備受青睞的火星探測

率先在火星著陸的“海盜”

“海盜”是美國早期發射的火星探測器，是“水手”探測器的改進型，是世界第1個在火星著陸的探測器。1975年8月20日和9月9日，美國分別發射了海盜1號和海盜2號探測器。探測器裝有電視攝像機、紅外光譜儀、紅外輻射計、氣體攝譜儀、氣象自動記錄儀、X射線熒光分光計、地震儀、伸縮臂式土樣挖掘機等儀器。其主要任務是探測火星上是否存在生命，同時勘測火星地貌，研究火星大氣和地震活動，借以研究地球與太陽系的演變。

“海盜”是由約2.3噸重的軌道艙和1.1噸重的著陸艙組成。軌道艙裝有能源、通信、計算機、指令、飛行數據、姿態控制和溫度控制等分系統，從空間對火星空間環境、火星地表以及火衛1、火衛2進行觀測；著陸艙裝有能源、制動、制導與控制、S波段通信、生物化學實驗箱、測量挖掘設備、2臺電視錄像機、氣象遙感器、機械手及其它探測裝置，在火星地表進行尋找生物實驗。在進入火星上空時兩者分離，軌道艙繞火星飛行，而著陸艙則在火星表面上軟著陸。著陸艙先經軌道艙中繼向地球發回圖像和數據，但在S波段拋物面天線展開后即直接與地球通信，它在彈出土樣挖掘機和展開氣象感測器桿后工作90天。前10天進行尋找生物實驗和3次取樣化驗，每隔20分鐘向地球發回圖像和數據。軌道艙從空間觀測著陸區，對火星空間環境及其表面進行探測和攝像。

海盜1號的著陸艙于1976年7月20日在火星的普拉尼蒂亞平原軟著陸，11月2日開始工作。海盜2號的著陸艙于1976年9月3日在火星上的烏托匹亞平原軟著陸，于11月18日開始工作。它們用所攜帶的精密儀器分析了火星土壤，測量了風速、氣壓和溫度，并確定了火星的大氣成分。著陸艙經軌道艙中繼向地球發回5萬多張火星照片，還對火星表面的土壤取樣化驗分析。探測結果表明，在所著陸的區域里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。兩個軌道艙還分別對火衛1和火衛2進行了觀測，并拍攝了約50幅照片。“海盜”在火星軟著陸為后來的火星著陸探測奠定了基礎。

“火星觀察者”功虧一簣

1992年9月24日，美國“火星觀察者”探測器用大力神3號運載火箭從肯尼迪航天中心發射升空。這是美國自1975年發射“海盜”系列探測器以來，首次對火星的飛行和探測。它原計劃對火星的地貌和大氣等進行普查，進而建立火星的動力學模型。該探測器是經歷了7次機動飛行才接近火星的。在長達11個月的飛行段內，它展開了6塊太陽能帆板中的4塊和高增益天線，部分展開2個試驗桿，進行4次軌道校正及軌道測試。然而，在太空飛行了11個月即將進入火星軌道之際，“火星觀察者”卻發生了故障，與地面失去了信號聯系。

“火星觀察者”探測器重達2.5噸，耗資4億多美元，由美國GE公司宇航部制造。它長1.6米，寬22米，高1.1米，發射質量2573千克，其中有效載荷重156千克，推進劑1364千克。有6塊太陽能電池板，每塊帆板的尺寸為1.8米×2.2米，能提供的最大功率為1130瓦。

雖然該探測器采用三軸穩定方式，但當它在向外飛行時采用低速自旋，目的是保持衛星的溫度分布均勻。探測器的姿態由恒星敏感器與地平儀混合控制，不過在向火星飛行的途中，不能使用地平儀控制姿態，這是因為探測器看不到地平面，所以只能依靠恒星敏感器來確定其恣態。探測器同時還使用反作用飛輪來控制其姿態，指向精度可達0.5度。

用于星際探測的“火星觀察者”探測器與一般的衛星有所不同，它有兩種推進系統：一種是單組元姿控發動機，采用無水肼作推進劑；另一種是雙組元軌道機動發動機，使用單甲基肼和四氧化二氮作推進劑。“火星觀察者”探測器總共裝有24個火箭發動機，推力為0.9牛~490牛。

由于火星上太陽光的強度只有地球上的40%多一點，所以，其太陽能電池帆板的尺寸要比一般的對地觀測衛星大2倍。在繞火星118分鐘的軌道飛行中，會有40分鐘探測器處于陰影區。探測器進入陰影區時，2個星載鎳鎘電池（每個額定電量是42安培小時）便啟動開始工作，為探測器提供電力。

“火星觀察者”上裝載的幾種科學儀器有：

（1）火星觀察照相機 用于拍攝3種分辨率的照片：最低的分辨率用于拍攝氣象云圖;中分辨率用于一般繪圖和監視火星這一年里發生的變化；高分辨率用于對特殊有興趣的區域進行拍攝。

（2）γ射線譜儀 用于測量火星表面的伽瑪射線輻射，以保證能檢測到火星表面元素的構成，還有水和二氧化碳冰。

（3）熱輻射光譜儀 用來分析紅外輻射，以了解火星表面礦物質的含量。

（4）激光測高計 用于測量探測器的軌道高度。

（5）磁強計和電子反射計 用于尋找并測量火星上是否存在著一個非常微弱的磁場。

（6）數據中繼裝置該裝置向火星表面不同地點釋放9個穿透機和小型著陸裝置，然后將這些著陸裝置發出的無線電信號中繼到地球。

按預定程序，“火星觀察者”應于1993年8月24日時進入火星軌道，然而就在這之前的3天（8月21日）探測器突然與地面失去了聯系。自那以后，美國專家們一直在查找信號丟失的原因。據美國航宇局授權的一個調查小組說，星上推進系統的燃料運輸管道破裂很可能是導致“火星觀察者”探測器在太空失蹤的原因。

氦氣和液氫從裂口處泄漏，導致星體旋轉，隨之緊急關機，燃料便無法再輸往發動機。這一旋轉還可能使太陽能電池帆板的角度出現偏差而不能提供電力。此外，外泄的液氫還可能附著在電路板上，破壞電路。這樣便使得探測器與地面失去了聯系。

盡管如此，“火星觀察者”探測器仍然代表了人類對火星觀察的新階段，它的復雜的科學儀器達到了一個新的水準。

碩果累累的“火星全球勘測者”

1996年11月7日美國發射了“火星全球勘測者”，它是美國“火星生命計劃”中的第1個探測器，取得了出人預料的收獲。

美國的“火星全球勘測者”探測器重1031千克，載有7臺儀器。它經過10個月的飛行后，于1997年9月11日進入繞火星運行的軌道。其主要任務是：拍攝火星表面的高分辨率圖像；研究火星的地貌和重力場；研究火星的天氣和氣候；以及研究火星表面和大氣組份等。

與先它21年發射的兩個“海盜”火星探測器相比，“火星全球勘測者”成像系統的分辨率有了很大提高。由它拍攝到的照片使科學家們對火星表面的演化史有了更深入的認識，同時也產生了一些令人不解的新問題。

從20世紀70年代末至“火星全球勘測者”發射前，科學家們一直把“海盜”軌道器拍攝的圖像作為火星表面特征研究的基本資料。“海盜”探測器拍攝的火星圖像分辨率為200米 ~250米或更好一些，即分辨率約為80米 ~100米。它們拍到的最清晰的照片分辨率可達8米 ~20米，但數量僅占2%左右，而且有些還因為地速的原因而變得模糊不清。“火星全球勘測者”上的火星軌道器相機裝置的廣角相機能以250米的分辨率對火星進行拍攝，而窄角相機對選定目標拍攝的圖像的分辨率可達到1.5米和12米 ~15米不等，平均分辨率可能為3米左右。

火星軌道器相機使用的是“火星觀察者”探測器所用裝置的備份。該裝置帶有1臺窄角相機和兩臺廣角相機，是要對未來的著陸探測任務可能選用的著陸場地進行拍照。

“火星全球勘測者”上的火星軌道器相機使科學家們研究火星表面特征的精細程度比以往有了極大的提高。其次，人們還發現火星具有許多與眾不同之處，如火星地殼的分層現象。美國的水手9號和“海盜”探測器早在1971年和70年代末的探測中就曾發現火星的極區有分層的跡象，但“火星全球勘測者”發現了范圍更大、更為廣泛的分層現象，說明這種現象在火星上是普遍存在的。出現這種特征的原因以及分層部分的組成目前還不清楚，但這至少可以說明火星在歷史上發生過變遷。

在“火星全球勘測者”拍攝的圖像上，科學家們意外地看到了其它一些特征，如有坑洼和丘陵的表面構造。這說明火星環境與火星上的物質相互作用會產生一些很奇怪的特征，其中很多特征在地球上是看不到的。這些圖像還說明，火星上可能已經有很長時間沒有下過雨了。很多人認為火星上肯定下過雨，但新得到的幾乎所有資料都表明，火星上的侵蝕是由地下水、而不是地表水引起的，只有極個別的地表特征更適宜于用地表水來解釋。

由于“火星全球勘測者”可以飛到離火星表面125千米的地方，所以探測器上的照相機能飽覽火星地貌，并意外獲得大量火星數據，其中包括一次面積有南大西洋那么大的沙暴照片。它還發現火星上存在強磁物體。這一發現對正確認識和了解火星的演化歷史、探明火星上究竟有無生命存在的條件具有極其重要的價值。探測器上的激光高度計獲悉，火星上有海洋的遺跡，火星北半球存在太陽系中最平整的表面，其它區域則是古代高原。它發現了火星上敞著口的峽谷，其照片揭示了火星地質層構成。

根據“火星全球勘測者”傳回的圖片，科學家發現了火星上曾存在過水的跡象，這些水曾在遠古時代流淌在火星的表面，一些科學家由此推測在那時火星的湖泊與海洋中也許有海洋生物的存在。

該探測器自1999年開始對火星進行測繪以來，傳回了數萬張火星的圖片，它所掌握的火星數據超過了過去所有針對火星探測活動所收集的數據總和。其中1997年9月15日，探測器上的磁強計在近拱點附近探測到了1個60納特的磁場，說明火星表面有1個強度約為地球的１/800的磁場。測量結果證實火星確實曾存在過一個很強的磁場。