人類探索火星60年 本月底將迎來中國的“客人”

導(dǎo)讀

在五一假期的最后一天，我們即將迎來忙碌的五月。在我國航空航天領(lǐng)域，五月將會(huì)發(fā)生一件大事，那就是“天問一號”將在本月底擇機(jī)著陸火星。此前，探測器在火星軌道上運(yùn)行了3個(gè)月，國家航天局4月底也公布了中國第一輛火星車名稱——“祝融號”，準(zhǔn)備它接下來的登陸工作。

實(shí)際上，火星探測起步于20世紀(jì)60年代。1960年，蘇聯(lián)發(fā)射人類首顆火星探測器、揭開火星探測的序幕。截至2020年9月，人類共開展了47次火星探測任務(wù)。最近的一次火星登陸是2021年2月19日，“毅力號”（Perseverance）火星車在不經(jīng)變軌的情況下直接突入火星大氣層，成功著陸。

今天，我們就來回顧下這60年間火星探測的歷程。

冷戰(zhàn)時(shí)期，美蘇競技

冷戰(zhàn)時(shí)期（1990年前），火星探測的主要特征是美、蘇把火星探測作為競技場，掀起了火星探測的一輪高潮。

01蘇聯(lián)吹響號角

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

直至1971年，蘇聯(lián)發(fā)射的“火星2號”，終于成功進(jìn)入環(huán)繞火星的人造衛(wèi)星軌道。“火星2號”著陸器和母體分離后命中火星表面，以粉身碎骨的方式成為火星上第一個(gè)人造物體。

“火星3號”

得益于“火星2號”的經(jīng)驗(yàn)，蘇聯(lián)于1971年12月2日發(fā)射的“火星3號”，首次實(shí)現(xiàn)了火星表面的軟著陸。

遺憾的是在著陸后，密封艙只在20秒里送回電視電波后信息就中斷了。然而就在這20秒時(shí)間中，它向地球傳回了來自火星地表的第一張照片。

在1990年前，蘇聯(lián) / 俄羅斯一共實(shí)施了17次火星探測任務(wù)，但這些任務(wù)完全以任務(wù)成功與否來衡量探測成果，政治目的強(qiáng)烈，科學(xué)目標(biāo)相對淡化。

02美國穩(wěn)中求進(jìn)

雖然，美國比蘇聯(lián)晚4年發(fā)射，但先蘇聯(lián)一步成功。

1964年，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射了第一個(gè)火星探測器“水手3號”，不過也未能成功進(jìn)入軌道。

同年，美國發(fā)射的第二個(gè)火星探測器“水手4號”，成功實(shí)現(xiàn)“飛掠”，發(fā)回了大量寶貴的一手資料。

“水手4號”

“水手4號”有兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)顛覆了人們的認(rèn)知。

首先，它發(fā)現(xiàn)火星表面在過去40億年里沒有發(fā)生過變化，既沒有地質(zhì)變遷也沒有風(fēng)化。其次，它發(fā)現(xiàn)火星沒有全球性的磁場，所以無法抵擋致命的宇宙射線。

之前人們一直猜測火星上有生命存在，甚至還可能是高等級智慧生物。但是，“水手4號”傳回的照片粉碎了人們對火星文明的幻想。

從“水手4號”以后，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”，它成為了火星第一個(gè)人造衛(wèi)星。而且在“水星9號”接近火星的時(shí)候，拍到了火星全球性沙塵暴天氣，證實(shí)了天文學(xué)家之前的懷疑——火星上存在“超級沙塵暴”。

“水手9號”拍攝的“奧林匹斯火山” 來源：NASA

直到1972年，沙塵暴逐漸平息后，人類才透過“水手9號”的眼睛目睹了火星的全貌。

NASA的科學(xué)家們看到了河床、撞擊坑、巨大的死火山、峽谷、極地沉積物、冰晶云，還有皚皚的白色晨霧。

“水手9號”發(fā)回的疑似水流過的痕跡，又使人們重新燃起了對這個(gè)獨(dú)特星球的興趣，期盼著能夠發(fā)現(xiàn)生命。

“水手9號”拍攝的“水手谷”（太陽系最大最長的峽谷之一） 來源：NASA

在這之后，美國又發(fā)射了“海盜”系列探測器，該系列探測器由軌道器和著陸器構(gòu)成。

“海盜號”

其中，“海盜1號”的著陸器于1976年9月成功登陸火星，并且成功傳回了火星表面的照片。

火星地表的真實(shí)面貌被展現(xiàn)出來。這是一個(gè)空曠、貧瘠、亂石遍布的世界，富含鐵元素的土壤因?yàn)檠趸@得一片橙紅。

火星地表的第一張彩色照片（“海盜一號”拍攝）來源：NASA

有趣的是，“海盜1號”后續(xù)傳回的一張照片引起了世界轟動(dòng)，被誤傳為火星人的形象。

最后證實(shí)拍攝的形似人臉的火星丘陵，實(shí)際是光影造成的錯(cuò)視。

來源：NASA

基于“海盜1號”傳回的數(shù)據(jù)，“海盜2號”于1975年9月9日帶著研究火星溫度、磁場、風(fēng)速、風(fēng)向、X射線光譜等任務(wù)發(fā)射升空，1976年9月3日觸地于火星烏托邦平原。

令人意外的是，“海盜2號”上搭載地震檢波器觀測到了一次難得一遇的火星地震，這為人類探索地外天體提供了某種新的方向。、

90年代，美國成為火星探測先鋒

20世紀(jì)90年代（1990－1999年），全球共進(jìn)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。

在此階段，美國開始了其持續(xù)至今的“火星探測計(jì)劃”。

標(biāo)志性任務(wù)為“火星探路者”（MPF），其攜帶的“索杰納”（Sojourner）是全球第一輛在火星表面著陸的火星車。

“火星探路者”著陸器及“索杰納”火星車示意圖

“索杰納”主要采用太陽能動(dòng)力，其行駛速度約60.96 cm/min，猶如蝸牛爬行。雖然行走速度慢，但著陸器和火星車兩者共發(fā)回了23億比特的信息。

這些信息中包括超過1.7萬張照片，超過15條對周圍巖石和土壤的化學(xué)分析數(shù)據(jù)，以及大量有關(guān)著陸地點(diǎn)風(fēng)和其它氣候狀況的紀(jì)錄數(shù)據(jù)。

此次觀測顯示早期歷史上的火星環(huán)境可能更加和地球相似，其地表可能曾經(jīng)存在液態(tài)水，并且大氣層濃度也要高于現(xiàn)在。

“火星探路者”

同年，俄羅斯發(fā)射了“火星96”，結(jié)果由于發(fā)動(dòng)機(jī)故障，火箭第四級二次點(diǎn)火失敗，發(fā)射次日返回地球大氣層中墜毀。

在1998年，日本發(fā)射了“行星B軌道器”，雖然進(jìn)入了火星大氣層，觀測到了火星大氣層與太陽風(fēng)的相互作用，但未能在火星表面著陸。

當(dāng)然，美國也有數(shù)次失敗的案例，但成功的概率遠(yuǎn)高于其他國家。

21世紀(jì)，火星探測百家爭鳴

21世紀(jì)初至2020年7月底，國外共實(shí)施了14次火星探測任務(wù)，該階段火星探測任務(wù)最大的特點(diǎn)是大部分任務(wù)均成功（俄羅斯的“福布斯-土壤”除外）。

各國開展了對火星的長期環(huán)繞探測和巡視探測，此階段的科學(xué)目標(biāo)集中在火星演化歷史探測和火星生命信息兩方面。

01美國一馬當(dāng)先

21世紀(jì)，美國火星發(fā)射的“奧德賽”探測器、“機(jī)遇號”和“勇氣號”火星車、“火星勘測軌道”飛行器、“鳳凰號”“好奇號”等都非常成功。

“鳳凰號”

讓人想不到的一個(gè)意外是，洞察號的“鼴鼠”（Mole）挖掘深度一直無法超過35 cm，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)最終未找出解決方法，只能被迫在2021年1月9日宣布停止這項(xiàng)計(jì)劃。

但好消息隨之而來，2021年2月19日凌晨4時(shí)55分，“毅力號”秒速5 km墜入火星大氣，超音速展開降落傘，拋隔熱罩改用天空起重機(jī)，車體變形輪胎觸地完成著陸。

“毅力號”登陸火星想象圖 來源：NASA

憑借這些年發(fā)射的探測器，美國幾乎實(shí)現(xiàn)了對火星的立體勘察。

2015年NASA陸續(xù)宣布取得一系列關(guān)于火星的重大發(fā)現(xiàn)，包括火星表面存在液態(tài)水、火星表面存在遠(yuǎn)古湖泊、火星地表以下土壤中存在液態(tài)水，以及火星上存在極光現(xiàn)象等。

這些科學(xué)成果將進(jìn)一步改變?nèi)藗儗τ诨鹦堑恼J(rèn)識(shí)，為在火星上尋找生命痕跡提供重要證據(jù)和有力信息支撐，將對人類未來的太陽系探索和地外生命搜尋產(chǎn)生重要影響。

“火星藍(lán)莓”（一種富含赤鐵礦的礦物結(jié)石） 來源：NASA

02歐洲頗有成果

歐洲在火星深空探測上起步較晚。2003年，歐洲空間局（ESA）發(fā)射了“火星快車號”探測器，其軌道器運(yùn)行正常，但其著陸器“獵兔犬2號”卻失蹤了。

當(dāng)年，歐洲空間局以為此著陸器已墜毀于火星表面。

沒想到，2015年，美國的火星探測軌道飛行器MRO發(fā)現(xiàn)了疑似失蹤的“獵兔犬2號”：軌道圖像顯示此著陸器已成功登陸火星，但未能打開電池板，因此無法與地球取得聯(lián)系。

“獵兔犬2號”就這樣失聯(lián)了十多年，算是火星探測史上的離奇事件。

“獵兔犬2號”

但是，憑借“火星快車”任務(wù)，歐洲的火星探測也取得了重大發(fā)現(xiàn)。如發(fā)現(xiàn)火星北極附近一個(gè)未命名的環(huán)形山的底部，有一塊水凝結(jié)成的冰；2004年，火星快車號探測器發(fā)現(xiàn)了火星極光的存在。

2016年3月，歐俄合作的“火星生物學(xué)-2016”（ExoMars 2016）也發(fā)射升空，它包括“微量氣體軌道器”和著陸器（Schiaparelli）。

雖然2016年10月份，其軌道器成功進(jìn)入火星橢圓軌道，但其攜帶的著陸器卻發(fā)生故障，導(dǎo)致著陸器墜落損毀。

03多國躍躍欲試

印度于2013年成功發(fā)射了火星探測器，是史上成本最低的火星計(jì)劃，費(fèi)用7500萬美元，也是亞洲第一個(gè)火星探測器。

中國國家航天局也曾與俄羅斯聯(lián)邦航天局合作，2011年中國的“螢火一號”火星探測器搭載俄羅斯的運(yùn)載火箭發(fā)射。

但因運(yùn)載火箭發(fā)射失敗，“螢火一號”與俄羅斯的“福布斯號”火星探測器一起墜入了太平洋。

2020年7月20日，阿聯(lián)酋“希望號”火星探測器使用日本H－2A火箭發(fā)射升空。

它是阿拉伯國家首個(gè)深空探測器，由美國提供技術(shù)支持研制。而且，“希望號”已于2021年2月9日成功入軌，主要目標(biāo)是研究火星的大氣和氣候。

除以上國家之外，還有大家熟知的馬斯克火星計(jì)劃。今年2月4日，SN9號星艦點(diǎn)火起飛，結(jié)果沒能完成落地前最后的翻身動(dòng)作，最終墜毀。

星艦原型機(jī)SN9號落地瞬間

總體而言，在21世紀(jì)第二個(gè)十年內(nèi)，火星探索動(dòng)力最強(qiáng)勁的仍是美國。

04中國奮起直追

我國火星探測計(jì)劃是中國航天局第一個(gè)火星探測計(jì)劃，于2016年1月11日正式立項(xiàng)，2020年4月24日被正式命名為天問一號，是中國行星探測工程的首次任務(wù)。

“天問一號”將通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三項(xiàng)任務(wù)，用環(huán)繞器對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測，這在人類火星探測史上是前所未有的。

“天問一號”火星探測器飛向火星示意圖

采用這種“一舉三得”的探火方式，起點(diǎn)高，效益高，挑戰(zhàn)大。如果成功了，將使我國深空探測能力和水平實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為世界第3個(gè)在火星著陸、第2個(gè)在火星巡視的國家。

國外火星探測能力對標(biāo)

在“毅力號”著陸后，本輪火星探測的第一階段已經(jīng)結(jié)束。2020年發(fā)射的三臺(tái)火星探測器（“毅力號”“希望號”“天問一號”）都取得了各自的階段性進(jìn)展，開始收集科學(xué)數(shù)據(jù)，希望它們?yōu)槲覀儙砀嚓P(guān)于火星的認(rèn)知。

參考文獻(xiàn)

[1]龐之浩,高開源.2020年世界火星探測概覽[J].國際太空,2020(08):23-28.

[2]林文杰.扒一扒火星探測史[J].知識(shí)就是力量,2016(03):18-21.

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

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

[5]任秋凌.人類探測火星的傳奇歷程[J].科學(xué)之友,2004(01):44-45.

[6]張揚(yáng)眉.國外火星探測發(fā)展態(tài)勢分析[J].國際太空,2020(08):29-36.

[7]盧波.2016年國外空間探測發(fā)展回顧[J].國際太空,2017(02):16-23.

[8]鄭永春.火星,中國來了！[J].現(xiàn)代物理知識(shí)雜志,2021

來源：科技導(dǎo)報(bào)