紅色星球上，美國紀元終結_風聞

“祝融號”火星車於5月15日成功着陸火星，圓滿完成了所有既定巡視探測任務。8月15日，它終於達到了設計壽命（90個火星日，約合92個地球日），開始進入超期服役狀態。

**截至8月23日，“祝融號”已在火星度過了100個晝夜，同時其行駛里程也恰好突破了1000米！**這也意味着中國的火星探測計劃取得了前所未有的巨大成功。

“祝融號”拍攝的火星照片。

與此同時，美國的“毅力號”火星車也早已着陸火星，在地表漫遊。而名不見經傳的阿聯酋發射的“希望號”也正在火星軌道上環繞。

1961年蘇聯宇航員加加林呼嘯上天，標誌着人類首次衝出地球的努力取得成功；次年，美國總統肯尼迪發表演講“我們選擇登月，並不是因為容易，而是因為很難”，為人類邁出地球奠定基礎；現在，人類正向着更遠的火星進發！

儘管近年來人類的火星探測器發射取得了前所未有的高成功率，但回顧人類的火星探索歷程，從最原始的肉眼看到現在的火星車在火星表面巡遊，人類對火星的探索經歷了各種迴環曲折，跌宕起伏。

現在的輝煌是在前人的失敗上築成的，今天，庫叔就帶你展開人類探索火星的畫卷。

文丨田碩 瞭望智庫觀察員

本文為瞭望智庫原創文章，如需轉載請在文前註明來源瞭望智庫（zhczyj）及作者信息，否則將嚴格追究法律責任。

1

為什麼選火星？

2014年4月9日，天文愛好者在青島用望遠鏡觀測到的火星。圖｜視覺中國

太陽系的八大行星分為類地行星（水星、金星、火星）和氣態行星（木星、土星、天王星、海王星）。類地行星因為有固體表面，且離地球更近，更適合人類探測。

那麼，在3個類地行星裏面，人類為何選了火星？

太陽系八大行星。圖｜人民視覺

先説説水星。

第一，探測難度太大。

所有朝太陽系中心飛的探測器，都會受到太陽引力而作加速運動。水星是最靠近太陽的行星，而且其質量僅為地球的5%左右，引力很小，使得高速運動的探測器很難被它的引力所捕獲，稍有不慎就會一頭扎向太陽。而且，調整軌道所需時間很長、風險很大。

第二，水星更靠近太陽。

探測器到了水星附近，要面臨高温的挑戰和高能輻射的干擾，設計製造要求非常苛刻。

第三，性價比低。

通過對“水手10號”（第一個造訪水星的的探測器，美國1973年發射）發回的數據進行研究，人們發現水星的磁場強度很弱，温差過大（430℃-零下180℃），大氣層過於稀薄，佈滿了撞擊坑，基本屬於不毛之地。花那麼多人力物力去探測它，性價比很低。

再來説金星。

金星的體積約為地球的85.5%，質量約為81.5%，兩者的大小和質量都相差不多，可能有生命存在，很多人都想象有朝一日人類能移民金星。

實際上，金星的環境比水星還要惡劣：

*高温：金星大氣96%以上是二氧化碳，這造成了嚴重的温室效應。金星表面平均温度在460℃以上，甚至超過了水星，是太陽系中最熱的行星。

*高壓：金星表面的大氣壓是地球的92倍，大概相當於920米深的水壓，即使普通潛艇都無法承受。

*強腐蝕性：金星的地質活動過度活躍，經常有火山爆發。大量的硫化物就這樣被送上了天空，形成大片的硫酸雲層。即使下雨也是硫酸雨。

比較之下，火星的條件就好了很多。

第一，火星上的一晝夜是24小時37分鐘，自轉傾角25.2度，與地球的23.5度非常接近，所以也有季節的交替，夏季太陽直射點附近火星表面温度最高能夠達到30℃左右。

第二，火星距離地球較近，探索火星所需的時間少，成本低。

火星距離地球最近只有5500萬公里左右，單程時間僅需8個月左右，發射時間窗口26個月一次。且火星上的氣壓僅為地球的1%左右，探測器無需在抗壓抗腐蝕上進行額外設計，工作時間也要比在金星上長得多。

火星的逃逸速度約5.0千米/秒，遠低於地球的11.2千米/秒，大氣非常稀薄，距離太陽更遠，這意味着在火星進行航天發射的難度遠小於地球。而且，跟火星臨近的小行星帶藴涵大量可供開採的礦產資源。

第三，火星上面有水。

火星的南北極有巨大的水冰與乾冰混雜的冰蓋，地下很可能還有巨大的液態滷水湖。

**第四，遠古時期火星與地球的氣候相似。**探索火星氣候變化的原因，對保護地球氣候有重要意義。

因此，利用火星作為人類探索深空的跳板非常理想，它是大氣制動等許多新技術的試驗場地。

2

火星競賽

1957年，蘇聯發射世界上第一顆人造衞星。1959年，蘇聯又發射了世界上第一個月球探測器“月球1號”。太空競賽逐漸升温，火星探索迎來了第一個高潮。

1960年10月10日，蘇聯首先發射了人類歷史上第一顆火星探測器，緊接着14日發射了第二顆，開始了人類的火星探索旅程。這也是人類第一次嘗試發射行星探測器。然而，這兩艘飛船連地球軌道也未抵達。

顯然，步子邁得太大了。

1962年的火星發射窗口，蘇聯接連發射了三個火星探測器，又全部失敗了。這似乎開啓了蘇聯人的火星魔咒。與蘇聯金星探測的輝煌相比，火星探測似乎成為一道無法逾越的難關。

此時美國終於開始行動了。它的火星探測起源於“水手計劃（Mariner）”——目的在於探索類地行星。

**蘇聯開局不順，美國也同樣倒黴。**1964年11月，美國發射的首個火星探測器“水手3號”在星箭分離階段失敗。在這種情況下，它的姊妹船“水手4號”頂着巨大的壓力於11月28日發射成功，並於1965年7月15日從火星上空1萬千米處掠過，成為人類有史以來第一個成功抵達火星的探測器。

通過對“水手4號”發回的數據和照片進行分析，科學家發現火星表面有很多撞擊坑，不太像有複雜地質運動和類似地球氣候條件的樣子。火星大氣密度遠比此前人們認為的稀薄，也沒有探測到磁場。這些新數據促使天文學家修改後續的火星研究設計，也顯示火星上存在生物的可能性比先前預測的還低。

1969年，美國又成功發射了“水手6號”和“水手7號”，進一步探測確認火星極其寒冷，幾乎沒有磁場，氣壓極低，大氣成分也主要是二氧化碳。這清楚地表明，火星是一個蠻荒之地，不太可能存在生命。人們對於火星人的幻想就此破滅。

此次聯合飛掠行動所取得的數據和資料，為後面兩艘“海盜號”（Vikings）着陸火星開闢了道路。

更重要的是，這一項目實施時，美國仍處於行星際探測技術發展的早期，這兩艘飛船的成功錘鍊了美國的相關工程學技術，為後續的行星際飛行任務打下了堅實基礎。

3

競賽白熱化

時間進入到20世紀70年代，競賽升級。美蘇已經不僅僅滿足於掠過火星，而是要環繞，要登陸！

1971年是人類探測火星史上最繁忙的一年，美蘇共計發射了5個探測器。

1971年5月9日美國“水手8號”出發，然而僅數分鐘後就墜毀於大西洋。一天後，蘇聯的“宇宙419號”也遭此厄運。

但是，美國5月30日發射的“水手9號”取得了空前的成功，成為了第一個環繞火星的探測器！也是人類第一個環繞其他行星的探測器！

只是，“水手9號”抵達火星時，其表面正在發生全球性沙塵暴。所幸它等了一年，成功熬了過去。相比前輩，它的成績驚人。它拍下了7000多張火星照片，發現了水手號大峽谷和太陽系最高峯奧林匹斯山（另一説是灶神星的雷亞西爾維亞峯）。

此外，“水手9號”還拍下了大量的火星表面細節特徵，包括河牀、撞擊坑、山川、峽谷等地貌特徵。這些地貌的存在，意味着火星上曾經發生過大規模的地質運動。

在1971年的窗口期，除了失敗的“宇宙419號”外，蘇聯還發射了“火星2號”和“火星3號”。這兩艘都是全新的軌道飛行器+登陸器的組合飛船，登陸器甚至還攜帶了一個小型火星車。

在太空競賽初期一直保持領先的蘇聯剛剛在登月競賽中輸給了美國，毫無疑問，全新的探測器表現出了蘇聯誓要壓美國一頭的決心。5月19日和5月28日，“火星2號”和“火星3號”順利升空，蘇聯已經為夢想中的勝利做好了雙保險。

這次，幸運女神似乎終於眷顧了蘇聯，11月27日、12月2日，“火星2號”和“火星3號”相繼抵達火星。然而，他們和“水手9號”一樣，遭遇了火星沙塵暴。

**“火星2號”着陸器****在着陸過程中失聯，墜毀於火星表面，成為有史以來第一個“硬着陸”的火星探測器。**而“火星3號”着陸器則終於實現了軟着陸的夢想。然而它着陸後僅約100秒後就失聯，只發回了半張照片，幾乎沒有取得任何科研成果。

而兩個軌道飛行器則持續工作到了1972年9月，因為沙塵暴遲遲不散，最重要的用光學設備繪製火星全圖的工作遲遲無法進行。相比“水手9號”，蘇聯的兩個探測器並無亮點。

1973年，不甘心的蘇聯放手一搏，在短短20天內連續發射了“火星4號”到“火星7號”4個探測器。其中6號和7號計劃繼續向登陸火星挑戰。可惜都沒有圓滿完成任務，唯一的亮點是，5號圍繞火星工作了9天，隨即失去聯繫。

一次次失敗，極大打擊了蘇聯人對火星的雄心。而此時美國“海盜1號”和“海盜2號”橫空出世，為70年代火星競賽畫上了句號。

與蘇聯的“火星2號”和“火星3號”類似，“海盜1號”和“海盜2號”都包括一個在軌飛行器和一個着陸器。它們分別於1976年6月19日和8月7日先後抵達火星。一個月後，軌道器和着陸器才擇機分離。7月20日和9月3日，“海盜1號”和“海盜2號”分別成功着陸！

與前者相比，這兩個着陸器首次使用了核動力。多虧了核電池，兩兄弟分別正常工作了2306和1316個地球日。該紀錄直到2010年5月19日才由“機遇號”打破。海盜計劃也成為了有史以來最為成功的火星探測計劃之一。

**着陸器任務的主要科學目標是尋找生物跡象信息，觀察火星氣象學、地震學和磁學的性質。**它們還發回了火星地表周景全綵圖。遺憾的是，兩個着陸器並未給出直接證據，證明火星表面存在有機物。

海盜計劃結束後，美國基本鎖定勝局，同時也因為資金缺乏，短期經濟效益並不明顯，耗資巨大的火星探測項目逐漸被砍掉。從各種研究結果來看，火星似乎沒有生命存在的可能，進一步驗證的難度頗大，投入與產出嚴重不成比例。自此20年間，美國再也沒有踏足火星。

經歷1973年的慘敗後，蘇聯曾一度放棄探索火星。

厲兵秣馬15年，1988年7月7日和12日，以火衞一名字命名的“福波斯1號”和她的姊妹船“福波斯2號”踏上去往火星的征程。前者在9月2日失聯；後者成功抵達火星，但在進入環火軌道後突然失聯。福波斯計劃是蘇聯航天最後的輝煌。

失去競爭對手的美國也逐漸失去了繼續探測火星的動力，大部分的精力和重心都轉移到了航天飛機研製和空間站建設，80年代的火星探索顯得荒涼而落寞。

4

重啓計劃

20世紀末，美國建立了航天技術的絕對優勢，新一代科學家走向深空的想法越來越強烈。

1992年，美國重新開啓火星探索。9月25日，“火星觀察者號”（Mars Observer）成功發射，準備對火星的大氣、地表、重力場和磁場進行全方位研究。然而次年8月21日馬上要到達時，它與地球失去了聯繫。

儘管開局不利，但正如蘇聯和美國早期的火星探測器一樣，“火星觀察者號”卻開啓了一個嶄新的時代——一個新的火星探測浪潮！

NASA推出了一個新的替代方案——“火星全球勘探者”（Mars Global Surveyor），1996年11月7日成功升空並於次年9月12日順利進入火星軌道。

此次任務還試驗了難度極高的“空氣剎車”變軌。變軌持續了兩年多，成功把探測器的軌道逐步調整為378千米高的圓形軌道。

“火星全球勘探者”在軌工作6年，首次拍下火星的清晰全貌，繪製了前所未有分辨率的火星全球地圖，探索了火星的氣候變化，甚至還發現了龍捲風！2006年11月，在超期服役5年多後，它最終失去了與地球的聯繫。

美國還於1996年12月4日發射了“火星探路者號”（Mars Pathfinder）。這次任務測試了新的火星着陸技術（火箭反推和氣囊彈跳減速結合），為未來大型火星車着陸提供了技術參考，同時釋放了人類送往火星的第一部火星車“旅居者號”（Sojourner）！雖然僅移動了約100米，但從此人類的研究平台終於動了起來！

**趕在1996年發射窗口的還有俄羅斯。**然而“火星96”任務延續了蘇聯時期的夢魘——剛抵達近地軌道發動機就出現了故障，不久就在大氣層墜落焚燬。這次失敗極大打擊了俄羅斯的積極性，直接導致“火星98”被無限期推遲，從此俄羅斯長期離開了與美國競爭的舞台。

1998年12月11日發射的“火星氣候衞星”（Mars Climate Orbiter）和1999年1月3日發射的“火星極地登陸者”（Mars Polar Lander）全部失敗。日本的“希望號”也是亞洲首個火星探測器也因入軌失敗結束了使命。

20世紀最後幾年的火星探測都以失敗告終，但反覆經歷的高潮和低谷，讓人類儲備了充足的技術。

早期火星探索中，問題大都出在不靠譜的運載火箭上，很多連近地軌道都沒有抵達就失敗了。70年代後，大都是在去往火星的路上或者進入環火軌道後失聯，這可以歸結為電子設備（特別是控制系統和電腦）的不可靠。

5

又一個高峯

新世紀的第一個火星探索任務以經歷重大挫折後崛起的英雄奧德賽命名，人們希望火星探索在遭遇90年代末的重大挫折後能有所突破。

2001年4月7日發射後，不負眾望的“奧德賽號”成功進入環火軌道，不僅在火星上發現了水存在的廣泛線索，還首次在火星地下發現了氫元素。

**不過，“奧德賽號”最重要的使命是作為未來地面着陸器和火星車的信號中繼站，對之後幾次重要火星登陸的成功起到了重大作用。**這艘探測器至今仍在環繞着火星進行科學探測，是目前為止所有的火星探測器裏最超長待機的一個。

2003年，迎來了3個火星探測器，其中就包括歐空局的“火星快車號”（Mars Express）和其搭載的“小獵犬2號”（Beagle II）着陸器。它於6月2日發射，併成功抵達火星軌道，首次嘗試即成功。雖然“小獵犬2號”着陸後失聯了，但絲毫不妨礙“火星快車號”一路開掛的科學發現。

此次任務最大的成果就是水的發現，火星南北兩極的水冰總量甚至超過了格陵蘭島。還在火星南極發現了疑似地下湖的證據。

美國在這個賽季成績輝煌。

NASA正式立項了火星探測漫遊者項目（Mars Exploration Rover），大名鼎鼎的“勇氣號”和“機遇號”應運而生。它們分別在2003年6月10日和7月7日順利升空，並於次年1月先後抵達。它們都採用了跟“探路者號”相同的反推火箭和氣囊保護相結合的着陸方式。

這兩輛火星車高1.5米，寬2.3米，長1.6米，有6個輪子，與“旅居者號”相比可以算得上是龐然大物。抵達火星後，它們獲得了海量的科研成果。印證了火星土壤中沒有有機物存在的證據，也基本印證了火星在遠古時期擁有温暖潮濕環境的猜想。

兩輛火星車原本的設計壽命只有90天，科學家認為超期後塵土就會覆蓋在太陽能電池板上導致無法工作。誰也沒想到，火星上的大風時不時地幫忙吹去塵土，讓它們工作了好多年。

“勇氣號”一直堅持到2011年3月22日才結束任務。受沙塵暴影響，“機遇號”自2018年6月10日起中斷和地球的通訊，進入低電量休眠狀態。2019年2月13日，由於始終無法取得聯繫，NASA正式宣佈結束“機遇號”的使命。它創下了人類在外星球上的最長行進紀錄——45.16千米！這樣一個原計劃90天的任務，持續了15年，終於華麗謝幕。

2005年，美國又發射了“火星偵察軌道器”（Mars Reconnaissance Orbiter），以前所未有的分辨率對火星進行詳細考察，併為往後的任務尋找適合的登陸地點，同時為這些任務提供高速的通訊功能。它拍照的最高分辨率可以達到0.3米，可以與軍事偵察衞星媲美。目前它仍在工作，預計能工作至2030年。

2007年，“鳳凰號”（Phoenix）順利升空，目標火星北極，任務是探尋地下水。其名字是為了彌補1999年“火星極地登陸者號”的失敗。果然，“鳳凰號”很快就在着陸區一帶的土壤下挖出了水冰，堪稱“火星有水”的一記實錘。

6

進入新世紀

接二連三的成功極大鼓舞了科學家們，他們迫不及待地開始着手製造更大更復雜的火星車。

2011年，美國發射了當時人類最先進、最昂貴，也是最重的火星車——“好奇號”（Curiosity），來尋找火星曾經存在生命的證據。

它有2.9米長，2.7米寬，2.2米高，是“勇氣號”和“機遇號”體積的2倍多，重量的5倍。這意味着它能夠攜帶更多設備，機動能力大幅增加。它還使用了核電池作為動力能源，相較於使用太陽能，能更好地進行全天候活動。

此外，“好奇號”還配備了複雜的化學相機，包括激光誘導擊穿器和遠程顯微鏡。在工作中，“好奇號”只要對準一塊研究區域，激光器就可發射激光脈衝將岩石完全氣化成等離子體。遠程顯微鏡可以實現從紅外線到紫外線之間6000多個波段的全面化學分析，岩石成分一覽無餘。

為了讓這輛史無前例的火星車降落，美國首次啓用了空中吊車技術——這是人類現今能掌握的最具科幻色彩的技術之一。

2013年，“好奇號”發現火星土壤的水分含量高達1.5%-3%，完全可以滿足未來人類移民的需要。2014年“好奇號”又在火星岩石中發現了有機物，這讓大家相信我們正在接近火星生命的真相。

這一年，美國發射了MAVEN（Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission），彌補對火星大氣全方位研究的空白，弄清楚是什麼原因讓火星大氣演化得如此稀薄與乾燥。這對於人類未來改造火星氣候環境很有意義。

科學家根據數據做出推斷：隨着其內部核心的冷卻，火星不再能產生類似地球的磁場，從而導致太陽風長驅直入，剝離了火星大氣。這是一個不可逆的結果，並且火星正在逐漸變冷。目前MAVEN仍在工作，作為信號中繼站，為火星車服務。

同年，印度首個火星探測器“曼加里安號”成功抵達火星軌道，成為首個初次探測便成功的國家。

俄羅斯，天不遂人願。

2011年，俄羅斯也計劃了一個超級火星探索項目——發射“福波斯-土壤號”探測器登陸火衞一，取樣並返回，並且還將在火星軌道上釋放中國首個火星探測器“螢火1號”。

然而，探測器在抵達近地軌道後變軌失敗，不久後墜入地球大氣層。事後查明變軌失敗原因是探測器芯片受到宇宙高能粒子衝擊而失效。

亞洲第二個、中國第一個火星探測任務失敗。搭乘俄羅斯火箭的原因是由於當時中國深空通信網絡尚未建成，缺乏深空探測任務經驗，與俄羅斯合作能將風險和成本降到最低。

在美國探測火星的高光時刻，歐洲也想填補火星探測的空缺，ExoMars（Exobiology on Mars）項目應運而生。其最主要目標是探測火星上是否存在生命，計劃從大氣、地表、地下等方面全方位解析，本來是跟NASA合作的，但因為資金問題雙方分道揚鑣。

這時，已經與歐洲在火星快車項目上合作過的俄羅斯伸來了橄欖枝，雙方一拍即合。2016年“火星微量氣體任務衞星”成功發射，還攜帶了一個着陸器。探測器成功圍繞火星工作，着陸器卻在登陸前最後50秒突然發生故障，最終墜毀。

為了彌補地下探測這塊空白，NASA的“洞察號”（Insight）應運而生，為了降低成本和風險，其使用了與“鳳凰號”相同的設計和技術。

2018年5月5日，“洞察號”順利升空並於當年11月26日成功降落在火星表面。它配備了最先進的火星地震儀和熱流偵測器，能夠鑽入地下5米深入探測火星內部情況。目前火震儀已經觀測到數百次不同震級的火星震動。

7

嶄新的“飛行”時代

2020年，除了歐空局和俄羅斯合作的的ExoMars二期項目推遲外，阿聯酋的“希望號”、美國的“毅力號”（Perseverance）以及中國的“天問一號”已相繼抵達火星。

“毅力號”的設計製造是以“好奇號”為基礎，與其很相似，但經過了升級改進，重達1噸，是有史以來最重最大的火星探測器，所以其降落再次啓用了空中吊車技術這種黑科技。

相比於“好奇號”專注於分析火星土壤和岩石的構成，“毅力號”專注於尋找生命的痕跡。

此外，在升級“好奇號”相關技術的基礎上，“毅力號”還創下了兩個“人類首次”。

**第一，它配備了一套製氧裝置，可以直接將火星大氣中的二氧化碳轉化為氧氣。**這對於未來人類登陸火星乃至移民的重要性不言而喻。儘管每小時只能製備10克氧氣，但這就是個不折不扣的創舉！

第二，它還攜帶了一架名為“機智號”的小型直升機，併成功起飛。

儘管“機智號”第一次飛行只飛了3米高，懸停30秒，但這是一個不折不扣的奇蹟！這是人類製造的飛行器首次在外星球成功起飛，堪比萊特兄弟的首飛，具有里程碑式的意義！人類深空探測進入嶄新的“飛行”時代。

對於“天問一號”來説，雖然是後來者，但起點卻相當高，也是環繞器+火星車的組合，一步就跨越了美國幾十年的路程，直接釋放了“祝融號”火星車進行地表巡視，中國成為“繞落巡”三項任務第一次進行即全部成功完成的首個國家，也是繼美國後第二個成功登陸火星的國家！

2021年7月5日，上海天文館”祝融號“火星車模型。圖｜視覺中國

我國的這次火星探測任務早於2016年立項，計劃通過一次任務實現火星環繞、着陸和巡視，對火星進行全球性、綜合性的探測。對此任務我國穩紮穩打，從不攀比冒進。

儘管最近20年間成功率很高，但火星探測從來都不是一件容易的事。“天問一號”環繞火星，“祝融號”着陸火星，不僅是中國航天工程任務難度的新突破，更是我國在行星科學領域史無前例的突破，給中國帶來了火星的第一手資料。

中國火星探測首席科學家萬衞星院士2019年的一篇文章中談到：“如果説第一次熱潮的主題是探測競賽，比的是誰先跑得最快。那麼第二次熱潮的主題應是科學競賽，比的是誰先看得最深。”

從最原始的用眼睛看到目前在火星表面飛行，挫折與成功並存，人類的火星探索一步一個腳印向前穩步邁進着。儘管過去60年人類的成就斐然，但在很大程度上也代表着美蘇本國的科技。展望新世紀，中國的加入必將會改變火星探索乃至太空探索的格局。

祝融號見證了紅色星球上美國紀元的結束和多元競爭紀元的開始，未來的20-30年將很精彩。當我們抬起頭，默默遙望着那顆紅色的星球，我們明白這絕不是終點，我們期待的是邁向更遠的星辰大海。

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