其中只有3次完全成功。火星探測任務的失敗率之所以如此之高，和宇航時代早期的那些濫竽充數(shù)的“鐵皮盒子”不無關(guān)系。

1960年10月，又一個火星沖日的前夕，就像幾個世紀以前的天文學家都躍躍欲試準備將望遠鏡指向火星一樣，此刻的宇航工程師也紛紛把目標鎖定在了火星上。

第一個嘗試飛向火星的探測器是蘇聯(lián)的火星1A號，它搭載了簡單的光譜儀和輻射計，本想借此機會去探索火星附近的射線和磁場。但遺憾的是，運載它的火箭在發(fā)射不久后便失去了控制，最終解體爆炸，任務失敗。緊隨其后的是火星1B號探測器，但也在發(fā)射階段就意外失敗。

兩年后的1962年年底，再一次火星沖日來臨前，蘇聯(lián)又進行了三次嘗試，其中兩次發(fā)射失?。涣硪淮坞m然發(fā)射成功，探測器卻在飛往火星的路上失聯(lián)，也沒能成功抵達目標。至此，從1957年人造衛(wèi)星斯普特尼克1號進入太空以來，人類已經(jīng)錯失三次火星沖日。

轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在下一次火星沖日前夕。剛剛成立不久的美國國家航空和航天局計劃抓住這次機會開展一次對火星的飛掠探測任務，這便是水手3號和水手4號任務。

飛掠探測，顧名思義就是探測器以很近的距離掠過火星，并利用這短暫的接觸時間記錄數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳回地球。不遠萬里來到火星近旁卻選擇一掠而過，這也是無奈之舉。早期的火箭運載能力有限，無法讓探測器攜帶足夠的燃料實現(xiàn)減速剎車，所以即使探測器抵達火星，也會因為速度太快而無法安全著陸。這也是火星探測頭十年間的主流任務類型，畢竟在那個時代背景下，比起獲得有價值的科學數(shù)據(jù)，競爭雙方更在乎的是誰先抵達終點。

水手4號在1964年11月28日離開地球飛往火星（水手3號比它早20多天，但因火箭整流罩沒能打開而導致任務失?。?。它的質(zhì)量僅260.8千克，但也幾乎是“壓線”起飛，因為運載它的火箭只能把260.8千克的載荷加速到地球的逃逸速度。1965年7月14日，水手4號不負眾望成功飛到火星上空，成為人類首個近距離飛掠火星并取得有效探測數(shù)據(jù)的航天器。它不僅拍到了第一張近距離的火星表面照片，還捕捉到了火星的磁場、大氣、溫度等重要信息。

雖然彼時火星的“運河烏龍”已經(jīng)基本平息，但人們對火星上存在智慧文明仍舊抱有一絲幻想。當水手4號傳回的22張圖像被拼接在一起后，人們對火星生命的幻想被徹底打破。自1898年科幻作家威爾斯寫成《星際戰(zhàn)爭》以來，火星一直是人們想象中形形色色外星人的“共同家園”，但是這些照片上像月表一樣荒涼的畫面終結(jié)了一切幻想，從此外星人離開了火星，“遷居”更加遙遠的深空。

在水手4號之后，美蘇兩國又進行了多次飛掠火星的探測任務，結(jié)果依然是喜憂參半。再之后，“飛掠型”任務更難成行，只有2004年羅塞塔號彗星探測器和2007年黎明號探測器曾飛掠火星，但均是路過，再借助火星引力飛向它們各自的目標天體。

在天愿作比翼鳥——第二代火星探測器：“環(huán)繞型”

為了更全面地了解火星（同時也是太空競賽“火星分賽場”的下一個賽季），研發(fā)能夠停留在火星軌道上的探測衛(wèi)星提上了日程。1969年年初，距離美國計劃中的火星軌道器任務還有兩三年的時間，蘇聯(lián)工程師就已經(jīng)把他們的火星1969A號探測器架在了發(fā)射塔上。但它最終只在地球大氣中飛行了400多秒就因為火箭故障而爆炸解體，幾天之后發(fā)射的火星1969B號探測器也一樣未能飛出地球。這一年的火星沖日，美國只派出了一艘水手7號飛船前往火星，但它仍是一次“飛掠型”任務。

兩年時間很快，地球又一次“追上”了火星。為了讓探測器能在抵達火星時減速并被火星的引力捕獲，探測器本身也需要攜帶足夠的燃料。1971年的這次火星沖日，即將發(fā)射的火星2號和水手9號探測器的質(zhì)量相較之前的探測器均有了較大幅度的增加。

火星2號在1971年5月19日發(fā)射，水手9號在同年5月30日發(fā)射。雖然較前者晚了11天，但得益于更小的質(zhì)量，水手9號能夠以更快的速度飛向火星。它比火星2號提前兩周，于1971年11月14日抵達目的地并成功進入環(huán)繞火星運行的軌道，成為首個人造火星衛(wèi)星。

火星2號緊隨其后，也成功進入了環(huán)火軌道?；鹦?號包括一個軌道飛行器和一個著陸器。但著陸器因遭遇沙塵暴而一頭扎進狂風當中，它的降落傘也沒能順利打開。不過它還是達成了一項紀錄，那就是第一個墜毀在火星表面的人造物體。

相比之下，水手9號的機載程序就要靈活許多，當它接近火星并發(fā)現(xiàn)沙塵暴時，遠在地球的工程師就發(fā)出指令讓其進入“休眠”狀態(tài)，靜待塵埃落定。

兩個月后，沙塵暴逐漸平息，水手9號的攝像機開始工作。傳回圖像中首先映入眼簾的是火星北半球的幾塊令人困惑的“黑斑”。隨著沙塵的沉降它們也逐漸“變大”，這時人們才恍然大悟——那是直插云霄的山峰！其中最大最明顯的一座正是火星上著名的盾狀火山“奧林匹斯山”。

水手9號一直工作到1972年10月底，拍攝了7000多張照片，拍攝區(qū)域覆蓋了火星85%的地表。它不僅拍到了像“奧林匹斯山”這樣的巨型火山，還發(fā)現(xiàn)了火星上的河床、隕石坑、峽谷、凝結(jié)霧，甚至拍到了火星的兩顆衛(wèi)星。我們耳熟能詳?shù)奈挥诨鹦潜砻娴拇髰{谷“水手谷”，其命名正是為了紀念水手9號的卓越貢獻。

“環(huán)繞型”任務與“飛掠型”任務相比，優(yōu)勢在于科學家可以通過長期駐留火星軌道的探測器進行監(jiān)測和研究，從磁場、大氣、引力等角度全面了解火星。同時，與那些需要進入火星大氣的著陸任務相比，又少了很多復雜的技術(shù)環(huán)節(jié)，因而成為各國探索火星初期的主流任務類型，如之后的火星全球勘測者探測器（美國）、火星快車空間探測器（歐洲航天局）、曼加里安號火星探測器（印度）、希望號火星探測器（阿聯(lián)酋）、天問一號火星探測器（中國）等。

水手9號的諸多發(fā)現(xiàn)也直接為火星探測的下一個階段——著陸火星，奠定了堅實的基礎(chǔ)。

火星不會過來，那我走過去——第三代火星探測器：“著陸型”

火星探索的下一站來到了火星表面。1973年的火星沖日期間，蘇聯(lián)又派出了兩個火星探測器火星6號和火星7號，但它們一個在著陸后失聯(lián)，另一個則沒能進入火星大氣層。

1975年，美國的火星探測器海盜1號的質(zhì)量已經(jīng)上升到了3530千克。該探測器由軌道器和著陸器組成。降落在火星表面的探測器根據(jù)其質(zhì)量會使用不同的著陸方案。海盜1號著陸器使用的是“再入艙+減速傘+反推火箭”方案。這種著陸方式觸地速度適中，對火星表層土壤的影響最小，多用于體重較大、落地后不能移動的著陸器，比如后來的鳳凰號和洞察號火星探測器。

在水手4號打破了人類對“火星人”的幻想之后，人們對火星生命有了更為理性的猜想。如果火星上存在生命，那應該是更加簡單的形態(tài)，比如存在于更深的土壤當中，也許就像地球上的細菌那樣。海盜1號著陸器就是帶著驗證這一猜想的任務而來。有趣的是，相關(guān)實驗結(jié)果中竟有一組說明火星土壤中存在生命！但也有人認為那是土壤中的有機化學反應造成的結(jié)果。這一爭論至今尚無定論。

著陸器“挑起”學術(shù)辯論的同時，軌道器也為人們打開了想象大門。在2000年曾上映過一部名為《火星任務》的科幻電影，其中經(jīng)典的一幕是一座巨大的“人臉”建筑靜臥在火星表面凝視著天空，這個場景就來源于海盜1號軌道器拍攝的一張照片。雖然后來更多的觀測證實這僅僅是一種光影效果，但它在公眾傳播和科幻領(lǐng)域依舊廣受關(guān)注，是美國國家航空和航天局門戶網(wǎng)站上的訪問熱門。

自此，在火星上的競賽暫告一段落，進入沉寂的10年，這期間的火星探索未出現(xiàn)突破性進展。

讓理想永遠在前面——第四代火星探測器：“漫游型”

當火星探測任務再次重啟，人們已經(jīng)有了十分清晰的目標：找不到智慧生命就找簡單生命，比如細菌；找不到活的細菌就找生命來過的痕跡，比如化石；找不到化石就找可能支持生命存在的條件，比如現(xiàn)在或過去的液態(tài)水等。

1996年，美國國家航空和航天局在火星軌道上部署了火星全球勘測者號衛(wèi)星，主要任務是進行覆蓋火星全球的地圖繪制，為將來深入研究火星地質(zhì)、水文、大氣的著陸任務選址，并在未來著陸器或火星車登陸后起到地球和火星之間的通信中繼作用。同年，美國國家航空和航天局的第一輛火星漫游車也成功發(fā)射，它由火星探路者著陸器和旅居者號火星車兩部分組成，前者同時也是后者的通信基站。但也正因如此，旅居者號最遠只能行駛至距離基站500米的地方。

火星探路者-旅居者號還開創(chuàng)了一種全新的火星著陸方式——氣囊著陸。這種著陸方式觸地速度較快，多用于體重較輕的火星車，后來的勇氣號和機遇號也采用這一著陸方式。

旅居者號之后，美國國家航空和航天局又相繼發(fā)射了我們現(xiàn)在比較熟悉的勇氣號、機遇號、好奇號和毅力號火星車?？紤]到后兩者近1噸的重量，工程師還專門研發(fā)了一種“天空起重機”著陸方案，毅力號甚至還攜帶了一架小型無人機機智號，實現(xiàn)了人類飛行器在另一顆星球上的首次飛行。

時至今日，火星車探測已經(jīng)成為最前沿的火星探測方式，能否讓火星車成功著陸并完成任務是衡量一個國家或組織航天實力的重要依據(jù)，至今也只有中國和美國完成了這項挑戰(zhàn)。可以預見的下一代火星探測器任務將是采樣返回任務，已有多個國家或組織將其提上日程，例如我國的天問三號火星采樣返回任務、美國國家航空和航天局與歐洲空間局共同設計的“火星采樣返回”計劃等。如果采樣返回任務能夠順利完成，就說明地球和火星之間的雙向往返有了可行方案，到那天，距離人類親自踏上那顆紅色星球也就不會太遠了。