图解深空探测史

文/叶楠

火星探测（上）

火星是太阳系八大行星中距离太阳第四近的行星，也是距离地球轨道第二近的行星。火星自转轴倾角为25.19°，自转周期为24小时37分，都与地球相近。大约每26个月就会发生一次的火星冲日，是将探测器送往火星的绝佳时机，此时地火距离通常只有不到1亿公里，而在火星大冲时，这一距离甚至只有5500万公里。迄今为止，人类发往火星的探测器数量超过40个，是除了月球之外人类探测最多的太阳系天体。

火星1号：首次飞向火星

20世纪60年代，在开展金星探测的同时，美苏两国也将目光瞄准了火星。苏联是最早发射火星探测器的国家，遗憾的是最初的几次尝试都以失败告终，直到1962年11月1日，火星1号探测器（左图）成功发射。经过近半年的飞行，1963年3月21日，“火星1号”由于天线指向问题在距离地球1.06亿公里处失去联系，据估计当年6月9日它从距离火星193000公里处飞过，最终成为了一颗环绕太阳公转的人造卫星。虽然“火星1号”并未传输回任何关于火星的探测数据，但在飞向火星的过程中探测到的微流星体撞击事件、太阳风、行星际磁场及宇宙线数据对未来行星际飞行有着重要的参考价值。右图为苏联1964年发行的“火星1号”纪念邮票。

水手4号：首次飞掠火星并传回照片

美国的水手4号火星探测器（左图）于1964年11月28日搭乘宇宙神-阿金纳火箭从卡纳维拉尔角空军基地升空，经过近8个月的飞行，于1965年7月14日飞掠火星，距离火星表面最近距离为9846公里，成为第一个成功飞掠火星的探测器，它共传回21张火星表面照片，这也是人类历史上第一次拍摄到其他行星的表面。这些布满陨石坑、毫无生息的火星地表照片（右图）也震惊了整个世界。从前种种科幻小说中所描述的火星生命在“水手4号”的证据前化为泡影。

水手6号与水手7号：首次双探火星

1969年2月25日，美国的水手6号火星探测器从卡纳维拉尔角空军基地发射升空。“水手7号”是“水手6号”的姊妹探测器，两个探测器的设计结构完全一样，“水手7号”仅比“水手6号”晚两天发射。实际上为了此次任务一共制造了三个一模一样的探测器，两个飞向火星，一个作为备用。“水手6号”和“水手7号”分别于1969年7月31日和8月5日飞掠火星，距离火星地表最近距离仅有3430公里。两个探测器共传回201张照片，覆盖了20%的火星表面。通过不同波段的照片研究显示，火星大气主要由二氧化碳组成。

火星2号与火星3号：首次登陆火星

苏联的火星2号探测器发射于1971年5月19日，探测器高4.1米、宽2米，太阳能帆板展开时宽5.9米，重3440千克，同年11月27日进入环绕火星轨道。“火星3号”与“火星2号”完全相同，于5月28日发射，12月2日进入火星轨道。两个探测器一直运行到1972年8月22日，围绕火星公转362圈，传送回60张火星照片，拍摄到了火星表面的山脉和火星沙尘暴。

值得一提的是，“火星2号”与“火星3号”还各自携带了一个火星着陆器（上图）。着陆器总重1210千克，包括着陆舱、减速器、降落伞及减速火箭，配备的科学仪器有质谱仪、全景相机、温度气压传感器等，依靠蓄电池供电。除此以外，两个着陆器还各自携带了一辆重4.5千克的微型火星车（下图），大小只有21.5×16×6厘米，它能够以每分钟1米的速度在火星表面移动，但其供电和通讯需要依靠着陆器，二者依靠一根长15米的电缆相连。1971年11月27日，“火星2号”的着陆器与轨道舱分离，但降落伞未能成功打开，着陆器在火星坠毁。“火星3号”的着陆器于12月2日成功降落在火星表面，成为第一个登陆火星的人造探测器，但仅仅传输了14.5秒数据后突然杳无音信，据推测可能与当时发生的火星沙尘暴或日冕活动有关。

水手9号：首个环绕地球之外其他行星飞行的探测器

美国的水手9号火星探测器（左图）于1971年5月30日发射，比苏联的“火星2号”和“火星3号”都要晚，但由于采用了更快的轨道，因此后来居上，于11月14日进入火星轨道，比“火星2号”早了两周时间，由此成为人类历史上第一个环绕地球之外其他行星飞行的探测器。“水手9号”抵达火星时发现火星表面的沙尘暴严重影响成像观测，在等待了几个月之后才重新开始进行测绘。“水手9号”在轨349天，传回超过7000张照片，覆盖超过80%火星表面。

“水手9号”的观测显示火星南半球地区地质构造较为古老，陨石坑分布密集；北半球地区较为年轻，陨石坑分布稀疏。在火星北半球，最吸引人的是后来命名为奥林匹斯山（右图）的巨大火山，它直径约600公里，峰高27公里，是目前太阳系已知最高最大的山峰。

1971年11月底，“水手9号”还分别对火卫一和火卫二进行了近距离拍摄，这是当时人类有史以来得到的最清晰的其他行星卫星的照片。

海盗计划

海盗计划是美国宇航局的火星探测任务，包括海盗1号和海盗2号两个轨道飞行器及着陆器。轨道飞行器（左图）的设计基于“水手9号”，主体为直径2.5米的八边形结构，重2328千克，高3.29米，太阳能电池板打开后宽度为9.75米，太阳能板由34800块电池构成，能够提供620瓦功率的电能。着陆器（右图）呈六边形，每面长0.56米，高1.09米，由三个脚架提供支撑，净重576千克，依靠铍-238放射性衰变电池提供能源，所携带的科研仪器主要用于对火星表面的生物、化学、气象、地震、地磁、地貌等方面进行研究。

海盗1号

“海盗1号”于1975年8月20日发射，1976年6月19日进入火星轨道。美国宇航局原计划于1976年7月4日美国建国200周年纪念日当天完成第一次火星着陆，着陆点的选择是基于“水手9号”的观测数据。6月22日，“海盗1号”对首选着陆点进行了拍照，没想到科学家们耗费4年时间得出的首选着陆点在照片上呈现出大量的撞击坑、峡谷和悬崖峭壁（上图）。6月27日，美国宇航局决定推迟着陆时间并另选着陆地点。7月20日8时23分，着陆器开始与轨道器分离，以每秒4.4公里的速度进入火星大气；11时53分，着陆器以每秒2.44米的速度顺利着陆在火星的克律塞平原（下图箭头处）。“海盗1号”的着陆器在火星上持续运行了2245个火星日，直到1982年11月13日。

海盗2号

当“海盗1号”的着陆器在火星表面安全工作的同时，工程师们将注意力转移到它的同胞兄弟——“海盗2号”上面。“海盗2号”于1975年9月9日发射，1976年8月7日进入火星轨道。原计划“海盗2号”着陆器的登陆点位于靠近火星冬季冰盖最南端的地方，这里海拔比火星平均海拔低6公里，但根据“海盗1号”轨道飞行器的探测结果显示，这里并不安全。在寻找新的着陆点的过程中，其中一张照片引起了广泛关注，这张照片展示了一组低矮山丘（如图），在一次记者招待会上，有人异想天开地指出其中一个山丘像一张人脸。从此，关于火星文明的各种猜测又卷土重来。最终“海盗2号”着陆器在9月3日成功着陆，着陆点位于乌托邦平原，与“海盗1号”着陆点相隔6460公里。“海盗2号”持续工作了1281个火星日。

海盗计划的收获

海盗计划是火星探测史上最昂贵的计划之一，共耗资10亿美元，但它的成果也是举世瞩目的。通过轨道飞行器拍摄的图像，人类第一次看到火星表面分布的巨大河谷，被液体侵蚀的火山边缘，以及仿佛深陷在泥沼里的环形山，种种迹象似乎都预示着火星表面曾经有液态物质存在。这极大地激发了人类对于火星进一步探测的好奇心。而着陆器拍摄了火星全景照片（如图）、火星的日落、火星上同一块岩石数年间的变化。着陆器携带的生物试验装置有些自相矛盾的实验结果也令人惊讶，对于火星表面是否存在有机物还需要进一步探测。除此以外，海盗计划还对火星土壤、大气、地震等进行了探测，“海盗1号”还进行了广义相对论验证实验并取得了成功。