歷經半個多世紀,人類為什麼依舊執著於探測火星?

出品：新浪科技《科學大家》

撰文：龐之浩 全國空間探測技術首席科學傳播專家，衛星應用產業協會首席專家，中國遙感應用協會專家委員會委員，中國首次太空授課專家團隊組成員

其實，這並不是世界各國第一次競相向火星進發。火星究竟有什麼「寶藏」，使它成為各國太空探測活動的「兵家必爭之地」？去過火星的太空旅者們都發現了什麼？火星還有哪些可能的驚喜亟待人類發掘？

漫漫探火路

人類的火星探測起步於20世紀60年代，到今年6月底，全球共實施了44次探火活動，其中美國21次，蘇俄19次，日本1次，歐洲2次，印度1次。完全成功或部分成功23次，成功率約53%。完全成功的19次，成功率約43%。探測火星十分不易，主要原因是火星距地球遙遠，環境複雜。

迄今，成功登陸火星的探測器有8個：海盜一號、二號、「探路者」、機遇號、勇氣號、鳳凰號、好奇號、洞察號，它們都是美國研製的。嚴格地講，第一個在火星著陸的是蘇聯的火星三號，但它只工作了20秒。目前工作的軌道器有6個，著陸巡視器有2個，其中的軌道器是：美國的「火星奧德賽」、「火星勘測軌道器」、「火星大氣與揮發物演變」，歐洲的「火星快車」和「微量氣體軌道器」，印度的「曼加裡安」；其中的著陸巡視器是：美國的好奇號火星車和洞察號著陸器。

海盜二號著陸艙拍攝的火星表面

由於政治、科技、經濟、技術等原因所致，探火和探月很相似，可分為以下三個發展階段。

1960—1975年為第一階段，是探火的第一次熱潮，共進行了23次發射。美蘇主要是為了政治目的，在包括火星探測在內的許多航天領域開展了激烈的爭霸活動，以顯示各自的航天實力。但在這一階段也取得了不少探火成果。

1976—1990年為第二階段，火星探測進入低潮期，只有蘇聯進行了2次火星探測器的發射，還都失敗了。這是由於美蘇競爭戰略重點轉移，美國大力發展太空梭，蘇聯則大力發展空間站。

20世紀90年代至今為第三階段，是探火的第二次熱潮，共進行了19次發射。這次探火高潮與第一次高潮不同，主要是為了科學和工程目的，即以發展新技術和獲得科學發現為主，從而催生了又一個火星探測的高潮期。尤其是美國實施了龐大的「火星生命計劃」，發射了不少新型火星探測器，成就斐然。另外，歐洲航天局、印度也成功探測了火星，打破了美蘇對探火的壟斷。而且，這一階段的火星探測成功率大為增加，21世紀發射的火星探測器都取得了成功或部分成功。

數十年的火星探測之爭

在20世紀，主要由於政治原因，蘇美在火星探測領域開展了火爆的競賽，結果，美國技高一籌，探火的成功率明顯高於蘇聯。

蘇聯火星三號火星探測器模型

近三十年間，蘇聯先後向火星發射過數次探測設施，大多會同時或連續發射多個，但大部分都失敗了。只有寥寥幾個成功著陸，也僅傳回少量數據。其中火星三號著陸艙在火星表面實現了軟著陸，雖然僅發送回地球20秒鐘的電視信號，但它是第一個到達火星表面的探測器。火星五號則是蘇聯首個進入火星軌道的探測器，並發回火星照片；火星六號在著陸過程中對火星大氣進行了觀測，發回了火星大氣參數。

除「火星」系列外，探測器-2和宇宙-419火星探測器也是由蘇聯發射的，無一不以失敗告終。1988年，蘇聯又相繼發射了火衛一號、二號探測器，擬探測火星的衛星，但也都失敗了，未能傳回科學數據。1996年，俄羅斯發射火星-96時則「箭毀器亡」。

俄羅斯火星-96探測器

而在一時期，美國向火星發射了6個「水手」系列探測器，其中有4個成功，尤其是水手四號從離火星約1萬千米的地方掠過，第一次對火星作了近距離考察，探測到火星的大氣密度不足地球的1%，傳回了21張火星近距離的照片；水手九號於1971年成為第一個進入火星軌道的探測器，拍攝了70%的火星表面，並為後來的海盜一號、二號在火星著陸探測選定了地點。

美國水手四號火星探測器

1975年，美國又先後發射了海盜一號、二號探測器。它們在1976年進入火星上空時軌道艙繞火星飛行，著陸艙實現了在火星表面成功軟著陸的壯舉。這兩個探測器共發回地球5萬多張火星照，還對火星表面的土壤進行了取樣化驗分析。結果表明，火星上沒有發現任何生命存在的痕跡，也未探測到火星上有任何有機分子。

此後全球探火轉入了低潮，一直到17年後的1992年，美國發射了「火星觀測者」探測器。然而，它在即將到達火星時失聯。經過4年技術改進後，美國於1996年開始實施「火星生命計劃」，先後成功發射了「火星全球勘測者」和「火星探路者」探測器，以確定火星上是否存在生命。其中「火星探路者」攜帶了世界第一輛火星探測車「旅居者」。

但是，美國在1998年和1999年分別發射的「火星極區著陸器」、「火星氣候軌道器」又遭遇失敗。

1998年，日本加入火星探測大軍，發射了首個火星探測器「希望號」。但由於推進器故障，希望號最終沒有進入火星軌道。

沒能進入火星軌道的日本希望號火星探測器

目的地為什麼是火星？

火星是太陽系中與地球最相似且距離較近的行星，因此成為目前除地球以外人類研究程度最高的行星，人類用空間探測器對火星進行探測的歷史也幾乎貫穿整個人類整個航天史。

火星

火星的一天約為24.6小時，與地球十分接近；火星一年約為687地球日，少於2個地球年；其自轉軸與公轉軌道面傾角約為65°，所以存在四季變化，這也和地球相似；火星大氣很稀薄，以CO2為主，壓力大約只有地球的1%；雖然火星表面溫度平均僅為-63℃，但夏天陽光直射區域溫度則可以上升到約20℃，赤道附近的極端最高溫度則有機會達到30℃左右。

另外，火星的直徑約為地球的1/2，體積約為地球的15%，質量約為地球的1/10，重力約為地球的1/3。火星的表面大都為沙丘、礫石，也有不少隕石坑、火山與峽谷。火星擁有太陽系最高的山峰——奧林帕斯山，高達21公裡；還擁有太陽系最的長峽谷——水手大峽谷，長4000公裡、最深處7公裡。火星沙塵暴很厲害，有時達地球上12級颱風的6倍，但由於氣體少，所以飛沙不走石。還有，火星有兩個天然衛星。

正因為火星是太陽系裡與地球最為相似的行星，所以探測火星，了解火星的起源和演化，有助於人類進一步認識地球和太陽系的形成和演化，預測地球的未來變化趨勢。

火星上是否有水、有生命，是人類目前最關心的。由於火星是與地球最為相似，所以探測火星生命的起源和演化，可促進對地球生命乃至太陽系的起源和演化的研究，以及了解人類在宇宙中的地位和最終的命運。

另外，探測火星本身的地形地貌、地質構造、大氣特徵、氣候變化、內部結構和物理場等也很重要。例如：

美國機遇號車拍攝的此處被證實曾經有水，可能存在過生命

大量跡象表明，火星以前很可能與目前的地球一樣，只是經過幾十億年的演化才變成大氣層稀薄、溫度較低、水源枯竭等今天這個樣子；而另一顆離地球很近的行星——金星正好與之相反。所以，不少天文學家推斷，火星是地球的未來，金星是地球的過去。因此，要深入探測火星，這對研究地球的演變，防止它變成人類難以生存的第2個火星具有促進作用。

從長遠看，火星探測還有可能解決未來地球上一些難以解決的問題。例如，地球可能總有一天會遭受地外星球的撞擊而毀滅。因此有些科學家現已開始研究向外空移民的方案了，以保留人類的延續。由於火星與地球最為相似，所以不少科學家認為可先把火星改造成適合人類居住的第2個家園，然後向火星移民。為此，現在就必須逐漸全面而深入地了解火星才行，為改造火星、建造火星基地奠定基礎，做好準備。

美國好奇號火星車火星蓋爾隕坑全景照

新世紀的「探火競賽」

進入21世紀以後，世界火星探測高潮迭起，美國獨佔鰲頭，歐洲、印度的火星探測器也紛紛亮相。

2001年，美國成功地發射了「火星奧德賽」探測器，首次發現火星地表下面存在水冰，這預示著火星上存在生命的可能性。此後發射的美國火星探測器也都獲得成功。

2003年，美國先後發射了第二代火星車——勇氣號和機遇號，它們不僅大大超期服役，而且相當於一個地質學家站在火星上獲取了重要成果，使科學家更好的了解了火星，並再次證實火星上有水。

美國機遇號火星車示意圖

2005年入軌的美國「火星勘測軌道器」是當今世界最先進、最大的火星軌道器，它用於從低軌道觀察火星，拍攝了大量高清晰度火星圖片，並為火星著陸器選址和中繼數據。

2007年，美國鳳凰號火星著陸器升空。它是第一個在火星北極地區著陸的探測器。

2011年發射的美國「火星科學實驗室」攜帶了第三代火星車好奇號，其上的科學儀器質量是第2代的15倍，採用了不怕陽光少和沙塵暴的核電源作為火星車動力，還首次採用了「空中起重機」著陸新技術在火星表面精確著陸。

2013年，美國 「火星大氣與揮發物演變」入軌。它是世界首個研究火星上層大氣的探測器，旨在調查火星上層大氣，幫助了解火星大氣氣體逃逸到太空對火星氣候演變所產生的影響。

2018年11月26日，美國洞察號火星探測器在火星安全著陸。它首次對火星進行「體檢」，為火星做CT，深入研究火星內部，揭示巖質天體形成等問題。

洞察號著陸火星工作示意圖，左下角的半圓形設備是火震儀，右下角的熱流探頭能深入地表下5米，測量火星內部散逸的熱量，並幫助揭露火星的熱歷史

進入21世紀後，歐洲也開始探測火星。2003年6月2日，歐洲第1個火星探測器「火星快車」升空。它由軌道器和著陸器組成，其中軌道器進入火星軌道，獲得超出預想的數據，包括用雷達探測火星的水資源存量，目前仍在超期服役，並為火星著陸器或巡視器選址和提供信息中繼服務。但其攜帶的英國獵兔犬二號著陸器在著陸火星過程中與地球失去聯繫。

2016年，以歐洲為主，歐洲航天局與俄羅斯合作研製的「火星生物學-2016」探測器入軌。它由「微量氣體軌道器」和「夏帕雷利」著陸器組成。其中軌道器成功進入火星軌道，主要用於探測火星大氣中的微量氣體；著陸器原定用於進行火星表面著陸試驗，但沒有成功。

歐洲「夏帕雷利」著陸器從「微量氣體軌道器」分離落向火星表面

2011年，俄羅斯發射了「火衛一-土壤」/螢火一號探測器。這次火箭雖然沒出問題，但探測器在地球軌道發生了故障，沒能進入地火轉移軌道，最後再入地球大氣層燒毀。

印度一直想在亞洲航天領域爭個第一。2013年，印度發射了其第一個火星探測器——「曼加裡安」。它於2014年成功進入火星軌道，並發回所拍攝的火星照片，從而成為繼蘇聯、美國和歐洲之後世界第4個成功探測火星的國家或組織，也是亞洲第1個成功探測火星的國家。

2020，火星「趕集」

今年有三個國家的火星探測器升空，猶如到火星去趕集。其中中國是首次發射火星探測器，阿聯的首個探測器則是與美國合作研製的。

阿聯的希望號火星探測器計劃於7月20~22日率先升空。這也是阿拉伯國家首個深空探測器。它是由美國提供技術支持研製的，如同一顆火星的氣象衛星用於全面探測火星大氣，研究火星氣候變化、低空天氣變化、沙塵暴預報等。

希望號有四大科學探測目標：一是探索氧氣和氫氣從火星大氣中散逸出去的內幕；二是研究古今火星氣候之間的聯繫；三是尋找火星下層大氣與上層大氣之間的聯繫；四是構建最全面的火星大氣整體模型。

為此，它載有3臺科學有效載荷：阿聯探索成像儀、阿聯火星紅外光譜儀、阿聯火星紫外光譜儀。

阿聯希望號火星軌道器

我國天問一號火星探測任務將通過一次發射實現火星環繞、著陸和巡視三項任務，這在人類火星探測史上是前所未有的。採用這種「一舉三得」的探火方式，起點高，效益高，但挑戰大。如果成功了，將使我國深空探測能力和水平實現跨越式發展，成為世界第3個在火星著陸的國家，第2個在火星巡視的國家。它將深化我國對火星乃至太陽系的科學認知，推進比較行星學等重大問題研究。

天問一號火星探測器由環繞器、著陸巡視器（又叫火星車）組成。其中環繞器用於對火星開展全球性、普查性綜合探測，並為巡視器提供中繼通信鏈路，設計壽命一個火星年，相當於687個地球日；火星車用於在著陸區開展區域性、精細性巡視探測，設計壽命工作3個火星月，相當於地球上的92天。

中國火星探測器進行熱試驗

我國將用長徵五號遙4運載火箭發射天問一號火星探測器。該火箭地火轉移軌道運載能力可以達到5噸，能滿足天問一號直接進入地火轉移軌道的要求。天問一號將在2021年2月左右進入火星軌道。此後，其上的著陸巡視器將擇機與環繞器分離在火星表面著陸。

天問一號的工程目標是突破火星制動捕獲、進入/下降/著陸、長期自主管理、遠距離測控通信、火星表面巡視等關鍵技術，獲取較多的火星科學數據，使我國深空探測能力和水平進入世界航天第一梯隊。

中國天問一號飛向火星示意圖

天問一號的科學目標是研究火星形貌與地質構造特徵；研究火星表面土壤特徵與水冰分布；研究火星表面物質組成；研究火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵；研究火星物理場與內部結構。

為此，天問一號的環繞器將攜帶7臺科學儀器，包括高、中解析度相機、光譜儀、磁力計、表面雷達、離子和中性粒子探測儀等；天問一號的火星車將攜帶6臺儀器，包括探地雷達、光譜相機、小型氣象站、磁場探測儀等。

據我國火星車專家賈陽介紹，我國火星車除裝有太陽電池板外，在其頂部還裝有一個像雙筒望遠鏡樣子的設備，叫作集熱窗，它可以直接吸收太陽能，然後利用一種叫作正十一烷的物質儲存能量。白天，火星溫度升高，這種物質吸熱融化，到了晚上，溫度下降，這種物質在凝固的過程中，釋放熱能，這樣效率可以達到80%以上。

中國火星著陸器巡視器

由於目前大多數火星著陸器和火星車都採用太陽能電池供電。為此，火星著陸器和火星車一般著陸在緯度小於40°的火星低緯度地區，因為這一區域陽光比較充足，晝夜溫差也比較小，有利於探測器的工作。據專家介紹，綜合考慮多種因素，我國火星著陸區在火星北緯5°~39°。從光照考慮，火星赤道附近好，但地形複雜。另外，由於登陸火星99%以上減速是靠大氣，因此著陸點海拔越低減速時間越長，著陸越安全。

安全著陸是火星探測任務最艱巨的挑戰之一。2019年11月14日，我國在位於河北懷來亞洲最大的的地外天體著陸綜合試驗場，成功模擬了著陸器在火星重力環境（火星重力加速度約為地球的1/3）下懸停、避障、緩速下降的過程，對其設計正確性進行了綜合驗證，也為火星探測任務的如期實施奠定了堅實的基礎。

中國首次火星探測任務著陸器懸停避障試驗

據中科院院士，航天科技集團科技委主任包為民透露，我國著陸巡視器組合體著陸過程分4個減速段，先是氣動減速段，靠火星大氣的阻力，用約290秒把速度從4.8公裡/秒減速到460米/秒；然後探測器打開降落傘，用約90秒把速度由460米/秒降到95米/秒；接著進入到動力減速段，探測器反推發動機點火工作，用80秒把速度減小到3.6米/秒；最後是著陸緩衝段，在距火星表面100米懸停避障，然後以0速度著陸。

因為天線的直徑和探測距離成正比，增大天線口徑是提高信號信噪比的基本途徑，可以增加探測距離。為此，火星探測器常採用高增益、高可靠的拋物面天線，地面深空網也採用直徑很大的收發天線。我國主反射面直徑70米高性能接收天線將於2020年10月在天津武清建成，工作頻段為S、X和Ku頻段，它完全具備火星探測的數據接收能力。

直徑70米高性能接收天線

權威航天專家最近在採訪中提到，我國還計劃在2028年左右進行第二次火星探測任務，採集火星土壤返回地球。

美國將於7月30日發射火星-2020火星探測器，它由巡航級、下降級、減速器和毅力號火星車等部件共同組成，最後只有毅力號火星車降落在火星表面。

美國毅力號火星車

汽車大小的毅力號火星車，計劃於2021年2月18日在火星傑澤羅隕坑口著陸。它有四大任務：一是研究火星的地質特徵；二是確定火星上是否曾經存在生命；三是研究火星氣候狀況；四是測試火星大氣中的氧氣產生機制以及各種大氣參數數據。

該火星車是在好奇號火星車的基礎上改進而成的，以便降低費用和風險，節約時間，但它還是採用了多項新技術。例如，它將攜帶一架小型無人駕駛直升機機智號，用於前往漫遊車難以到達的地區或生物敏感地區進行區域勘探。

美國微型火星直升機想像圖

最後，預祝中美阿三國的火星探測器都能馬到成功。