从飞掠到着陆，人类是如何到达火星的

冯中

20世纪，人类终于启航离开地球“摇篮”，太阳系各大行星的探测任务全面开拔。其中，最重要的目的地就是我们的邻居——火星。但它也是时至今日人类探索失败率最高的行星目的地。

从最早的一次性“飞掠”任务，到能够环绕火星开展长期探测，再到突破火星大气层抵达地表的着陆和“漫游”任务，甚至是最新的无人机协同探测技术，在一次次的失败和尝试中，我们不断摸索着探索这个未知世界的正确方式。

人类是如何到达火星的？60年间，这些火星探测器不仅解开了众多行星的演化之谜，也为将来人类踏上火星夯实了技术基础。

从你的全世界路过——早期火星探测器：“飞掠型”

第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号于1957年进入太空，几乎同一时期，第一批火星探测器也在冷战的历史大背景下被催生出来。仅在1960年至1969年的10年间，苏联和美国就开展了多次火星探测任务，但其中只有3次完全成功。火星探测任务的失败率之所以如此之高，和宇航时代早期的那些滥竽充数的“铁皮盒子”不無关系。

1960年10月，又一个火星冲日的前夕，就像几个世纪以前的天文学家都跃跃欲试准备将望远镜指向火星一样，此刻的宇航工程师也纷纷把目标锁定在了火星上。

第一个尝试飞向火星的探测器是苏联的火星1A号，它搭载了简单的光谱仪和辐射计，本想借此机会去探索火星附近的射线和磁场。但遗憾的是，运载它的火箭在发射不久后便失去了控制，最终解体爆炸，任务失败。紧随其后的是火星1B号探测器，但也在发射阶段就意外失败。

两年后的1962年年底，再一次火星冲日来临前，苏联又进行了三次尝试，其中两次发射失败；另一次虽然发射成功，探测器却在飞往火星的路上失联，也没能成功抵达目标。至此，从1957年人造卫星斯普特尼克1号进入太空以来，人类已经错失三次火星冲日。

转机出现在下一次火星冲日前夕。刚刚成立不久的美国国家航空和航天局计划抓住这次机会开展一次对火星的飞掠探测任务，这便是水手3号和水手4号任务。

飞掠探测，顾名思义就是探测器以很近的距离掠过火星，并利用这短暂的接触时间记录数据，再将数据传回地球。不远万里来到火星近旁却选择一掠而过，这也是无奈之举。早期的火箭运载能力有限，无法让探测器携带足够的燃料实现减速刹车，所以即使探测器抵达火星，也会因为速度太快而无法安全着陆。这也是火星探测头十年间的主流任务类型，毕竟在那个时代背景下，比起获得有价值的科学数据，竞争双方更在乎的是谁先抵达终点。

水手4号在1964年11月28日离开地球飞往火星（水手3号比它早20多天，但因火箭整流罩没能打开而导致任务失败）。它的质量仅260.8千克，但也几乎是“压线”起飞，因为运载它的火箭只能把260.8千克的载荷加速到地球的逃逸速度。1965年7月14日，水手4号不负众望成功飞到火星上空，成为人类首个近距离飞掠火星并取得有效探测数据的航天器。它不仅拍到了第一张近距离的火星表面照片，还捕捉到了火星的磁场、大气、温度等重要信息。

虽然彼时火星的“运河乌龙”已经基本平息，但人们对火星上存在智慧文明仍旧抱有一丝幻想。当水手4号传回的22张图像被拼接在一起后，人们对火星生命的幻想被彻底打破。自1898年科幻作家威尔斯写成《星际战争》以来，火星一直是人们想象中形形色色外星人的“共同家园”，但是这些照片上像月表一样荒凉的画面终结了一切幻想，从此外星人离开了火星，“迁居”更加遥远的深空。

在水手4号之后，美苏两国又进行了多次飞掠火星的探测任务，结果依然是喜忧参半。再之后，“飞掠型”任务更难成行，只有2004年罗塞塔号彗星探测器和2007年黎明号探测器曾飞掠火星，但均是路过，再借助火星引力飞向它们各自的目标天体。

在天愿作比翼鸟——第二代火星探测器：“环绕型”

为了更全面地了解火星（同时也是太空竞赛“火星分赛场”的下一个赛季），研发能够停留在火星轨道上的探测卫星提上了日程。1969年年初，距离美国计划中的火星轨道器任务还有两三年的时间，苏联工程师就已经把他们的火星1969A号探测器架在了发射塔上。但它最终只在地球大气中飞行了400多秒就因为火箭故障而爆炸解体，几天之后发射的火星1969B号探测器也一样未能飞出地球。这一年的火星冲日，美国只派出了一艘水手7号飞船前往火星，但它仍是一次“飞掠型”任务。

两年时间很快，地球又一次“追上”了火星。为了让探测器能在抵达火星时减速并被火星的引力捕获，探测器本身也需要携带足够的燃料。1971年的这次火星冲日，即将发射的火星2号和水手9号探测器的质量相较之前的探测器均有了较大幅度的增加。

火星2号在1971年5月19日发射，水手9号在同年5月30日发射。虽然较前者晚了11天，但得益于更小的质量，水手9号能够以更快的速度飞向火星。它比火星2号提前两周，于1971年11月14日抵达目的地并成功进入环绕火星运行的轨道，成为首个人造火星卫星。

火星2号紧随其后，也成功进入了环火轨道。火星2号包括一个轨道飞行器和一个着陆器。但着陆器因遭遇沙尘暴而一头扎进狂风当中，它的降落伞也没能顺利打开。不过它还是达成了一项纪录，那就是第一个坠毁在火星表面的人造物体。

相比之下，水手9号的机载程序就要灵活许多，当它接近火星并发现沙尘暴时，远在地球的工程师就发出指令让其进入“休眠”状态，静待尘埃落定。

两个月后，沙尘暴逐渐平息，水手9号的摄像机开始工作。传回图像中首先映入眼帘的是火星北半球的几块令人困惑的“黑斑”。随着沙尘的沉降它们也逐渐“变大”，这时人们才恍然大悟——那是直插云霄的山峰！其中最大最明显的一座正是火星上著名的盾状火山“奥林匹斯山”。

水手9号一直工作到1972年10月底，拍摄了7000多张照片，拍摄区域覆盖了火星85%的地表。它不仅拍到了像“奥林匹斯山”这样的巨型火山，还发现了火星上的河床、陨石坑、峡谷、凝结雾，甚至拍到了火星的两颗卫星。我们耳熟能详的位于火星表面的大峡谷“水手谷”，其命名正是为了纪念水手9号的卓越贡献。

“环绕型”任务与“飞掠型”任務相比，优势在于科学家可以通过长期驻留火星轨道的探测器进行监测和研究，从磁场、大气、引力等角度全面了解火星。同时，与那些需要进入火星大气的着陆任务相比，又少了很多复杂的技术环节，因而成为各国探索火星初期的主流任务类型，如之后的火星全球勘测者探测器（美国）、火星快车空间探测器（欧洲航天局）、曼加里安号火星探测器（印度）、希望号火星探测器（阿联酋）、天问一号火星探测器（中国）等。

水手9号的诸多发现也直接为火星探测的下一个阶段——着陆火星，奠定了坚实的基础。

火星不会过来，那我走过去——第三代火星探测器：“着陆型”

火星探索的下一站来到了火星表面。1973年的火星冲日期间，苏联又派出了两个火星探测器火星6号和火星7号，但它们一个在着陆后失联，另一个则没能进入火星大气层。

1975年，美国的火星探测器海盗1号的质量已经上升到了3530千克。该探测器由轨道器和着陆器组成。降落在火星表面的探测器根据其质量会使用不同的着陆方案。海盗1号着陆器使用的是“再入舱+减速伞+反推火箭”方案。这种着陆方式触地速度适中，对火星表层土壤的影响最小，多用于体重较大、落地后不能移动的着陆器，比如后来的凤凰号和洞察号火星探测器。

在水手4号打破了人类对“火星人”的幻想之后，人们对火星生命有了更为理性的猜想。如果火星上存在生命，那应该是更加简单的形态，比如存在于更深的土壤当中，也许就像地球上的细菌那样。海盗1号着陆器就是带着验证这一猜想的任务而来。有趣的是，相关实验结果中竟有一组说明火星土壤中存在生命！但也有人认为那是土壤中的有机化学反应造成的结果。这一争论至今尚无定论。

着陆器“挑起”学术辩论的同时，轨道器也为人们打开了想象大门。在2000年曾上映过一部名为《火星任务》的科幻电影，其中经典的一幕是一座巨大的“人脸”建筑静卧在火星表面凝视着天空，这个场景就来源于海盗1号轨道器拍摄的一张照片。虽然后来更多的观测证实这仅仅是一种光影效果，但它在公众传播和科幻领域依旧广受关注，是美国国家航空和航天局门户网站上的访问热门。

自此，在火星上的竞赛暂告一段落，进入沉寂的10年，这期间的火星探索未出现突破性进展。

让理想永远在前面——第四代火星探测器：“漫游型”

当火星探测任务再次重启，人们已经有了十分清晰的目标：找不到智慧生命就找简单生命，比如细菌；找不到活的细菌就找生命来过的痕迹，比如化石；找不到化石就找可能支持生命存在的条件，比如现在或过去的液态水等。

1996年，美国国家航空和航天局在火星轨道上部署了火星全球勘测者号卫星，主要任务是进行覆盖火星全球的地图绘制，为将来深入研究火星地质、水文、大气的着陆任务选址，并在未来着陆器或火星车登陆后起到地球和火星之间的通信中继作用。同年，美国国家航空和航天局的第一辆火星漫游车也成功发射，它由火星探路者着陆器和旅居者号火星车两部分组成，前者同时也是后者的通信基站。但也正因如此，旅居者号最远只能行驶至距离基站500米的地方。

火星探路者-旅居者号还开创了一种全新的火星着陆方式——气囊着陆。这种着陆方式触地速度较快，多用于体重较轻的火星车，后来的勇气号和机遇号也采用这一着陆方式。

旅居者号之后，美国国家航空和航天局又相继发射了我们现在比较熟悉的勇气号、机遇号、好奇号和毅力号火星车。考虑到后两者近1吨的重量，工程师还专门研发了一种“天空起重机”着陆方案，毅力号甚至还携带了一架小型无人机机智号，实现了人类飞行器在另一颗星球上的首次飞行。

时至今日，火星车探测已经成为最前沿的火星探测方式，能否让火星车成功着陆并完成任务是衡量一个国家或组织航天实力的重要依据，至今也只有中国和美国完成了这项挑战。可以预见的下一代火星探测器任务将是采样返回任务，已有多个国家或组织将其提上日程，例如我国的天问三号火星采样返回任务、美国国家航空和航天局与欧洲空间局共同设计的“火星采样返回”计划等。如果采样返回任务能够顺利完成，就说明地球和火星之间的双向往返有了可行方案，到那天，距离人类亲自踏上那颗红色星球也就不会太远了。