火星：你过来啊！
↑一群国家地理控，专注于探索极致世界
2020年7月23日
海南文昌航天发射场
怒火直冲云霄
光芒划破长空
长征五号运载火箭
搭载着一位特殊的“探险家”
冲出地球
中国
向火星进发
（文昌航天发射场天问1号起飞画面，由摄影师现场传送，摄影师@陈肖）
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200多个地球日后
这位来自中国的“火星探险家”
天问1号
将一口气完成
环绕火星、着陆火星、巡视火星
三大任务
中国人跨越两千多年的天问
终于有机会找到答案
（天问1号在火星想象图，“天问”系列名称取自屈原所作长诗《天问》，图片源自@央视新闻）
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此外
在最近的半个月里
相继启航奔赴火星的
还有阿联酋的希望号
美国的毅力号
（2020年火星“舰队”，制图@郑伯容/星球研究所）
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如果任务全部成功
成功登陆火星的地球机器人
将达到10个
从第一位机器人登陆火星地表
至今已近
50年
只不过
这些机器人有的已经粉身碎骨
有的则深陷沙地，绝望求生
有的虽已饱经风霜，但仍在“坚持战斗”
即便如此
它们仍是现今人类在所有地外行星上
最强大的“机器人军团”
（请横屏观看，火星着陆器和火星车分布图，制图@郑伯容/星球研究所）
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如果再加上数量众多的
环绕火星飞行的探测器
火星已是“人声鼎沸”
（历史上成功的火星环绕器，如果加上环绕失败和掠飞的案例，数量多达37个，制图@郑伯容/星球研究所）
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如此多的机器人
前仆后继、集聚火星
它们是在筹划一件大事吗？
01
遥望火星
在肉眼观星的时代
地球的夜空中总会有一颗星星
呈现出比周围星辰更加显著的红色
中国古人称其“荧荧如火”
这便是火星
（中间偏左下的红色亮星为火星，中间偏右上的蓝色亮星为织女星，摄影师@戴建峰）
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火星的目视亮度
经常发生变化、忽明忽暗
更为诡异的是
它还会在夜空中突然逆行（Retrograde）
令人难以捉摸
火星也因此得名“荧惑”
如果逆行发生在心宿（天蝎座）
占星术士们称之为“荧惑守心”
意味着皇帝驾崩或者宰相失位
为大凶之兆
（2018年4月-11月发生的火星逆行轨迹，摄影师@Tunc Tezel）
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当天文学步入哥白尼时代
人们逐渐了解太阳系的组成
火星原来是离太阳第四近的行星
位于地球与木星之间
（火星在太阳系中的位置示意图，行星间相对距离有所调整，标注@郑伯容/星球研究所）
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到了望远镜时代
1877年
意大利天文学家
斯基亚帕雷利（Giovanni Schiaparelli）
发现火星地表有许多线条状的地貌
他称这些线条为“沟渠”
但是狂热的大众更愿意相信
这些线条正是外星智慧生命开凿出的运河
延续100余年的“火星人”幻想
就此拉开帷幕
（1996年蒂姆·波顿执导的电影《火星人玩转地球》剧照）
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而到了航天时代
从1960年起
人类的探测器
开始在数千或上万千米处
抵近观察
一个更加真实的火星
展现在世人面前
它拥有太阳系最大最长的峡谷之一
水手峡谷（Valles Marineris）
长约4000千米，深达7千米
横跨大半个火星
如同被上帝之剑砍削而成
（由美国的海盗1号拍摄的水手峡谷，图片颜色有作处理，图片源自@NASA）
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它拥有太阳系最高的山峰
奥林帕斯火山（Olympus Mons）
高度超过2万米
是珠峰海拔的2.5倍
（奥林帕斯火山，由火星环球勘测者号测绘的假色地形图，火星没有海拔的概念，山峰高度根据人为设定的基准面计算，图片源自@NASA）
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更令人兴奋的是
它还拥有宽阔蜿蜒的河床
流水曾在此奔腾而去
（欧空局火星快车号拍摄的赫伯斯峡谷Hebes Chasm，这里被认为是流水侵蚀而成，图片源自@ESA/DLR/FU）
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这意味着
看似荒芜的火星
曾经有过湿润的时光
人们禁不住好奇
这些水流是否也曾经孕育出
欣欣向荣的生命？
（海盗1号拍摄的形似人脸的火星丘陵，曾被误传为火星人的形象，实际是光影造成的错视，图片源自@NASA）
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一块在地球上偶然发现的火星陨石
更是将人们对于火星生命的幻想
推向了高潮
这块陨石上
类似细菌的棒状结构
极有可能是36亿年前
火星上的生命遗存
（ALH84001陨石上的结构，被怀疑是微生物活动形成，图片源自@NASA）
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与地球极为相似的火星
直径约为地球的一半
自转轴倾角、自转周期也与地球相当
差不多的日长、规律的四季交替
不由得让人们遐想
如果太阳系存在地外生命
火星极有可能是其中之一
（地球与火星大小比较，制图@郑伯容/星球研究所）
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但是
想要发现火星生命
仅仅在地球上大海捞针捡拾陨石
或者远远地围绕着火星拍照
都是不够的
我们必须拿到最直接的证据
最好的办法就是
登陆火星
02
出发，火星
1969年7月20日
宇航员阿姆斯特朗迈出了他的一小步
人类仅仅用了4天时间
便从地球登上了约40万千米外的月球
（人类第一次登上月球留下的脚印，图片源自@NASA）
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然而火星远比月球更加遥远
最近端相距约5600万千米
是地月距离的140倍
最远端更是高达4亿千米
是地月距离的1000倍
如此巨大的距离变化
造成地球夜空中火星亮度差异显著
距离近则又大又亮
距离远则又小又暗
（地球、火星公转与距离关系示意，以及火星观测大小变化示意，制图@郑伯容/星球研究所）
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同样也是因为这种距离变化
会让火星“看起来”突然逆行
（太阳系其它行星也会产生逆行，火星的逆行最明显，制图@郑伯容/星球研究所）
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在实际航行中
人类还没有任何一个推进系统
可以强大到直接沿着
火星与地球的最短距离行驶
我们必须沿着一条椭圆形的轨道
借助地球的公转速度
以最少的燃料损耗
将飞船“甩”到火星
这便是著名的霍曼转移轨道
（霍曼转移轨道，由德国数学家沃尔特·霍曼发现并命名；地球到火星的转移轨道每隔约27个月才有1-2个月的发射窗口期，今年恰好是7-8月，制图@郑伯容/星球研究所）
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而通过霍曼转移轨道去往火星
仅单程最少需要约
7个月
这可比登月的4天长太多了
以20世纪人类尚显稚嫩的航天技术
苏联和美国都不约而同地选择了
机器人
1971年5月19日、28日
苏联接连发射两艘去往火星的探测器
火星2号（Mars 2）、火星3号（Mars 3）
分别携带着陆器
（火星3号探测器，上方为着陆器，图片源自@NASA）
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以及两辆只有4.5千克的机器人
Prop-M火星车
如果着陆成功
它将成为漫游火星的第一“人”
（Prop-M火星车的双腿由两个滑板构成，可以通过无线电信号远程操控，正前方的金属条可以探测障碍物，图片源自@NASA）
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1971年11月27日
在经历半年多的星际航行后
火星2号成功进入火星轨道
但不幸的是
此时的火星上
一场行星级的沙尘暴正在肆虐
风速高达26米/秒
火星2号着陆器以每秒6千米的速度
一头扎入风暴中
它是第一个到达火星地表的人造物
虽然是以粉身碎骨的方式
（2001年一场全球性的火星沙尘暴前后对比，整个星球都被蒙上一层“沙雾”，由哈勃望远镜拍摄，图片源自@NASA）
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火星3号的情况也不乐观
1971年12月2日
它成功在火星实现软着陆
十几秒后
沙尘暴便摧毁了它的通讯系统
从此与地球失去联系
任务失败
然而就在这十几秒中
它向地球传回了来自火星地表的第一张照片
照片中似乎是火星的地表与天空
但没有任何东西可以清楚辨认
（图片源自@Soviet Academy of Sciences）
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人类早期登陆火星地表的任务
几乎全军覆没
但失败的阴霾
并没有浇灭
科学家对于火星的热情
反而激励着、鼓舞着他们
攻克一个又一个科学难题
1975年8月20日、9月9日
美国的两艘探测器
海盗1号（Viking 1）、海盗2号（Viking 2）
满载着各种仪器
向火星再次进发
（海盗号探测器，上方为着陆器，图片源自@NASA）
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10个月后
海盗1号着陆器开始进入火星大气层
地球上的NASA喷气推进实验室里一片焦灼
没有人知道它的命运如何
20多分钟后
一张高清照片被传至科学家面前
海盗1号“恶作剧”般地对着自己的脚垫区域
来了一张局部“自拍”
自拍显示它已经安全抵达
且成像系统工作良好
（原图为宽幅照片，下图有做裁剪，图片源自@NASA）
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随后
越来越多的图像数据以光速飞向地球
伴随着地球人的兴奋、喜悦、惊讶
火星地表的真实面貌被展现出来
这是一个空旷、贫瘠、乱石遍布的世界
富含铁元素的土壤
因为氧化而显得一片橙红
连天空也被浮尘渲染
这就是地球人仰望了成千上万年的红色星球
火星
（海盗1号拍摄的火星地表的第一张彩色照片，图片源自@NASA）
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海盗1号着陆之后
便开始分析火星的土壤
竟然真的检测到了
疑似生命活动的迹象！
但随后的分析又表明
火星土壤中并没有任何有机物
矛盾
太矛盾了
（海盗1号采样后在土壤中留下的沟槽，图片源自@NASA）
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与此同时
已安全着陆的海盗2号
也得到了同样的矛盾结果
对火星生命的勘察陷入困局
（海盗2号工作的乌托邦平原Utopia Planitia，图片源自@NASA）
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之后海盗1号、2号着陆器
则继续其他方面的研究
直到1980年4月11日
2号着陆器因电池故障失联
1982年11月13日
一次软件更新错误
让1号着陆器也陷入了沉寂
彼时的它已经工作超过六年
在很长一段时间内
它都是火星地表存活最久的机器人
这一纪录直到约30年后
才被一位新的巡游者打破
（海盗1号着陆器拍摄的火星日落，图片源自@NASA/Roe van der Hoorn）
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03
火星巡游
1997年7月4日
一艘全新的探测器登陆火星
火星探路者号（MESUR Pathfinder）
这是一次新技术的全面预演
大型安全气囊被应用于着陆过程
（之后勇气号与机遇号也采用了相同的着陆方式，影片《Roving Mars》模拟了全过程，以下同）
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气囊以14米/秒的速度撞击火星地表
第一次反弹高达15.7米
持续弹跳至少15次
（图片源自@《Roving Mars》）
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当弹跳停止
安全气囊排出气体
（图片源自@《Roving Mars》）
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再像莲花瓣一样打开
着陆器跃然而出
整个过程在数分钟内一气呵成
完美
（图片源自@《Roving Mars》）
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人类的火星车机器人
也在此次登陆中首次成功释放
旅居者号（Sojourner）
拥有自主式导航系统的它
能灵活爬过岩石
相比于之前固定不动的着陆器
它更像是一个活蹦乱跳的“地质学家”
可以四处漫游寻找有价值的圆卵石和砾岩
后两者都与水源密切相关
（正在勘测岩石的旅居者号，图片源自@NASA）
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探路者号着陆器工作了83个火星日
之后通讯中断
旅居者号火星车也失去联系
如果它没有损坏
想必还在执行人类提前预设的巡游任务
东看西逛
（由探路者号拍摄，旅居者号正在勘测岩石，图片源自@NASA）
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旅居者号火星车的成功
为更强更大的火星车铺平了道路
2004年1月3日、25日
人类的火星探测史上
最著名的机器人双雄出场了
勇气号（Spirit）、机遇号（Opportunity）
在大型安全气囊的保护下
相继成功登陆火星
（模拟图，图片源自@《Roving Mars》）
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这是两部双胞胎火星车
每辆重达180千克
高1.5米、长1.6米、宽2.3米
携带全景相机、导航相机
以及用于分析岩石、土壤的各种仪器
依靠太阳能电力
火星车可以每小时180米的速度行驶
（勇气号/机遇号在火星上的想象图，图片源自@NASA）
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2004年3月
科学家宣布
机遇号在岩石中
发现液态水存在的证据
数天后
勇气号发现了盐层
极有可能是一条古湖岸线的遗迹
（火星上的著名岩石阿迪朗达克Adirondack，勇气号的研究对象之一，图片源自@NASA）
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两辆火星车的设计任务时间
都只有90个火星日
而实际上
它们的工作时长超过6年
它们曾拍摄下
辽阔的火星地表全景
（请横屏观看，机遇号拍摄的火星毅力谷Perseverance Valley全景，最右侧可见火星车的车迹，图片源自@NASA）
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也曾沐浴
太阳的温暖
（火星着陆器在火星上想象图，火星上的平均温度在-60°C左右，图片源自@NASA/James Gitlin）
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也曾目睹
火星“月亮”的升落交替
（勇气号拍摄的火星卫星运动，左为火卫二，右为火卫一，图片源自@NASA）
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也曾回望
遥远的地球
（勇气号拍摄的火星星空中的地球，这是从月球以外的行星表面拍摄的第一幅地球图像，图片源自@NASA）
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很快
它们便迎来了新的伙伴
2008年5月25日
凤凰号着陆器（Phoenix）登陆火星
并接连发现水冰、火星降雪
（凤凰号着陆过程最后一步的想象图，当着陆器距离地面570米时，反推发动机启动，避免与地面相撞，图片源自@NASA）
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2012年8月5日
历史上耗资最贵的火星探测项目
火星科学实验室（Mars Science Laboratory）
将一辆巨大的火星车
好奇号（Curiosity）
送上了火星
（三代火星车大小比较，左为勇气号/机遇号，下为旅居者号，右为好奇号，图片源自@NASA）
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因为体型过大
安全气囊无法承载
好奇号的着陆方式再次革新
一架天空起重机（Sky Crane Maneuver）
将它悬吊起来、缓缓下降
（模拟图，图片源自@NASA）
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好奇号甫一落地
夹钳即剪断系绳
天空起重机随即飞走
（模拟图，图片源自@NASA）
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现在
辽阔的火星荒原
都交给了人类蓬勃跳动的好奇心
（图片源自@NASA）
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它不需要食物
不需要水
也从不感到孤单
甚至非常善于自拍
（好奇号自拍照，有意思的是，NASA在发布这张照片时把它的“自拍杆”变没了，图片源自@NASA）
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2013年9月26日
好奇号发现火星土壤中的水分高达1.5-3%
完全可以满足未来人类移民的需要
2014年12月16日
NASA宣布好奇号在火星岩石中
发现了有机物
这些都让许多人相信
我们正在接近火星生命的真相
（好奇号在岩石上取样后留下的洞，图片源自@NASA）
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正当人类一步步揭开
火星生命神秘面纱的同时
火星上的机器人军团
却在逐渐“老”去
2009年5月
奔波了5年多的勇气号
深陷沙地、无法移动
但它仍然通过对车轮搅出的泥土进行分析
再次发现火星上曾存在水的证据
2010年3月
勇气号用尽了最后的勇气
顽强地走过了一生的最后旅程
（勇气号陷入沙地的想象图，图片源自@《Death of a Mars Rover》）
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它的双胞胎兄弟机遇号
却格外走运
一场风暴恰好吹净了
太阳能电池板上沾满的尘土
它焕然一新、电力充沛
继续下深坑、爬高山、越沙丘、穿平原
四处敲敲打打
（被尘土覆盖的勇气号太阳能电池板，机遇号的情况类似，图片源自@NASA）
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从少年英姿到老骥伏枥
好运一直伴随着机遇号
截至2018年5月8日
它的行驶总里程已达45.16千米
创造了地球外无人探测车的最长移动里程
正当人们对机遇号
抱有更大的期待时
机遇号却意外失联了
2018年7月
“地球呼叫机遇号，听到请回答！”
2018年10月
“地球呼叫机遇号，听到请回答？”
2019年2月
“地球呼叫机遇号，听到请回答...”
好运这次没能眷顾机遇号
在火星上“存活”了14年的它
容颜被风沙掩埋
身躯在异星消散
（机遇号火星“马拉松”旅程示意图，制图@郑伯容/星球研究所）
▼
就这样
人类的火星探索
从美苏争霸到美国独领风骚
再到欧空局、俄罗斯以及印度
一一加入
当时间来到2020年
终于
该轮到中国
开启自主探索火星的旅程了
04
中国来了
近50年的火星地表勘测
成功完成任务的机器人仅仅只有8位
巧合的是
它们都来自美国
都使用着英文问候这片土地
而在2021年
火星上的机器人军团
将迎来一个会说中文的新伙伴
天问1号
（天问1号着陆器与火星车分离动画想象图，图片来源@央视新闻）
▼
但想要用中文向火星问好
又谈何容易
美国与苏联经过无数次的尝试
从掠飞到环绕
从着陆到巡视
一步一步才踏上火星
耗时36年
（1960-1996年期间发射的火星探测器失败合集，虽然其中有成功的案例，但直到火星探路者登陆火星，才开启了火星的巡游时代，制图@郑伯容/星球研究所）
▼
中国的首次自主火星探测
更是要通过一次发射
实现环绕、着陆、巡视三大目标
美苏用了36年摸索出的道路
中国要一步走完
如若成功，世界首次
看似天方夜谭的目标背后
是中国航天几十年的辛勤耕耘
从火箭运载能力的提升
到探月工程的经验积累
从遍布全球的测控网络
到3000多个日夜反复验证
让这看似不可能完成的任务
都多增添一份可能
（位于北京密云的国家天文台射电观测站，负责航天任务进行实时观测，摄影师@李睿）
▼
此外
天问1号的设计师还精心设计了
地-空结合的立体探测模式
即太空一个环绕器
地表一个火星车
相互结合、互相验证
对火星的磁场、电离层、大气层
地形地貌、地下结构
实现全方位的立体化探测
（天问1号地-空立体探测地下含水层原理示意图，制图@王申雯/星球研究所）
▼
两千多年前
我国著名大诗人屈原
抬头仰望满天繁星
不由得发出了疑问
“这天上的星星到底是怎么排列的？”
这便是《天问》诗篇里的
列星安陈？
这跨越了两千多年的天问
今天的我们
终于有能力去火星
寻找第一个答案
明年
我们想要听到
那句熟悉的、安心的、有力的
从那遥远火星传来的
“我已着陆，状态良好”
预祝天问1号
取得圆满成功！
创作团队
编辑：黄超
图片：林子轩&余宽
设计：郑伯容&王申雯
审校：云舞空城&王哈勃
封面素材来源：央视新闻&NASA
【主要参考文献】
[1]耿言,周继时,李莎,付中梁,孟林智,刘建军,王海鹏.我国首次火星探测任务[J].深空探测学报, 2018,5(05):399-405
[2]李春来,刘建军,耿言,曹晋滨,张铁龙,方广有,杨建峰,舒嵘,邹永廖,林杨挺,欧阳自远.中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置[J].深空探测学报,2018,5(05):406-413.
[3]欧阳自远,肖福根.火星探测的主要科学问题[J].航天器环境工程,2011,28(03):205-217.
[4]（美）罗伯特·卓比林等著；阳曦，徐蕴云译. 赶往火星 红色星球定居计划[M]. 北京：科学出版社, 2018.06.
[5]（法）弗朗西斯·罗卡尔，（美）阿尔弗雷德·麦克伊文，（法）沙维叶·巴莱尔编著. 火星[M]. 北京：北京美术摄影出版社, 2017.05.
... The End ...
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