红色星球上，美国纪元终结_风闻

“祝融号”火星车于5月15日成功着陆火星，圆满完成了所有既定巡视探测任务。8月15日，它终于达到了设计寿命（90个火星日，约合92个地球日），开始进入超期服役状态。

**截至8月23日，“祝融号”已在火星度过了100个昼夜，同时其行驶里程也恰好突破了1000米！**这也意味着中国的火星探测计划取得了前所未有的巨大成功。

“祝融号”拍摄的火星照片。

与此同时，美国的“毅力号”火星车也早已着陆火星，在地表漫游。而名不见经传的阿联酋发射的“希望号”也正在火星轨道上环绕。

1961年苏联宇航员加加林呼啸上天，标志着人类首次冲出地球的努力取得成功；次年，美国总统肯尼迪发表演讲“我们选择登月，并不是因为容易，而是因为很难”，为人类迈出地球奠定基础；现在，人类正向着更远的火星进发！

尽管近年来人类的火星探测器发射取得了前所未有的高成功率，但回顾人类的火星探索历程，从最原始的肉眼看到现在的火星车在火星表面巡游，人类对火星的探索经历了各种回环曲折，跌宕起伏。

现在的辉煌是在前人的失败上筑成的，今天，库叔就带你展开人类探索火星的画卷。

文丨田硕 瞭望智库观察员

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为什么选火星？

2014年4月9日，天文爱好者在青岛用望远镜观测到的火星。图｜视觉中国

太阳系的八大行星分为类地行星（水星、金星、火星）和气态行星（木星、土星、天王星、海王星）。类地行星因为有固体表面，且离地球更近，更适合人类探测。

那么，在3个类地行星里面，人类为何选了火星？

太阳系八大行星。图｜人民视觉

先说说水星。

第一，探测难度太大。

所有朝太阳系中心飞的探测器，都会受到太阳引力而作加速运动。水星是最靠近太阳的行星，而且其质量仅为地球的5%左右，引力很小，使得高速运动的探测器很难被它的引力所捕获，稍有不慎就会一头扎向太阳。而且，调整轨道所需时间很长、风险很大。

第二，水星更靠近太阳。

探测器到了水星附近，要面临高温的挑战和高能辐射的干扰，设计制造要求非常苛刻。

第三，性价比低。

通过对“水手10号”（第一个造访水星的的探测器，美国1973年发射）发回的数据进行研究，人们发现水星的磁场强度很弱，温差过大（430℃-零下180℃），大气层过于稀薄，布满了撞击坑，基本属于不毛之地。花那么多人力物力去探测它，性价比很低。

再来说金星。

金星的体积约为地球的85.5%，质量约为81.5%，两者的大小和质量都相差不多，可能有生命存在，很多人都想象有朝一日人类能移民金星。

实际上，金星的环境比水星还要恶劣：

*高温：金星大气96%以上是二氧化碳，这造成了严重的温室效应。金星表面平均温度在460℃以上，甚至超过了水星，是太阳系中最热的行星。

*高压：金星表面的大气压是地球的92倍，大概相当于920米深的水压，即使普通潜艇都无法承受。

*强腐蚀性：金星的地质活动过度活跃，经常有火山爆发。大量的硫化物就这样被送上了天空，形成大片的硫酸云层。即使下雨也是硫酸雨。

比较之下，火星的条件就好了很多。

第一，火星上的一昼夜是24小时37分钟，自转倾角25.2度，与地球的23.5度非常接近，所以也有季节的交替，夏季太阳直射点附近火星表面温度最高能够达到30℃左右。

第二，火星距离地球较近，探索火星所需的时间少，成本低。

火星距离地球最近只有5500万公里左右，单程时间仅需8个月左右，发射时间窗口26个月一次。且火星上的气压仅为地球的1%左右，探测器无需在抗压抗腐蚀上进行额外设计，工作时间也要比在金星上长得多。

火星的逃逸速度约5.0千米/秒，远低于地球的11.2千米/秒，大气非常稀薄，距离太阳更远，这意味着在火星进行航天发射的难度远小于地球。而且，跟火星临近的小行星带蕴涵大量可供开采的矿产资源。

第三，火星上面有水。

火星的南北极有巨大的水冰与干冰混杂的冰盖，地下很可能还有巨大的液态卤水湖。

**第四，远古时期火星与地球的气候相似。**探索火星气候变化的原因，对保护地球气候有重要意义。

因此，利用火星作为人类探索深空的跳板非常理想，它是大气制动等许多新技术的试验场地。

2

火星竞赛

1957年，苏联发射世界上第一颗人造卫星。1959年，苏联又发射了世界上第一个月球探测器“月球1号”。太空竞赛逐渐升温，火星探索迎来了第一个高潮。

1960年10月10日，苏联首先发射了人类历史上第一颗火星探测器，紧接着14日发射了第二颗，开始了人类的火星探索旅程。这也是人类第一次尝试发射行星探测器。然而，这两艘飞船连地球轨道也未抵达。

显然，步子迈得太大了。

1962年的火星发射窗口，苏联接连发射了三个火星探测器，又全部失败了。这似乎开启了苏联人的火星魔咒。与苏联金星探测的辉煌相比，火星探测似乎成为一道无法逾越的难关。

此时美国终于开始行动了。它的火星探测起源于“水手计划（Mariner）”——目的在于探索类地行星。

**苏联开局不顺，美国也同样倒霉。**1964年11月，美国发射的首个火星探测器“水手3号”在星箭分离阶段失败。在这种情况下，它的姊妹船“水手4号”顶着巨大的压力于11月28日发射成功，并于1965年7月15日从火星上空1万千米处掠过，成为人类有史以来第一个成功抵达火星的探测器。

通过对“水手4号”发回的数据和照片进行分析，科学家发现火星表面有很多撞击坑，不太像有复杂地质运动和类似地球气候条件的样子。火星大气密度远比此前人们认为的稀薄，也没有探测到磁场。这些新数据促使天文学家修改后续的火星研究设计，也显示火星上存在生物的可能性比先前预测的还低。

1969年，美国又成功发射了“水手6号”和“水手7号”，进一步探测确认火星极其寒冷，几乎没有磁场，气压极低，大气成分也主要是二氧化碳。这清楚地表明，火星是一个蛮荒之地，不太可能存在生命。人们对于火星人的幻想就此破灭。

此次联合飞掠行动所取得的数据和资料，为后面两艘“海盗号”（Vikings）着陆火星开辟了道路。

更重要的是，这一项目实施时，美国仍处于行星际探测技术发展的早期，这两艘飞船的成功锤炼了美国的相关工程学技术，为后续的行星际飞行任务打下了坚实基础。

3

竞赛白热化

时间进入到20世纪70年代，竞赛升级。美苏已经不仅仅满足于掠过火星，而是要环绕，要登陆！

1971年是人类探测火星史上最繁忙的一年，美苏共计发射了5个探测器。

1971年5月9日美国“水手8号”出发，然而仅数分钟后就坠毁于大西洋。一天后，苏联的“宇宙419号”也遭此厄运。

但是，美国5月30日发射的“水手9号”取得了空前的成功，成为了第一个环绕火星的探测器！也是人类第一个环绕其他行星的探测器！

只是，“水手9号”抵达火星时，其表面正在发生全球性沙尘暴。所幸它等了一年，成功熬了过去。相比前辈，它的成绩惊人。它拍下了7000多张火星照片，发现了水手号大峡谷和太阳系最高峰奥林匹斯山（另一说是灶神星的雷亚西尔维亚峰）。

此外，“水手9号”还拍下了大量的火星表面细节特征，包括河床、撞击坑、山川、峡谷等地貌特征。这些地貌的存在，意味着火星上曾经发生过大规模的地质运动。

在1971年的窗口期，除了失败的“宇宙419号”外，苏联还发射了“火星2号”和“火星3号”。这两艘都是全新的轨道飞行器+登陆器的组合飞船，登陆器甚至还携带了一个小型火星车。

在太空竞赛初期一直保持领先的苏联刚刚在登月竞赛中输给了美国，毫无疑问，全新的探测器表现出了苏联誓要压美国一头的决心。5月19日和5月28日，“火星2号”和“火星3号”顺利升空，苏联已经为梦想中的胜利做好了双保险。

这次，幸运女神似乎终于眷顾了苏联，11月27日、12月2日，“火星2号”和“火星3号”相继抵达火星。然而，他们和“水手9号”一样，遭遇了火星沙尘暴。

**“火星2号”着陆器****在着陆过程中失联，坠毁于火星表面，成为有史以来第一个“硬着陆”的火星探测器。**而“火星3号”着陆器则终于实现了软着陆的梦想。然而它着陆后仅约100秒后就失联，只发回了半张照片，几乎没有取得任何科研成果。

而两个轨道飞行器则持续工作到了1972年9月，因为沙尘暴迟迟不散，最重要的用光学设备绘制火星全图的工作迟迟无法进行。相比“水手9号”，苏联的两个探测器并无亮点。

1973年，不甘心的苏联放手一搏，在短短20天内连续发射了“火星4号”到“火星7号”4个探测器。其中6号和7号计划继续向登陆火星挑战。可惜都没有圆满完成任务，唯一的亮点是，5号围绕火星工作了9天，随即失去联系。

一次次失败，极大打击了苏联人对火星的雄心。而此时美国“海盗1号”和“海盗2号”横空出世，为70年代火星竞赛画上了句号。

与苏联的“火星2号”和“火星3号”类似，“海盗1号”和“海盗2号”都包括一个在轨飞行器和一个着陆器。它们分别于1976年6月19日和8月7日先后抵达火星。一个月后，轨道器和着陆器才择机分离。7月20日和9月3日，“海盗1号”和“海盗2号”分别成功着陆！

与前者相比，这两个着陆器首次使用了核动力。多亏了核电池，两兄弟分别正常工作了2306和1316个地球日。该纪录直到2010年5月19日才由“机遇号”打破。海盗计划也成为了有史以来最为成功的火星探测计划之一。

**着陆器任务的主要科学目标是寻找生物迹象信息，观察火星气象学、地震学和磁学的性质。**它们还发回了火星地表周景全彩图。遗憾的是，两个着陆器并未给出直接证据，证明火星表面存在有机物。

海盗计划结束后，美国基本锁定胜局，同时也因为资金缺乏，短期经济效益并不明显，耗资巨大的火星探测项目逐渐被砍掉。从各种研究结果来看，火星似乎没有生命存在的可能，进一步验证的难度颇大，投入与产出严重不成比例。自此20年间，美国再也没有踏足火星。

经历1973年的惨败后，苏联曾一度放弃探索火星。

厉兵秣马15年，1988年7月7日和12日，以火卫一名字命名的“福波斯1号”和她的姊妹船“福波斯2号”踏上去往火星的征程。前者在9月2日失联；后者成功抵达火星，但在进入环火轨道后突然失联。福波斯计划是苏联航天最后的辉煌。

失去竞争对手的美国也逐渐失去了继续探测火星的动力，大部分的精力和重心都转移到了航天飞机研制和空间站建设，80年代的火星探索显得荒凉而落寞。

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重启计划

20世纪末，美国建立了航天技术的绝对优势，新一代科学家走向深空的想法越来越强烈。

1992年，美国重新开启火星探索。9月25日，“火星观察者号”（Mars Observer）成功发射，准备对火星的大气、地表、重力场和磁场进行全方位研究。然而次年8月21日马上要到达时，它与地球失去了联系。

尽管开局不利，但正如苏联和美国早期的火星探测器一样，“火星观察者号”却开启了一个崭新的时代——一个新的火星探测浪潮！

NASA推出了一个新的替代方案——“火星全球勘探者”（Mars Global Surveyor），1996年11月7日成功升空并于次年9月12日顺利进入火星轨道。

此次任务还试验了难度极高的“空气刹车”变轨。变轨持续了两年多，成功把探测器的轨道逐步调整为378千米高的圆形轨道。

“火星全球勘探者”在轨工作6年，首次拍下火星的清晰全貌，绘制了前所未有分辨率的火星全球地图，探索了火星的气候变化，甚至还发现了龙卷风！2006年11月，在超期服役5年多后，它最终失去了与地球的联系。

美国还于1996年12月4日发射了“火星探路者号”（Mars Pathfinder）。这次任务测试了新的火星着陆技术（火箭反推和气囊弹跳减速结合），为未来大型火星车着陆提供了技术参考，同时释放了人类送往火星的第一部火星车“旅居者号”（Sojourner）！虽然仅移动了约100米，但从此人类的研究平台终于动了起来！

**赶在1996年发射窗口的还有俄罗斯。**然而“火星96”任务延续了苏联时期的梦魇——刚抵达近地轨道发动机就出现了故障，不久就在大气层坠落焚毁。这次失败极大打击了俄罗斯的积极性，直接导致“火星98”被无限期推迟，从此俄罗斯长期离开了与美国竞争的舞台。

1998年12月11日发射的“火星气候卫星”（Mars Climate Orbiter）和1999年1月3日发射的“火星极地登陆者”（Mars Polar Lander）全部失败。日本的“希望号”也是亚洲首个火星探测器也因入轨失败结束了使命。

20世纪最后几年的火星探测都以失败告终，但反复经历的高潮和低谷，让人类储备了充足的技术。

早期火星探索中，问题大都出在不靠谱的运载火箭上，很多连近地轨道都没有抵达就失败了。70年代后，大都是在去往火星的路上或者进入环火轨道后失联，这可以归结为电子设备（特别是控制系统和电脑）的不可靠。

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又一个高峰

新世纪的第一个火星探索任务以经历重大挫折后崛起的英雄奥德赛命名，人们希望火星探索在遭遇90年代末的重大挫折后能有所突破。

2001年4月7日发射后，不负众望的“奥德赛号”成功进入环火轨道，不仅在火星上发现了水存在的广泛线索，还首次在火星地下发现了氢元素。

**不过，“奥德赛号”最重要的使命是作为未来地面着陆器和火星车的信号中继站，对之后几次重要火星登陆的成功起到了重大作用。**这艘探测器至今仍在环绕着火星进行科学探测，是目前为止所有的火星探测器里最超长待机的一个。

2003年，迎来了3个火星探测器，其中就包括欧空局的“火星快车号”（Mars Express）和其搭载的“小猎犬2号”（Beagle II）着陆器。它于6月2日发射，并成功抵达火星轨道，首次尝试即成功。虽然“小猎犬2号”着陆后失联了，但丝毫不妨碍“火星快车号”一路开挂的科学发现。

此次任务最大的成果就是水的发现，火星南北两极的水冰总量甚至超过了格陵兰岛。还在火星南极发现了疑似地下湖的证据。

美国在这个赛季成绩辉煌。

NASA正式立项了火星探测漫游者项目（Mars Exploration Rover），大名鼎鼎的“勇气号”和“机遇号”应运而生。它们分别在2003年6月10日和7月7日顺利升空，并于次年1月先后抵达。它们都采用了跟“探路者号”相同的反推火箭和气囊保护相结合的着陆方式。

这两辆火星车高1.5米，宽2.3米，长1.6米，有6个轮子，与“旅居者号”相比可以算得上是庞然大物。抵达火星后，它们获得了海量的科研成果。印证了火星土壤中没有有机物存在的证据，也基本印证了火星在远古时期拥有温暖潮湿环境的猜想。

两辆火星车原本的设计寿命只有90天，科学家认为超期后尘土就会覆盖在太阳能电池板上导致无法工作。谁也没想到，火星上的大风时不时地帮忙吹去尘土，让它们工作了好多年。

“勇气号”一直坚持到2011年3月22日才结束任务。受沙尘暴影响，“机遇号”自2018年6月10日起中断和地球的通讯，进入低电量休眠状态。2019年2月13日，由于始终无法取得联系，NASA正式宣布结束“机遇号”的使命。它创下了人类在外星球上的最长行进纪录——45.16千米！这样一个原计划90天的任务，持续了15年，终于华丽谢幕。

2005年，美国又发射了“火星侦察轨道器”（Mars Reconnaissance Orbiter），以前所未有的分辨率对火星进行详细考察，并为往后的任务寻找适合的登陆地点，同时为这些任务提供高速的通讯功能。它拍照的最高分辨率可以达到0.3米，可以与军事侦察卫星媲美。目前它仍在工作，预计能工作至2030年。

2007年，“凤凰号”（Phoenix）顺利升空，目标火星北极，任务是探寻地下水。其名字是为了弥补1999年“火星极地登陆者号”的失败。果然，“凤凰号”很快就在着陆区一带的土壤下挖出了水冰，堪称“火星有水”的一记实锤。

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进入新世纪

接二连三的成功极大鼓舞了科学家们，他们迫不及待地开始着手制造更大更复杂的火星车。

2011年，美国发射了当时人类最先进、最昂贵，也是最重的火星车——“好奇号”（Curiosity），来寻找火星曾经存在生命的证据。

它有2.9米长，2.7米宽，2.2米高，是“勇气号”和“机遇号”体积的2倍多，重量的5倍。这意味着它能够携带更多设备，机动能力大幅增加。它还使用了核电池作为动力能源，相较于使用太阳能，能更好地进行全天候活动。

此外，“好奇号”还配备了复杂的化学相机，包括激光诱导击穿器和远程显微镜。在工作中，“好奇号”只要对准一块研究区域，激光器就可发射激光脉冲将岩石完全气化成等离子体。远程显微镜可以实现从红外线到紫外线之间6000多个波段的全面化学分析，岩石成分一览无余。

为了让这辆史无前例的火星车降落，美国首次启用了空中吊车技术——这是人类现今能掌握的最具科幻色彩的技术之一。

2013年，“好奇号”发现火星土壤的水分含量高达1.5%-3%，完全可以满足未来人类移民的需要。2014年“好奇号”又在火星岩石中发现了有机物，这让大家相信我们正在接近火星生命的真相。

这一年，美国发射了MAVEN（Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission），弥补对火星大气全方位研究的空白，弄清楚是什么原因让火星大气演化得如此稀薄与干燥。这对于人类未来改造火星气候环境很有意义。

科学家根据数据做出推断：随着其内部核心的冷却，火星不再能产生类似地球的磁场，从而导致太阳风长驱直入，剥离了火星大气。这是一个不可逆的结果，并且火星正在逐渐变冷。目前MAVEN仍在工作，作为信号中继站，为火星车服务。

同年，印度首个火星探测器“曼加里安号”成功抵达火星轨道，成为首个初次探测便成功的国家。

俄罗斯，天不遂人愿。

2011年，俄罗斯也计划了一个超级火星探索项目——发射“福波斯-土壤号”探测器登陆火卫一，取样并返回，并且还将在火星轨道上释放中国首个火星探测器“萤火1号”。

然而，探测器在抵达近地轨道后变轨失败，不久后坠入地球大气层。事后查明变轨失败原因是探测器芯片受到宇宙高能粒子冲击而失效。

亚洲第二个、中国第一个火星探测任务失败。搭乘俄罗斯火箭的原因是由于当时中国深空通信网络尚未建成，缺乏深空探测任务经验，与俄罗斯合作能将风险和成本降到最低。

在美国探测火星的高光时刻，欧洲也想填补火星探测的空缺，ExoMars（Exobiology on Mars）项目应运而生。其最主要目标是探测火星上是否存在生命，计划从大气、地表、地下等方面全方位解析，本来是跟NASA合作的，但因为资金问题双方分道扬镳。

这时，已经与欧洲在火星快车项目上合作过的俄罗斯伸来了橄榄枝，双方一拍即合。2016年“火星微量气体任务卫星”成功发射，还携带了一个着陆器。探测器成功围绕火星工作，着陆器却在登陆前最后50秒突然发生故障，最终坠毁。

为了弥补地下探测这块空白，NASA的“洞察号”（Insight）应运而生，为了降低成本和风险，其使用了与“凤凰号”相同的设计和技术。

2018年5月5日，“洞察号”顺利升空并于当年11月26日成功降落在火星表面。它配备了最先进的火星地震仪和热流侦测器，能够钻入地下5米深入探测火星内部情况。目前火震仪已经观测到数百次不同震级的火星震动。

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崭新的“飞行”时代

2020年，除了欧空局和俄罗斯合作的的ExoMars二期项目推迟外，阿联酋的“希望号”、美国的“毅力号”（Perseverance）以及中国的“天问一号”已相继抵达火星。

“毅力号”的设计制造是以“好奇号”为基础，与其很相似，但经过了升级改进，重达1吨，是有史以来最重最大的火星探测器，所以其降落再次启用了空中吊车技术这种黑科技。

相比于“好奇号”专注于分析火星土壤和岩石的构成，“毅力号”专注于寻找生命的痕迹。

此外，在升级“好奇号”相关技术的基础上，“毅力号”还创下了两个“人类首次”。

**第一，它配备了一套制氧装置，可以直接将火星大气中的二氧化碳转化为氧气。**这对于未来人类登陆火星乃至移民的重要性不言而喻。尽管每小时只能制备10克氧气，但这就是个不折不扣的创举！

第二，它还携带了一架名为“机智号”的小型直升机，并成功起飞。

尽管“机智号”第一次飞行只飞了3米高，悬停30秒，但这是一个不折不扣的奇迹！这是人类制造的飞行器首次在外星球成功起飞，堪比莱特兄弟的首飞，具有里程碑式的意义！人类深空探测进入崭新的“飞行”时代。

对于“天问一号”来说，虽然是后来者，但起点却相当高，也是环绕器+火星车的组合，一步就跨越了美国几十年的路程，直接释放了“祝融号”火星车进行地表巡视，中国成为“绕落巡”三项任务第一次进行即全部成功完成的首个国家，也是继美国后第二个成功登陆火星的国家！

2021年7月5日，上海天文馆”祝融号“火星车模型。图｜视觉中国

我国的这次火星探测任务早于2016年立项，计划通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视，对火星进行全球性、综合性的探测。对此任务我国稳扎稳打，从不攀比冒进。

尽管最近20年间成功率很高，但火星探测从来都不是一件容易的事。“天问一号”环绕火星，“祝融号”着陆火星，不仅是中国航天工程任务难度的新突破，更是我国在行星科学领域史无前例的突破，给中国带来了火星的第一手资料。

中国火星探测首席科学家万卫星院士2019年的一篇文章中谈到：“如果说第一次热潮的主题是探测竞赛，比的是谁先跑得最快。那么第二次热潮的主题应是科学竞赛，比的是谁先看得最深。”

从最原始的用眼睛看到目前在火星表面飞行，挫折与成功并存，人类的火星探索一步一个脚印向前稳步迈进着。尽管过去60年人类的成就斐然，但在很大程度上也代表着美苏本国的科技。展望新世纪，中国的加入必将会改变火星探索乃至太空探索的格局。

祝融号见证了红色星球上美国纪元的结束和多元竞争纪元的开始，未来的20-30年将很精彩。当我们抬起头，默默遥望着那颗红色的星球，我们明白这绝不是终点，我们期待的是迈向更远的星辰大海。

参考资料：

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2.《中国载人火星探测“三步走”设想》，中国航天报;

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