人类探索火星60年 本月底将迎来中国的“客人”

导读

在五一假期的最后一天，我们即将迎来忙碌的五月。在我国航空航天领域，五月将会发生一件大事，那就是“天问一号”将在本月底择机着陆火星。此前，探测器在火星轨道上运行了3个月，国家航天局4月底也公布了中国第一辆火星车名称——“祝融号”，准备它接下来的登陆工作。

实际上，火星探测起步于20世纪60年代。1960年，苏联发射人类首颗火星探测器、揭开火星探测的序幕。截至2020年9月，人类共开展了47次火星探测任务。最近的一次火星登陆是2021年2月19日，“毅力号”（Perseverance）火星车在不经变轨的情况下直接突入火星大气层，成功着陆。

今天，我们就来回顾下这60年间火星探测的历程。

冷战时期，美苏竞技

冷战时期（1990年前），火星探测的主要特征是美、苏把火星探测作为竞技场，掀起了火星探测的一轮高潮。

01苏联吹响号角

1960年10月，苏联发射了人类历史上第一个火星探测器，不幸的是，它还未进入地球轨道就宣告失败了。4天后，苏联发射了第二个探测器，也遭遇了失败。

直至1971年，苏联发射的“火星2号”，终于成功进入环绕火星的人造卫星轨道。“火星2号”着陆器和母体分离后命中火星表面，以粉身碎骨的方式成为火星上第一个人造物体。

“火星3号”

得益于“火星2号”的经验，苏联于1971年12月2日发射的“火星3号”，首次实现了火星表面的软着陆。

遗憾的是在着陆后，密封舱只在20秒里送回电视电波后信息就中断了。然而就在这20秒时间中，它向地球传回了来自火星地表的第一张照片。

在1990年前，苏联 / 俄罗斯一共实施了17次火星探测任务，但这些任务完全以任务成功与否来衡量探测成果，政治目的强烈，科学目标相对淡化。

02美国稳中求进

虽然，美国比苏联晚4年发射，但先苏联一步成功。

1964年，美国国家航空航天局（NASA）发射了第一个火星探测器“水手3号”，不过也未能成功进入轨道。

同年，美国发射的第二个火星探测器“水手4号”，成功实现“飞掠”，发回了大量宝贵的一手资料。

“水手4号”

“水手4号”有两项发现颠覆了人们的认知。

首先，它发现火星表面在过去40亿年里没有发生过变化，既没有地质变迁也没有风化。其次，它发现火星没有全球性的磁场，所以无法抵挡致命的宇宙射线。

之前人们一直猜测火星上有生命存在，甚至还可能是高等级智慧生物。但是，“水手4号”传回的照片粉碎了人们对火星文明的幻想。

从“水手4号”以后，人们对火星生命的研究就转向了微生物。

1971年5月，美国发射了“水手9号”，它成为了火星第一个人造卫星。而且在“水星9号”接近火星的时候，拍到了火星全球性沙尘暴天气，证实了天文学家之前的怀疑——火星上存在“超级沙尘暴”。

“水手9号”拍摄的“奥林匹斯火山” 来源：NASA

直到1972年，沙尘暴逐渐平息后，人类才透过“水手9号”的眼睛目睹了火星的全貌。

NASA的科学家们看到了河床、撞击坑、巨大的死火山、峡谷、极地沉积物、冰晶云，还有皑皑的白色晨雾。

“水手9号”发回的疑似水流过的痕迹，又使人们重新燃起了对这个独特星球的兴趣，期盼着能够发现生命。

“水手9号”拍摄的“水手谷”（太阳系最大最长的峡谷之一） 来源：NASA

在这之后，美国又发射了“海盗”系列探测器，该系列探测器由轨道器和着陆器构成。

“海盗号”

其中，“海盗1号”的着陆器于1976年9月成功登陆火星，并且成功传回了火星表面的照片。

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。

火星地表的第一张彩色照片（“海盗一号”拍摄）来源：NASA

有趣的是，“海盗1号”后续传回的一张照片引起了世界轰动，被误传为火星人的形象。

最后证实拍摄的形似人脸的火星丘陵，实际是光影造成的错视。

来源：NASA

基于“海盗1号”传回的数据，“海盗2号”于1975年9月9日带着研究火星温度、磁场、风速、风向、X射线光谱等任务发射升空，1976年9月3日触地于火星乌托邦平原。

令人意外的是，“海盗2号”上搭载地震检波器观测到了一次难得一遇的火星地震，这为人类探索地外天体提供了某种新的方向。、

90年代，美国成为火星探测先锋

20世纪90年代（1990－1999年），全球共进行了7次火星探测任务，其中美国5次，俄罗斯和日本各1次。

在此阶段，美国开始了其持续至今的“火星探测计划”。

标志性任务为“火星探路者”（MPF），其携带的“索杰纳”（Sojourner）是全球第一辆在火星表面着陆的火星车。

“火星探路者”着陆器及“索杰纳”火星车示意图

“索杰纳”主要采用太阳能动力，其行驶速度约60.96 cm/min，犹如蜗牛爬行。虽然行走速度慢，但着陆器和火星车两者共发回了23亿比特的信息。

这些信息中包括超过1.7万张照片，超过15条对周围岩石和土壤的化学分析数据，以及大量有关着陆地点风和其它气候状况的纪录数据。

此次观测显示早期历史上的火星环境可能更加和地球相似，其地表可能曾经存在液态水，并且大气层浓度也要高于现在。

“火星探路者”

同年，俄罗斯发射了“火星96”，结果由于发动机故障，火箭第四级二次点火失败，发射次日返回地球大气层中坠毁。

在1998年，日本发射了“行星B轨道器”，虽然进入了火星大气层，观测到了火星大气层与太阳风的相互作用，但未能在火星表面着陆。

当然，美国也有数次失败的案例，但成功的概率远高于其他国家。

21世纪，火星探测百家争鸣

21世纪初至2020年7月底，国外共实施了14次火星探测任务，该阶段火星探测任务最大的特点是大部分任务均成功（俄罗斯的“福布斯-土壤”除外）。

各国开展了对火星的长期环绕探测和巡视探测，此阶段的科学目标集中在火星演化历史探测和火星生命信息两方面。

01美国一马当先

21世纪，美国火星发射的“奥德赛”探测器、“机遇号”和“勇气号”火星车、“火星勘测轨道”飞行器、“凤凰号”“好奇号”等都非常成功。

“凤凰号”

让人想不到的一个意外是，洞察号的“鼹鼠”（Mole）挖掘深度一直无法超过35 cm，项目团队最终未找出解决方法，只能被迫在2021年1月9日宣布停止这项计划。

但好消息随之而来，2021年2月19日凌晨4时55分，“毅力号”秒速5 km坠入火星大气，超音速展开降落伞，抛隔热罩改用天空起重机，车体变形轮胎触地完成着陆。

“毅力号”登陆火星想象图 来源：NASA

凭借这些年发射的探测器，美国几乎实现了对火星的立体勘察。

2015年NASA陆续宣布取得一系列关于火星的重大发现，包括火星表面存在液态水、火星表面存在远古湖泊、火星地表以下土壤中存在液态水，以及火星上存在极光现象等。

这些科学成果将进一步改变人们对于火星的认识，为在火星上寻找生命痕迹提供重要证据和有力信息支撑，将对人类未来的太阳系探索和地外生命搜寻产生重要影响。

“火星蓝莓”（一种富含赤铁矿的矿物结石） 来源：NASA

02欧洲颇有成果

欧洲在火星深空探测上起步较晚。2003年，欧洲空间局（ESA）发射了“火星快车号”探测器，其轨道器运行正常，但其着陆器“猎兔犬2号”却失踪了。

当年，欧洲空间局以为此着陆器已坠毁于火星表面。

没想到，2015年，美国的火星探测轨道飞行器MRO发现了疑似失踪的“猎兔犬2号”：轨道图像显示此着陆器已成功登陆火星，但未能打开电池板，因此无法与地球取得联系。

“猎兔犬2号”就这样失联了十多年，算是火星探测史上的离奇事件。

“猎兔犬2号”

但是，凭借“火星快车”任务，欧洲的火星探测也取得了重大发现。如发现火星北极附近一个未命名的环形山的底部，有一块水凝结成的冰；2004年，火星快车号探测器发现了火星极光的存在。

2016年3月，欧俄合作的“火星生物学-2016”（ExoMars 2016）也发射升空，它包括“微量气体轨道器”和着陆器（Schiaparelli）。

虽然2016年10月份，其轨道器成功进入火星椭圆轨道，但其携带的着陆器却发生故障，导致着陆器坠落损毁。

03多国跃跃欲试

印度于2013年成功发射了火星探测器，是史上成本最低的火星计划，费用7500万美元，也是亚洲第一个火星探测器。

中国国家航天局也曾与俄罗斯联邦航天局合作，2011年中国的“萤火一号”火星探测器搭载俄罗斯的运载火箭发射。

但因运载火箭发射失败，“萤火一号”与俄罗斯的“福布斯号”火星探测器一起坠入了太平洋。

2020年7月20日，阿联酋“希望号”火星探测器使用日本H－2A火箭发射升空。

它是阿拉伯国家首个深空探测器，由美国提供技术支持研制。而且，“希望号”已于2021年2月9日成功入轨，主要目标是研究火星的大气和气候。

除以上国家之外，还有大家熟知的马斯克火星计划。今年2月4日，SN9号星舰点火起飞，结果没能完成落地前最后的翻身动作，最终坠毁。

星舰原型机SN9号落地瞬间

总体而言，在21世纪第二个十年内，火星探索动力最强劲的仍是美国。

04中国奋起直追

我国火星探测计划是中国航天局第一个火星探测计划，于2016年1月11日正式立项，2020年4月24日被正式命名为天问一号，是中国行星探测工程的首次任务。

“天问一号”将通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视三项任务，用环绕器对火星开展全球性、综合性的环绕探测，这在人类火星探测史上是前所未有的。

“天问一号”火星探测器飞向火星示意图

采用这种“一举三得”的探火方式，起点高，效益高，挑战大。如果成功了，将使我国深空探测能力和水平实现跨越式发展，成为世界第3个在火星着陆、第2个在火星巡视的国家。

国外火星探测能力对标

在“毅力号”着陆后，本轮火星探测的第一阶段已经结束。2020年发射的三台火星探测器（“毅力号”“希望号”“天问一号”）都取得了各自的阶段性进展，开始收集科学数据，希望它们为我们带来更多关于火星的认知。

参考文献

[1]庞之浩,高开源.2020年世界火星探测概览[J].国际太空,2020(08):23-28.

[2]林文杰.扒一扒火星探测史[J].知识就是力量,2016(03):18-21.

[3]松堂.那些年,去过火星的“探路者”们[J].太空探索,2018(08):34-39.

[4]侯明东,刘杰,张庆祥,甄红楼.火星探测的现状与未来[A].中国空间科学学会空间探测专业委员会.中国空间科学学会空间探测专业委员会第十四次学术会议论文集[C].中国空间科学学会空间探测专业委员会:中国空间科学学会,2001:6.

[5]任秋凌.人类探测火星的传奇历程[J].科学之友,2004(01):44-45.

[6]张扬眉.国外火星探测发展态势分析[J].国际太空,2020(08):29-36.

[7]卢波.2016年国外空间探测发展回顾[J].国际太空,2017(02):16-23.

[8]郑永春.火星,中国来了！[J].现代物理知识杂志,2021

来源：科技导报