第1章 火星探测器——通往未知的远征

文/频卑

编辑导语：

火星，这颗红色星球，无论是在人类的宇宙探索史还是幻想史上，都一直占据着重要地位。2020年，中国火星探测器“天问一号”计划于7月发射，即将拉开我国自主探索火星征程的序幕。

在这个七月流火的时节，我们特别在本期“科学”和“惊奇档案”版块为大家带来了关于“火星探测器”和“科幻中的火星改造”两个话题，以期能与大家一同更加了解这个令我们充满遐想和向往的邻居星球。

1、2020：绝佳的机遇

2020年前后，是全球火星探测任务相对密集的一个时期。美国、俄罗斯、欧洲、中国都将独自或联合发射火星探测器。选择2020年作为发射时间点，是因为火星每隔26个月才有一次距离地球最近的机会，这是对火星进行探测的“最佳时间窗口”。在这个时间窗口发射火星探测器，不仅可以帮助各国节省运载火箭的能量，还能增加宇宙探测器的有效载荷。

人类一直对太阳系有着孜孜不倦的探索热情，但在太阳系中最大的“宠儿”还是火星。为什么世界各国对探测火星有如此浓厚的兴趣？火星对于人类来说有什么重要意义呢？

2、火星文化——从“荧惑”到《火星救援》

火星的体积仅有地球的15%，通身由于广泛存在的氧化铁而荧荧如火。中国古代星象中将火星称为“荧惑”，因为它的亮度时常发生变化，运行的轨迹捉摸不定，情况复杂令人怀疑和迷惑。古代星占家认为，荧惑主战乱，与兵、丧、饥馑、疾疫等乱象紧密相连，和太白一起被称为两大凶星。无独有偶，古罗马人也以罗马战争之神Mars的名字命名神秘的火星，经过占星术占卜后，认为火星是激情、战斗和欲望的象征。直到17世纪，神秘的火星仍然以无法捉摸的运动轨迹迷惑着天文学家，诱发他们不断地观察和探索。

1877年，意大利天文学家夏帕雷利通过观测发现，火星表面有许多河渠一样的黑色线条。但当人们将他的发现译成英文时，“河渠”被翻译成了“运河”。这一发现在当时引起了许多天文学家的关注，他们把望远镜对准火星，还有不少人声称观察到了“运河”。而“运河”这一带着人造色彩的词汇，也引起了人们对于火星人的猜想。美国人洛威尔观测火星十几年，根据拍摄到的照片绘制了火星运河图。他认为火星上运河长度变化随季节变化的原因是火星人引水灌溉农田，而表面颜色变化则是作物的生长成熟造成的。

在对火星运河狂热的年代，人们认为火星上有高级文明似乎是无疑的了，于是以火星人为题材的科幻小说纷纷问世。1937年，美国纽约哥伦比亚广播公司以新闻形式发表了改编H.G.自威尔斯科幻小说《世界之战》（War of Worlds）的广播剧《宇宙战争》，称火星上章鱼一样的怪物已经登陆，它们非常聪明，但十分残忍，人类无法阻挡，所到之处血流成河，入侵地球后甚至引起了星际大战。广播剧一经播出，很多人信以为真，陷入了惊慌恐惧，还有人在逃生中受伤甚至丧生。这似乎可以说明，航天技术落后、对宇宙知之甚少的时代，人类对神秘火星的幻想也从未停歇。

如今航天技术高速发展，人类对火星也有了一定程度的了解，关于火星的作品更是层出不穷。马特·达蒙主演的《火星救援》，以美国国家航空及太空总署NASA和其他组织共同探索火星为背景，把时间推移至2030年——那时，NASA的宇航员会定期登上火星，在上面生活和探索。它不仅把关于火星的想象和事实相结合，还以丰富的科学内涵和坚实的技术基础吸引观众，甚至在一定程度上可以作为载人登陆前的火星生存手册。其中，对于居住舱、辐射防护、土壤改造等一系列移民火星需要解决的问题也进行了大胆畅想，体现了人类对未来载人登陆火星的期望。

现实中，自阿波罗登月后，火星这个地球轨道外侧最靠近地球的行星，就成了人类最念念不忘的目标。它处于太阳系的宜居地带内，有稀薄的大气层，是最有可能发现生命的星球。它是人们未来的希望，特别是在火星上寻找可能有的生命，更是成为世界科学家的一大梦想——如果火星上有生命和水，它可能就是适合人类居住的另一颗行星，人类也就有可能向火星移民，开辟新的生存空间。正因如此，研究火星有利于人类进一步认识地球、火星及太阳系的形成和演化过程，从而预测地球的未来、为开辟新的家园作基础。

火星上到底有没有生命？火星是地球的前身还是地球数亿年后的样子？人类何时能去火星定居？好奇的人们越来越想揭开这颗邻近行星的神秘面纱，火星探测器也应运而生。

3、经验与挑战——火星探测器技术发展史

冲天的火箭与升腾的热浪，在我们熟知的太空发射场景之后，来到火星的探测器又是怎样精准进入火星的轨道呢？

初期发射的火星探测器在到达火星附近后，会使用主动制动（利用自身携带的推力器产生推力制动）的方式实现减速。2001年发射的“奥德赛”首次使用了一种被称为“气动减速”的技术，利用火星的大气来代替发动机推力，减小飞行器的速度，使飞行器能够沿轨道每一圈飞行逐渐降轨来靠近火星。

而降落在火星表面之前，为了保证着陆器最终能够安全触地、减少着陆冲击、保护科学探测仪器不受到损坏，就必须要有着陆缓冲装置。空间探测器在地外星球软着陆的方式目前主要有三种：一种是气囊弹跳式，二是着陆腿式，三是空中吊车式，每种方案都有各有利弊。气囊式比较简单，成本低，但只能满足重量小的探测器软着陆要求；空中吊车式反之；着陆腿式则介于它们两者之间。

1997年美国发射的“火星探路者”首次采用了气囊弹跳缓冲着陆方式。2004年，作为“火星探路者”的升级版本，第二代火星车“勇气”号和“机遇”号同样延续了气囊着陆方式，但在此基础上使用了反推火箭，大大减小了着陆时的冲力。随后发射的“好奇”号的着陆过程首次使用了一种名为“天空起重机”的辅助设备助降。在经过大气摩擦减速和降落伞减速后，“天空起重机”开启八台反推制动火箭，进入有动力的缓慢下降阶段。这次成功的着陆为未来的载人登火计划奠定了基础，也开启了深空探测喷气式着陆的新篇章。

火星探测的科学探索之路也并非一帆风顺。探测任务失败的原因往往不只是简单的失误，还有其背后隐藏的心态问题。1999年的火星气候轨道探测器下落不明，美国航天局的工程师总结，“探测器进入火星大气层时飞得太低了，可能导致烧毁。”事故原因表面上看来是因为设计人员计算时将数据搞混了。但深思细品，则是当时“更快更好更廉价”的任务方针酿成的后果。常规的“二次确认”被省略了，当有人发现错误时，他们得到的回答是“你们得证明我们偏离轨道了”，而此时探测器还尚未偏离。不确定性被当作了放弃确认的借口。

科学家们吸取教训，采取了更为严谨的科研态度。美国2005 年发射火星侦察轨道器的团队吸取了失败任务的教训，才让这次任务变得非常成功，发射的探测器至今仍在运行。

随着探测器深入越来越寒冷的太空，到达火星时阳光的强度只有地球的一半，因而需要更多的太阳能板或者更高效率的供能电池，以满足能源需要。在科学家的不懈努力下，2012年，第三代火星车“好奇”号不再采用太阳能电池板，而是采用核动力，因而可以全天候工作，也不再惧怕沙尘暴和极端天气，在火星表面的连续行驶能力和机动能力也更加强大。

1997年，美国宇航局的“火星探路者”安全降落在这颗红色星球表面。在降落之后，它释放出一辆被称作“旅居者”的小型火星漫游车，这是人类史上第一辆在火星上行驶的车。以往，探测器一旦着陆就无法移动，即使发现着陆点不远处的物体也无法探索，因为着陆器没有可供移动的设备。但从“旅居者”开始，火星探测器第一次装上了轮子，可以根据指令在火星表面进行移动探索。携带了十多种“科学武器”的“好奇”号相当于一个标准的野外地质学家，这是火星探测领域的一次大跨越。

1962年11月，苏联发射的“火星一号”探测器被视为人类火星探测的开端，在1966年后，每两年一次的有利窗口期间，都有火星探测器发射。人类使用空间探测器进行火星探测的历史几乎贯穿整个人类航天史，目前为止，人类已经先后46次尝试发射了大约50个火星探测器，对火星及其卫星实现了飞越、环绕、着陆和巡视探测，获得了无数珍贵的科研资料。

整个火星探测过程涉及多方面、多学科，难度非常大，整个火星探测史可谓是败多胜少，但火星探测就是在一次又一次的失败中不断前进。火星探测器是载人火星的“先行者”，每一次进展都是围绕着发射、着陆、能源、探测等问题而进行，进而为载人登陆火星积累经验。今后人类也将继续总结经验、反思教训，以迎接新的挑战。

4、火星探测的“超级2020”

平均每26个月才有一次地球奔向火星的时间窗口。从上一次的窗口期2018年5月到现在的2020年7月，两次窗口之间已经集中了6次发射与10个探测器，堪称人类有史以来火星探测最为密集的时期。

美国计划发射的“火星2020”着眼于未来，计划展开一场超时空接力赛：采集火星岩石和土壤样本，存储起来，以待后续火星探测器将它们取回并送回地球，为进一步的分析研究提供保障。“火星2020”还有一个很重要的功能就是提取大气中的氧气，这项技术对未来登陆火星的宇航员很重要。如果有关技术取得成功，不但能发射更大、更复杂的探测器，还有利于载人飞船降落技术的开发和成熟。

2020年7月，阿联酋研发的“希望号”火星探测器将按照计划搭乘日本的H-2A火箭升空。“希望号”是运行在火星轨道的紧凑型探测器，将环绕火星进行4年勘测任务，绘制火星详细地貌和大气变化情况，期望解开火星上水源消失的原因。

而这个新窗口期里，中国也将在火星探索上开启全新征程。2017年的“两会”上，全国政协委员、中国科学院院士叶培健就中国火星探测发表了意见。他表示，国内航空航天有关部门现正在进行火星探测器的研制工作，预计2020年将发射中国首个火星探测器，经过7个月的飞行，于2021年飞抵火星进行科学探测。他还说，在这次任务当中将完成对火星的全球观测，这将是世界第一次。

中国火星探测任务命名为“天问”，取自屈原《天问》。按照计划，“天问一号”火星探测器要一次性完成“绕、落、巡”三大任务，这是世界航天史的首创。而长征5号运载火箭也是首次搭载三套不同目标的设备，一次发射任务就能完成多种不同需求的发射计划，火星轨道卫星将与火星地面的火星车联合进行任务，完成火星上的地貌、大气、环境以及磁场多方面的数据资料收集，这种空间与地面立体配合的方式将比其他国家探测收集到的资料更为详细。相信“天问”系列，会秉承先人的精神，面向未来，不断探索，勇于创新。

5、展望未来——载人火星探测是下一目标

从人类第一次探索这颗人类熟悉的红色星球至今，火星探测的成功率越来越高，技术已经逐渐成熟。装备于探测器上的精密取样观测仪器、太空起重机技术实现的软着陆、核动力发电技术确保的能源供给……这些新的探测手段、着陆方式、能源供应技术为未来的载人登陆火星任务提供了基础，为人类向火星移民、开辟新的生存空间提供新的希望。

载人登陆火星已经成为全人类的共同梦想。虽然人类探索火星的道路仍充满挑战，但不惧挑战和不懈探索的精神正是人类社会蓬勃发展至今的动力。火星探测器作为载人火星航天的“先行者”，将为人类登陆火星提供坚实的技术保障。未来，载人登陆火星、改造火星环境、火星移民也许并不只是科幻小说里遥不可及的梦想。

在通往未知的远征中，让我们拭目以待。

【责任编辑：艾珂】