探索火星貫穿人類航天史

候濤　王潭

編者的話：上周，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”成功發(fā)射，中國(guó)人離探索火星的夢(mèng)想更進(jìn)一步。一直以來(lái)，火星引發(fā)著人類對(duì)地外生命的熱烈猜想。而人類探索火星的歷史幾乎貫穿整個(gè)人類航天史。世界上第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射后沒(méi)幾年，第一個(gè)火星探測(cè)器也開(kāi)始了它的旅程。從上世紀(jì)60年代到今年6月，全球共實(shí)施了四十余次探測(cè)火星活動(dòng)。

火星探測(cè)起步于1960年

人類的火星探測(cè)起步于1960年。探測(cè)火星十分不易，主要原因是火星距地球遙遠(yuǎn)，環(huán)境復(fù)雜。早期火星探索行動(dòng)大多失敗，但也就是這一次次失敗推動(dòng)火星探索不斷前進(jìn)。

蘇聯(lián)可謂火星探索的先驅(qū)，從1960年到1969年，蘇聯(lián)發(fā)射過(guò)9個(gè)火星探測(cè)器，但均以失敗告終。蘇聯(lián)首個(gè)無(wú)人飛船星際探索項(xiàng)目由“火星1A號(hào)”和“火星1B號(hào)”構(gòu)成。1960年10月10日，蘇聯(lián)發(fā)射第一個(gè)火星探測(cè)器“火星1A號(hào)”，按計(jì)劃，這個(gè)探測(cè)器將飛過(guò)火星，但其在發(fā)射后出現(xiàn)故障，殘骸墜落在西伯利亞。在“火星1A號(hào)”發(fā)射失敗4天后，“火星1B號(hào)”發(fā)射，但這個(gè)探測(cè)器也失敗了。1962年，蘇聯(lián)的第三個(gè)火星探測(cè)器升空了，蘇聯(lián)計(jì)劃讓這個(gè)探測(cè)器飛掠火星，將這顆行星的圖像傳送回地球。然而，由于火箭發(fā)射問(wèn)題，它在近地軌道毀掉。不久，蘇聯(lián)又發(fā)射升空一個(gè)探測(cè)器，依然沒(méi)有成功。

幾次失敗下來(lái)，蘇聯(lián)科學(xué)家并沒(méi)有氣餒，1962年11月1日，蘇聯(lián)發(fā)射一個(gè)自動(dòng)星際站“火星1號(hào)”，打算在距離火星大約1.1萬(wàn)公里的地方掠過(guò)這顆行星。“火星1號(hào)”設(shè)計(jì)用來(lái)對(duì)火星表面成像，并將宇宙輻射、微流星體影響、火星磁場(chǎng)、輻射環(huán)境、大氣結(jié)構(gòu)和可能的有機(jī)化合物數(shù)據(jù)發(fā)回地球。“火星1號(hào)”同地球總共進(jìn)行了61次無(wú)線電傳輸，最初每隔兩天傳輸一次，后來(lái)每隔5天傳輸大量星際數(shù)據(jù)。這個(gè)航天器成功進(jìn)入前往火星的軌道，計(jì)劃于1963年6月19日到達(dá)火星，但到了1963年3月21日，當(dāng)這個(gè)航天器在前往火星途中與地球失去聯(lián)系。

1964年，蘇聯(lián)又向火星發(fā)射兩個(gè)探測(cè)器，但這兩個(gè)探測(cè)器相繼以失敗告終。1969年，蘇聯(lián)再向火星發(fā)射兩個(gè)探測(cè)器，然而，這兩次發(fā)射比以往更糟糕，兩個(gè)探測(cè)器發(fā)射后立即走向毀滅，第一個(gè)探測(cè)器在發(fā)射后7分鐘因發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)生爆炸，第二個(gè)探測(cè)器發(fā)射后不到1分鐘就墜向地面。

眼見(jiàn)蘇聯(lián)在探索火星的活動(dòng)中屢敗屢戰(zhàn)，美國(guó)坐不住了，在冷戰(zhàn)大背景下，美國(guó)很想在火星探索競(jìng)賽中擊敗蘇聯(lián)。1964年，美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了兩次探索火星嘗試。“水手3號(hào)”和“水手4號(hào)”是姐妹探測(cè)器，旨在實(shí)施首次飛過(guò)火星的行動(dòng)。“水手3號(hào)”于1964年11月5日發(fā)射升空，但由于出現(xiàn)故障，導(dǎo)致任務(wù)失敗。三周之后，11月28日，“水手4號(hào)”火星探測(cè)器成功發(fā)射，踏上7個(gè)半月的火星之旅。1965年7月14日，“水手4號(hào)”在火星表面上空掠過(guò)，地球首次收到另一個(gè)星球上空拍來(lái)的照片，它是人類有史以來(lái)第一個(gè)成功到達(dá)火星并發(fā)回?cái)?shù)據(jù)的探測(cè)器。“水手4號(hào)”拍攝的火星表面照片展現(xiàn)了充滿隕石坑的、死寂的場(chǎng)面，震驚了世界。隕石坑與薄大氣層顯示出火星是一個(gè)相當(dāng)不活躍的行星，白天溫度零下100攝氏度，探測(cè)器也沒(méi)有偵測(cè)到磁場(chǎng)。人類幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)對(duì)火星存在智慧生命的美好幻想基本破滅，在“水手4號(hào)”探測(cè)后，科學(xué)界普遍認(rèn)為，即使火星存在生命，也只是簡(jiǎn)單生命，而非智慧生命。

1969年，美國(guó)航空航天局繼續(xù)“水手項(xiàng)目”，發(fā)射又一對(duì)探測(cè)器——“水手6號(hào)”和“水手7號(hào)”探索火星。這兩個(gè)探測(cè)器先后成功掠過(guò)火星，它們攜帶有更先進(jìn)的儀器和通信設(shè)備，分析火星大氣成分，并發(fā)回地球大量照片。

1960年至1975年，可以說(shuō)是人類探測(cè)火星的探索起步期，美蘇兩國(guó)共進(jìn)行了23次發(fā)射。當(dāng)時(shí)美蘇主要是為了政治目的，在包括火星探測(cè)在內(nèi)的許多航天領(lǐng)域展開(kāi)了激烈競(jìng)爭(zhēng)。▲

1997年，探測(cè)車登陸火星

由于火星探測(cè)耗資巨大，再加上美蘇競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移，美國(guó)大力發(fā)展航天飛機(jī)，而蘇聯(lián)則大力發(fā)展空間站，所以此后全球火星探測(cè)進(jìn)入低潮期，尤其上世紀(jì)80年代美國(guó)聚焦于在政治與軍事上搞垮蘇聯(lián)，對(duì)探索火星毫無(wú)作為。直至20世紀(jì)90年代中期之后，火星探索才再度熱起來(lái)。

蘇聯(lián)在解體前實(shí)施過(guò)最后一次火星探索，1988年7月7日，“福波斯1號(hào)”發(fā)射升空。7月12日，“福波斯2號(hào)”也發(fā)射升空。然而，都以失敗告終。

蘇聯(lián)解體后，美國(guó)終于騰出手來(lái)投資火星探索了。1992年9月25日，美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射“火星觀察者號(hào)”探測(cè)器，用于研究火星地表、大氣、氣候和磁場(chǎng)。在“火星觀察者號(hào)”星際航行階段，它與地球失去聯(lián)系。

在“火星觀察者號(hào)”探測(cè)器未能完成任務(wù)之后，美國(guó)國(guó)家航空航天局于1996年11月7日發(fā)射“火星全球勘測(cè)者”探測(cè)器，這次行動(dòng)是20年來(lái)美國(guó)首次成功的火星探索行動(dòng)，1997年9月12日，這個(gè)探測(cè)器進(jìn)入火星軌道。經(jīng)過(guò)一年半調(diào)整，“火星全球勘測(cè)者”從1999年3月起開(kāi)始主要測(cè)繪行動(dòng)，它在一個(gè)完整的火星年——相當(dāng)于將近兩個(gè)地球年，從低空觀察這顆紅色行星，它發(fā)回地球比以前所有火星任務(wù)加起來(lái)都要多的火星數(shù)據(jù)，使科學(xué)家可以研究整個(gè)火星地表、大氣和內(nèi)部。在關(guān)鍵的科學(xué)發(fā)現(xiàn)中，“火星全球勘測(cè)者”拍攝了溪谷和泥石流特征的圖像，地球上類似的通道是由流動(dòng)的水形成的，但在火星上，溫度通常太低，大氣又太薄，無(wú)法維持液態(tài)水。

進(jìn)入90年代中期，美國(guó)的火星探索活動(dòng)開(kāi)始密集起來(lái)。1997年7月4日，美國(guó)的“火星探路者號(hào)”在火星地表著陸，它放出的“索杰納號(hào)”火星車是首部在火星上工作的探測(cè)車。除了美國(guó)之外，俄羅斯和日本也在90年代中后期發(fā)射過(guò)火星探測(cè)器，但都以失敗告終。

可以說(shuō)，從1990年開(kāi)始，迅猛發(fā)展的科學(xué)技術(shù)催生了火星探測(cè)的新熱潮。多個(gè)國(guó)家加入探測(cè)行列，成功率也大幅增長(zhǎng)。火星探測(cè)活動(dòng)的探測(cè)方式主要為著陸和巡視探測(cè)，主要目標(biāo)是尋找火星水存在的證據(jù)和生命跡象。21世紀(jì)，火星探索又進(jìn)入了一輪高潮期。▲

1971年首次實(shí)現(xiàn)軟著陸

進(jìn)入20世紀(jì)70年代之后，火星探索迎來(lái)了高潮期，美國(guó)和蘇聯(lián)許多探測(cè)器飛往火星，甚至還有探測(cè)器有史以來(lái)首次成功在火星表面著陸。

1971年，美國(guó)向火星發(fā)射兩個(gè)探測(cè)器，嘗試進(jìn)入火星軌道，然后環(huán)繞火星飛行，以獲得高清晰照片。5月8日，“水手8號(hào)”發(fā)射，但幾分鐘后，因故障墜入大西洋。隨后，5月30日，“水手9號(hào)”從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，同年11月14日抵達(dá)火星，成為首個(gè)繞另一顆行星軌道運(yùn)行的航天器。當(dāng)“水手9號(hào)”抵達(dá)火星時(shí)，行星科學(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn)，火星大氣中彌漫著全星球范圍的塵埃，火星表面完全被遮住了。因此，科學(xué)家從地球向“水手9號(hào)”發(fā)出指令，將表面成像推遲數(shù)月，直到塵埃散去。主要的火星表面成像直到1972年1月中旬才開(kāi)始，在為期349天的繞火星軌道運(yùn)行期間，“水手9號(hào)”向地球發(fā)送了7329張圖像，覆蓋火星85%的表面，相比之下，以前的探測(cè)器發(fā)回的圖像不到1000張，只覆蓋火星表面一小部分。“水手9號(hào)”拍攝的這些圖像顯示出火星的河床、火山口、大型死火山、峽谷以及風(fēng)與水侵蝕和沉積的證據(jù)等，火星的小衛(wèi)星——火衛(wèi)一和火衛(wèi)二也被拍攝到。

蘇聯(lián)則奮力在火星探索方面追趕美國(guó)，1971年5月，在美國(guó)“水手8號(hào)”探測(cè)器發(fā)射出現(xiàn)故障并且未能到達(dá)預(yù)期軌道之后，蘇聯(lián)“宇宙419號(hào)”火星探測(cè)器也發(fā)射失敗。接下來(lái)，蘇聯(lián)在1971年5月中旬和5月底相繼成功發(fā)射“火星2號(hào)”和“火星3號(hào)”探測(cè)器，這兩個(gè)火星探測(cè)器由軌道飛行器和著陸器構(gòu)成。幾個(gè)月后，這兩個(gè)探測(cè)器先后抵達(dá)火星。1971年11月27日，“火星2號(hào)”著陸器由于計(jì)算機(jī)故障而墜毀，成為首個(gè)落到火星表面的人造物體。12月2日，“火星3號(hào)”著陸器成為第一個(gè)實(shí)現(xiàn)火星軟著陸的人類航天器，但在著陸器到達(dá)火星表面14.5秒后傳輸信息終止。另一方面，“火星2號(hào)”和“火星3號(hào)”的軌道飛行器發(fā)回地球大量數(shù)據(jù)，到1972年8月22日，在發(fā)回眾多數(shù)據(jù)以及總共60張圖像后，“火星2號(hào)”和“火星3號(hào)”完成了使命。這些圖像和數(shù)據(jù)使人們能夠制作火星表面地形圖，并且提供了有關(guān)火星重力和磁場(chǎng)的信息。1973年，蘇聯(lián)又發(fā)射了4個(gè)探測(cè)器前往火星。其中“火星5號(hào)”最成功。它在停止工作前發(fā)回60張圖像。

1975年，美國(guó)國(guó)家航空航天局“海盜號(hào)計(jì)劃”中的兩個(gè)探測(cè)器——“海盜1號(hào)”和“海盜2號(hào)”飛往火星，它們均擁有軌道飛行器和著陸器，主要科學(xué)目標(biāo)是尋找生物并觀察火星的氣象、地震和磁性。“海盜1號(hào)”和“海盜2號(hào)”分別于1975年8月20日與1975年9月9日發(fā)射升空，它們成了首批成功在火星上著陸和運(yùn)行的航天器。著陸器進(jìn)行了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，以尋找火星生命的證據(jù)。在火星土壤里沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有機(jī)化合物，火星與地球不同，火星沒(méi)有臭氧層，所以紫外線會(huì)消殺火星表面，產(chǎn)生高活性的化學(xué)物質(zhì)，比如會(huì)氧化任何有機(jī)化合物的過(guò)氧化物。如果這種物質(zhì)在火星上廣泛存在，那么碳基生命在火星土壤表面很難生存。不過(guò)，后來(lái)一些科學(xué)家對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析后認(rèn)為，火星上存在微生物生命的跡象。▲