在太陽系中，火星算是除了月球之外關注度最高的一顆星球。有很多證據顯示，如果人類未來要進行星際移民，火星很可能是最有潛力的「第二家園」。
在未來一個多月裡，我們可能會看到三項不同的火星探測任務正式啟動，分別來自中國，美國和阿拉伯聯合大公國（阿聯）。《自然》雜誌在 7 月 7 日對這三項火星探測任務報導。
各國之所以選擇扎堆發射，是因為今年 7-8 月是火星探測的寶貴「窗口期」。
根據火星與地球之間的運動關係，再考慮運載火箭的技術水平，大約每 26 個月才會出現一次合適的火星探測器發射時機。
如果錯過這一時間點，就只能再等兩年多：由於準備工作尚未完成，原本計劃在同一時間段發射的歐盟 - 俄羅斯 Rosalind Franklin 探測車已經被迫延期到 2022 年。
圖 | 火星照片（來源：Emily Lakdawalla/ISRO/ISSDC）
雖然都是探測火星，但中、美、阿三國各有不同的戰略目標。
作為第一次火星探索，中國將邁出 「天問」 行星探測計劃的第一步，派遣飛行器和探測器執行 「繞、落、巡」 任務，同時完成對火星環繞、著陸和探測，收集各種數據的同時為將來帶回樣本做鋪墊。
美國將發射一臺新的火星探測車「毅力號」，取代逐漸衰老的「好奇號」。其主要任務是收集巖石和土壤樣本，繼續探索火星的環境和生命跡象，並且為日後運送樣本回地球做準備。
跟中國類似，阿聯也是第一次執行火星探測任務，不過目標僅限於派遣軌道飛行器 「希望號」 環繞火星，追蹤大氣變化，並沒有登陸和探測計劃。
幽幽天問，劍指蒼穹
對於中國來說，「天問一號」是自主火星探測任務的首秀，意義非凡。
最開始，中國打算與俄羅斯和歐盟合作推動火星探測計劃，於是加緊開發出了小型探測器「螢火一號」，希望趕上 2009 年的發射窗口期。但俄羅斯方面出現延遲，發射被迫延期兩年。
到了 2011 年 11 月，俄羅斯的運載火箭終於成功發射，但搭載了 「螢火一號」 的「福布斯 - 土壤號」未能成功變軌，只能墜落進大氣層中燒毀。「螢火」也就此熄滅。
自此之後，中國走上自主深空探測的道路，選擇使用長徵系列運載火箭執行未來的發射任務。2016 年 1 月，中國自主火星探測任務正式獲批立項。
直到 2020 年 4 月 24 日，中國國家航天局終於宣布，中國行星探測任務正式命名為「天問」，而首次火星探測任務命名為「天問一號」，準備工作正按計劃有序推進中。
「天問」這一名字取自於屈原《楚辭》中的長詩《天問》，不僅傳達出對自然和宇宙的探索永無止境，還帶有幾分豪氣。
與名字溫婉的 「嫦娥」 探月計劃不同，豪氣的 「天問」 略顯低調。過去幾年裡，官方並沒有透露太多細節，就連探測車的名字也沒有透露（一度傳聞可能叫「赤兔號」）。
我們現在知道的是，「天問一號」任務由軌道器、著陸器、巡視器三個部分組成，計劃用一次發射同時完成環繞、著陸、巡視（探索）3 種探測目標，希望實現一舉多得。
圖 | 「天問一號」組成部分概略圖（來源：Nature）
這對技術的要求非常之高，迄今為止人類進行過的 40 多次火星探索，絕大多數都是環繞或者著陸 + 巡視，同時執行三種任務的少之又少——過去僅有美國成功過，歐盟的嘗試以失敗告終。
據中外媒體披露，「天問一號」將採用長徵五號遙四火箭，預計發射日期是 7 月 23 日，視天氣情況可能改到 8 月，發射地點在海南文昌航天發射場。
如果一切順利，「天問一號」預計將在 2021 年 2 月進入火星軌道，著陸地點尚未確定，火星烏託邦平原上的多個區域都有可能。
圖 | 網格區域是 「天問一號」 預計著陸區（來源：Nature）
從現有資料來看，環繞器將配備 7 臺設備，或包括高解析度照相機、中解析度照相機、地下雷達、礦物光譜儀、中性和高能粒子分析儀以及磁力儀。探測器則重達 200 公斤，將搭載 6 臺設備，或包括遙感相機、探地雷達、多光譜照相機、雷射擊穿光譜儀，以及探測氣候和磁環境的儀器。
這些設備將幫助遠在地球的科學家探索火星環境，比如收集沙丘、冰川和火山的圖像，研究巖石和土壤成分，收集大氣數據並研究磁場和重力場。
接替前輩的「毅力號」
與中國相比，美國在火星探索上有著豐富經驗，其探測計劃 「火星 2020」 不僅披露了很多技術細節，而且更具目的性。
該計劃預計於 7 月 30 日至 8 月 15 日從佛羅裡達州的卡納維拉爾角空軍基地發射。如果一切順利，探測器將於 2021 年 2 月 18 日登陸火星，降落點選在曾是湖泊和河流三角洲的傑澤羅隕石坑附近。
「火星 2020」計劃將一輛長 3 米，功率 110 瓦特，重 1025 公斤的六輪探測車 「毅力號」 送上火星。不算登陸器的話，這是美國第五次派遣火星漫遊車，最近一次是 2012 年 8 月登陸的「好奇號」。
圖 | 「毅力號」（來源：Nature/NASA）
「毅力號」是基於 「好奇號」 設計的，預計會接替已經工作了 8 年的前輩，肩負未來 5-10 年的火星探測任務。它裝備了很多 「好奇號」 上已有設備的升級版，比如識別巖石成分的化學分析儀和全景攝像系統。最關鍵的是，它將專注於識別和收集巖石樣本。
為了執行任務，「毅力號」配有 2.1 米長的機械臂和 43 根試管，可以在巖石上鑽出一小段圓柱體樣本，並將其存入試管中密封保存。當收集超過 20 管樣本後，「毅力號」會將它們放在火星上，等待未來的探測器將它們帶回地球。
目前美國計劃在 2026 年與歐盟合作執行發射任務，然後在 2031 年將巖石樣本帶回地球，但這套設想還未正式推進。
如果進展順利，這些巖石有望成為人類從火星獲得的第一批樣本，科學家可以用它們分析火星上是否存在（過）生命——「好奇號」已經找到了對於生命至關重要的水分痕跡。
阿聯的「希望」
阿聯也計劃在 7 月 15 日之後擇期開啟火星探測項目，發射地點定在了日本鹿兒島的種子島宇宙中心。
這將是阿拉伯國家首次自主進行星際探索，其軌道器被命名為「希望號」。
不同於中美兩國，阿聯此次只進行環繞火星的探索，沒有登陸的打算。軌道飛行器將圍繞火星運動，觀測行星的大氣層動態，繪製首張火星氣象圖。
圖 | 「希望號」（來源：Nature/ESA）
「希望號」預計工作壽命是兩年左右，每天都要不分晝夜地跟蹤火星的氣象變化，收集數據以幫助科學家了解火星氣候和大氣層變化。
飛行器攜帶有可見光相機和紅外光譜儀，負責研究低層大氣的火星雲和沙塵暴；還有紫外線光譜儀，負責研究高層大氣。
為了這項野心勃勃的任務，阿聯聘請了很多 NASA 前工程師，而且還得到了 NASA 的技術轉讓和支持。
阿聯高級科學部長兼項目科學負責人 Sarah Al Amiri 認為，這樣的項目激勵了該國的年輕人，從小孩到大學生的熱情都與日俱增，從很多方面來看，即使 「希望號」 在發射臺上爆炸，任務也是成功的。
40% 成功率
自 1960 年以來，美國、歐洲、俄羅斯和日本先後進行了 40 多次火星探測項目，然而成功率僅有 40% 左右，餘下的都撞毀、失靈或失蹤了。
即使有了月球探測的經驗，火星探測仍是一項非常複雜且艱巨的任務：前往火星的航程是月球的 1000 倍，表面引力是月球的兩倍，還有大氣層和遍布地表的巖石。
要克服的技術難點比比皆是，比如探測器到火星要 200 多天，期間必須實現超遠程通信，還要不斷修正飛行方向，最多要頂著 14 分鐘的信號傳輸延遲來操作；到達火星附近後要儘快減速，進入火星引力場，否則容易擦肩而過；在著陸時還要跨越「恐怖 7 分鐘」，需要在 7 分鐘內將探測器時速從 2 萬千米降低到 0，對減速技術要求很高。
在此基礎上，中國的 「天問一號」 任務還將首次挑戰 「繞、落、巡」 同時進行的探測方案，難度係數又加一層。
如果 「天問一號」 任務成功，中國將成為世界上首個首次探索火星即完成軟著陸的國家，並成為繼美國之後第二個完成火星漫遊的國家。