圖解深空探測史

文/葉楠

火星探測（上）

火星是太陽系八大行星中距離太陽第四近的行星，也是距離地球軌道第二近的行星。火星自轉軸傾角為25.19°，自轉周期為24小時37分，都與地球相近。大約每26個月就會發生一次的火星沖日，是將探測器送往火星的絕佳時機，此時地火距離通常只有不到1億公里，而在火星大沖時，這一距離甚至只有5500萬公里。迄今為止，人類發往火星的探測器數量超過40個，是除了月球之外人類探測最多的太陽系天體。

火星1號：首次飛向火星

20世紀60年代，在開展金星探測的同時，美蘇兩國也將目光瞄準了火星。蘇聯是最早發射火星探測器的國家，遺憾的是最初的幾次嘗試都以失敗告終，直到1962年11月1日，火星1號探測器（左圖）成功發射。經過近半年的飛行，1963年3月21日，“火星1號”由于天線指向問題在距離地球1.06億公里處失去聯系，據估計當年6月9日它從距離火星193000公里處飛過，最終成為了一顆環繞太陽公轉的人造衛星。雖然“火星1號”并未傳輸回任何關于火星的探測數據，但在飛向火星的過程中探測到的微流星體撞擊事件、太陽風、行星際磁場及宇宙線數據對未來行星際飛行有著重要的參考價值。右圖為蘇聯1964年發行的“火星1號”紀念郵票。

水手4號：首次飛掠火星并傳回照片

美國的水手4號火星探測器（左圖）于1964年11月28日搭乘宇宙神-阿金納火箭從卡納維拉爾角空軍基地升空，經過近8個月的飛行，于1965年7月14日飛掠火星，距離火星表面最近距離為9846公里，成為第一個成功飛掠火星的探測器，它共傳回21張火星表面照片，這也是人類歷史上第一次拍攝到其他行星的表面。這些布滿隕石坑、毫無生息的火星地表照片（右圖）也震驚了整個世界。從前種種科幻小說中所描述的火星生命在“水手4號”的證據前化為泡影。

水手6號與水手7號：首次雙探火星

1969年2月25日，美國的水手6號火星探測器從卡納維拉爾角空軍基地發射升空。“水手7號”是“水手6號”的姊妹探測器，兩個探測器的設計結構完全一樣，“水手7號”僅比“水手6號”晚兩天發射。實際上為了此次任務一共制造了三個一模一樣的探測器，兩個飛向火星，一個作為備用。“水手6號”和“水手7號”分別于1969年7月31日和8月5日飛掠火星，距離火星地表最近距離僅有3430公里。兩個探測器共傳回201張照片，覆蓋了20%的火星表面。通過不同波段的照片研究顯示，火星大氣主要由二氧化碳組成。

火星2號與火星3號：首次登陸火星

蘇聯的火星2號探測器發射于1971年5月19日，探測器高4.1米、寬2米，太陽能帆板展開時寬5.9米，重3440千克，同年11月27日進入環繞火星軌道。“火星3號”與“火星2號”完全相同，于5月28日發射，12月2日進入火星軌道。兩個探測器一直運行到1972年8月22日，圍繞火星公轉362圈，傳送回60張火星照片，拍攝到了火星表面的山脈和火星沙塵暴。

值得一提的是，“火星2號”與“火星3號”還各自攜帶了一個火星著陸器（上圖）。著陸器總重1210千克，包括著陸艙、減速器、降落傘及減速火箭，配備的科學儀器有質譜儀、全景相機、溫度氣壓傳感器等，依靠蓄電池供電。除此以外，兩個著陸器還各自攜帶了一輛重4.5千克的微型火星車（下圖），大小只有21.5×16×6厘米，它能夠以每分鐘1米的速度在火星表面移動，但其供電和通訊需要依靠著陸器，二者依靠一根長15米的電纜相連。1971年11月27日，“火星2號”的著陸器與軌道艙分離，但降落傘未能成功打開，著陸器在火星墜毀。“火星3號”的著陸器于12月2日成功降落在火星表面，成為第一個登陸火星的人造探測器，但僅僅傳輸了14.5秒數據后突然杳無音信，據推測可能與當時發生的火星沙塵暴或日冕活動有關。

水手9號：首個環繞地球之外其他行星飛行的探測器

美國的水手9號火星探測器（左圖）于1971年5月30日發射，比蘇聯的“火星2號”和“火星3號”都要晚，但由于采用了更快的軌道，因此后來居上，于11月14日進入火星軌道，比“火星2號”早了兩周時間，由此成為人類歷史上第一個環繞地球之外其他行星飛行的探測器。“水手9號”抵達火星時發現火星表面的沙塵暴嚴重影響成像觀測，在等待了幾個月之后才重新開始進行測繪。“水手9號”在軌349天，傳回超過7000張照片，覆蓋超過80%火星表面。

“水手9號”的觀測顯示火星南半球地區地質構造較為古老，隕石坑分布密集；北半球地區較為年輕，隕石坑分布稀疏。在火星北半球，最吸引人的是后來命名為奧林匹斯山（右圖）的巨大火山，它直徑約600公里，峰高27公里，是目前太陽系已知最高最大的山峰。

1971年11月底，“水手9號”還分別對火衛一和火衛二進行了近距離拍攝，這是當時人類有史以來得到的最清晰的其他行星衛星的照片。

海盜計劃

海盜計劃是美國宇航局的火星探測任務，包括海盜1號和海盜2號兩個軌道飛行器及著陸器。軌道飛行器（左圖）的設計基于“水手9號”，主體為直徑2.5米的八邊形結構，重2328千克，高3.29米，太陽能電池板打開后寬度為9.75米，太陽能板由34800塊電池構成，能夠提供620瓦功率的電能。著陸器（右圖）呈六邊形，每面長0.56米，高1.09米，由三個腳架提供支撐，凈重576千克，依靠鈹-238放射性衰變電池提供能源，所攜帶的科研儀器主要用于對火星表面的生物、化學、氣象、地震、地磁、地貌等方面進行研究。

海盜1號

“海盜1號”于1975年8月20日發射，1976年6月19日進入火星軌道。美國宇航局原計劃于1976年7月4日美國建國200周年紀念日當天完成第一次火星著陸，著陸點的選擇是基于“水手9號”的觀測數據。6月22日，“海盜1號”對首選著陸點進行了拍照，沒想到科學家們耗費4年時間得出的首選著陸點在照片上呈現出大量的撞擊坑、峽谷和懸崖峭壁（上圖）。6月27日，美國宇航局決定推遲著陸時間并另選著陸地點。7月20日8時23分，著陸器開始與軌道器分離，以每秒4.4公里的速度進入火星大氣；11時53分，著陸器以每秒2.44米的速度順利著陸在火星的克律塞平原（下圖箭頭處）。“海盜1號”的著陸器在火星上持續運行了2245個火星日，直到1982年11月13日。

海盜2號

當“海盜1號”的著陸器在火星表面安全工作的同時，工程師們將注意力轉移到它的同胞兄弟——“海盜2號”上面。“海盜2號”于1975年9月9日發射，1976年8月7日進入火星軌道。原計劃“海盜2號”著陸器的登陸點位于靠近火星冬季冰蓋最南端的地方，這里海拔比火星平均海拔低6公里，但根據“海盜1號”軌道飛行器的探測結果顯示，這里并不安全。在尋找新的著陸點的過程中，其中一張照片引起了廣泛關注，這張照片展示了一組低矮山丘（如圖），在一次記者招待會上，有人異想天開地指出其中一個山丘像一張人臉。從此，關于火星文明的各種猜測又卷土重來。最終“海盜2號”著陸器在9月3日成功著陸，著陸點位于烏托邦平原，與“海盜1號”著陸點相隔6460公里。“海盜2號”持續工作了1281個火星日。

海盜計劃的收獲

海盜計劃是火星探測史上最昂貴的計劃之一，共耗資10億美元，但它的成果也是舉世矚目的。通過軌道飛行器拍攝的圖像，人類第一次看到火星表面分布的巨大河谷，被液體侵蝕的火山邊緣，以及仿佛深陷在泥沼里的環形山，種種跡象似乎都預示著火星表面曾經有液態物質存在。這極大地激發了人類對于火星進一步探測的好奇心。而著陸器拍攝了火星全景照片（如圖）、火星的日落、火星上同一塊巖石數年間的變化。著陸器攜帶的生物試驗裝置有些自相矛盾的實驗結果也令人驚訝，對于火星表面是否存在有機物還需要進一步探測。除此以外，海盜計劃還對火星土壤、大氣、地震等進行了探測，“海盜1號”還進行了廣義相對論驗證實驗并取得了成功。