火星：你过来啊——人类探索火星简史

2020年7月23日

海南文昌航天发射场

怒火直冲云霄

光芒划破长空

长征五号运载火箭

搭载着一位 特殊的“探险家”

冲出地球

中国

向火星进发

（天问1号起飞画面，由摄影师现场传送，摄影师@陈肖）

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200多个地球日后

这位来自中国的“火星探险家”

天问1号

将一口气完成

环绕火星、着陆火星、巡视火星

三大任务

中国人跨越两千多年的天问

终于有机会找到答案

（天问1号在火星想象图，“天问”系列名称取自屈原所作长诗《天问》，图片源自@央视新闻）

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此外

在最近的半个月里

相继启航 奔赴火星的

还有 阿联酋的 希望号

美 国的 毅力号

（2020年火星“舰队”，制图@郑伯容/星球研究所）

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如果任务全部成功

成功登陆火星的地球机器人

将达到10个

从第一位机器人登陆火星地表

至今已近

50年

只不过

这些机器人有的已经粉身碎骨

有的则深陷沙地，绝望求生

有的虽已饱经风霜，但仍在“坚持战斗”

即便如此

它们仍 是现今人类在所有地外行星上

最强大的“机器人军团”

（请横屏观看，火星着陆器和火星车分布图，制图@郑伯容/星球研究所）

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如果再加上数量众多的

环绕火星飞行的探测器

火星已是“人声鼎沸”

（历史上成功的火星环绕器，如果加上环绕失败和掠飞的案例，数量多达37个，制图@郑伯容/星球研究所）

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如此多的机器人

前仆后继、集聚火星

它们是在筹划一件大事吗？

01

遥望火星

在肉眼观星的时代

地球的夜空中总会有一颗星星

呈现出比周围星辰更加显著的红色

中国古人称其“荧荧如火”

这便是火星

（中间偏左下的红色亮星为火星，中间偏右上的蓝色亮星为织女星，摄影师@戴建峰）

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火星的目视亮度

经常发生变化、 忽明忽暗

更为诡异的是

它还会在夜空中突然逆行（Retrograde）

令人难以捉摸

火星也因此得名“荧惑”

如果逆行发生在心宿（天蝎座）

占星术士们称之为“荧惑守心”

意味着皇帝驾崩或者宰相失位

为大凶之兆

（2018年4月-11月发生的火星逆行轨迹，摄影师@Tunc Tezel）

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当天文学步入哥白尼时代

人们逐渐了解太阳系的组成

火星原来 是离太阳第四近的行星

位于地球与木星之间

（火星在太阳系中的位置示意图，行星间相对距离有所调整，标注@郑伯容/星球研究所）

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到了望远镜时代

1877年

意大利天文学家

斯基亚帕雷利（Giovanni Schiaparelli）

发现火星地表有许多线条状的地貌

他称这些线条为“沟渠”

但是狂热的大众更愿意相信

这些线条 正是外星智慧生命开凿出的运河

延续100余年的“火星人”幻想

就此拉开帷幕

（1996年蒂姆·波顿执导的电影《火星人玩转地球》剧照）

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而到了航天时代

从1960年起

人类的探测器

开始在数 千或上万千米处

抵近观察

一个更加真实的火星

展现在世人面前

它拥有太阳系最大最长的峡谷之一

水手峡谷（Valles Marineris）

长约4000千米，深达7千米

横跨大半个火星

如同被上帝之剑砍削而成

（由美国的海盗1号拍摄的水手峡谷，图片颜色有作处理，图片源自@NASA）

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它拥有太阳系最高的山峰

奥林帕斯火山 （Olympus Mons）

高度超过2万米

是珠峰海拔的2.5倍

（奥林帕斯火山，由火星环球勘测者号测绘的假色地形图，火星没有海拔的概念，山峰高度根据人为设定的基准面计算，图片源自@NASA）

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更令人兴奋的是

它还拥有宽阔蜿蜒的河床

流水曾在此奔腾而去

（欧空局火星快车号拍摄的赫伯斯峡谷Hebes Chasm，这里被认为是流水侵蚀而成，图片源自@ESA/DLR/FU）

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这意味着

看似荒芜的火星

曾经有过湿润的时光

人们禁不住好奇

这些水流是否也曾经孕育出

欣欣向荣的生命？

（海盗1号拍摄的形似人脸的火星丘陵，曾被误传为火星人的形象，实际是光影造成的错视，图片源自@NASA）

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一块在地球上偶然发现的火星陨石

更是将人们对于火星生命的幻想

推向了高潮

这块陨石上

类似细菌的棒状结构

极有可能是36亿年前

火 星上的生命遗存

（ALH84001陨石上的结构，被怀疑是微生物活动形成，图片源自@NASA）

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与地球极为相似的火星

直径约为地球的一半

自转轴倾角、自转周期也与地球相当

差不多的日长、规律的四季交替

不由得让人们遐想

如果太阳系存在地外生命

火星极有可能是其中之一

（地球与火星大小比较，制图@郑伯容/星球研究所）

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但是

想要发现火星生命

仅仅在地球上大海捞针捡拾陨石

或者远远地围绕着火星拍照

都是不够的

我们必须拿到最直接的证据

最好的办法就是

登陆火星

02

出发，火星

1969年7月20日

宇航员阿姆斯特朗 迈出了他的一小步

人类仅仅用了4天时间

便从地球登上了约40万千米外的 月球

（人类第一次登上月球留下的脚印，图片源自@NASA）

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然而火星远比月球更加遥远

最近端相距约 5600万千米

是地月距离的140倍

最远端更是高达4亿千米

是地月距离的1000倍

如此巨大的距离变化

造成地球夜空中火星亮度差异显著

距离近则又大又亮

距离远则又小又暗

（地球、火星公转与距离关系示意，以及火星观测大小变化示意，制图@郑伯容/星球研究所）

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同样也是因为这种距离变化

会让火星“看起来”突然逆行

（太阳系其它行星也会产生逆行，火星的逆行最明显，制图@郑伯容/星球研究所）

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实 际航行中

在实际航行中

人类还没有任何一个推进系统

可以强大到直接沿着

火星与地球的最短距离行驶

我们必须沿着一条椭圆形的轨道

借助地球的公转速度

以最少的燃料损耗

将飞船“甩”到火星

这便是著名的霍曼转移轨道

（霍曼转移轨道，由德国数学家沃尔特·霍曼发现并命名；地球到火星的转移轨道每隔约27个月才有1-2个月的发射窗口期，今年恰好是7-8月，制图@郑伯容/星球研究所）

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而通过霍曼转移轨道去往火星

仅单程最少需要约

7个月

这可比登月的4天长太多了

以20世纪人类尚显稚嫩的航天技术

苏联和美国都不约而同地选择了

机器人

1971年5月19日、28日

苏联接连发射两艘去往火星的探测器

火星2号（Mars 2）、火星3号（Mars 3）

分别携带 着 陆器

（火星3号探测器，上方为着陆器，图片源自@NASA）

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以及两辆只有4.5千克的机器人

Prop-M火星车

如果着陆成功

它将成为漫游火星的第一“人”

（Pr op- M火星车的双腿由两个滑板构成，可以通过无线电信号远程操控，正前方的金属条可以探测障碍物，图片源自@NASA）

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1971年11月27日

在经历半年多的星际航行后

火星 2号成功进入火星轨道

但不幸的是

此时的火星上

一场行星级的沙尘暴正在肆虐

风速高达26米/秒

火星2号着陆器以每秒6千米的速度

一头扎入风暴中

它是第一个到达火星地表的人造物

虽然是以粉身碎骨的方式

（2001年一场全球性的火星沙尘暴前后对比，整个星球都被蒙上一层“沙雾”，由哈勃望远镜拍摄，图片源自@NASA）

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火星3号的情况也不乐观

1971年12月2日

它成功在火星实现软着陆

十几秒后

沙尘暴便摧毁了它的通讯系统

从此与地球失去联系

任务失败

然而就在这十几秒中

它向地球传回了来自火星地表的第一张照片

照片中似乎是火星的地表与天空

但没有任何东西可以清楚辨认

（图片源自@Soviet Academy of Sciences）

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人类早期登陆火星地表的任务

几乎全军覆没

但失败的阴霾

并没 有浇灭

科学家对于火星的热情

反而激励着、鼓舞着他们

攻克一个又一个科学难题

1975年8月20日、9月9日

美国的两艘探测器

海盗1号 （Viking 1）、 海盗2号 （Viking 2）

满载着各种仪器

向火星再次进发

（海盗号探测器，上方为着陆器，图片源自@NASA）

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10个月后

海盗1号着陆器开始进入火星大气层

地球上的NASA喷气推进实验室里一片焦灼

没有人知道它的命运如何

20多分钟后

一张高清照片被传至科学家面前

海盗1号“恶作剧”般地对着自己的脚垫区域

来了一张局部“自拍”

自拍显示它已经安全抵达

且成像系统工作良好

（原图为宽幅照片，下图有做裁剪，图片源自@NASA）

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随后

越来越多的图像数据以光速飞向地球

伴随着地球人的兴奋、喜悦、惊讶

火星地表的真实面貌被展现出来

这是一个空旷、贫瘠、乱石遍布的世界

富含铁元素的土壤

因为氧化而显得一片橙红

连天空也被浮尘渲染

这就是地球人仰望了成千上万年的红色星球

火星

（海盗1号拍摄的火星地表的第一张彩色照片，图片源自@NASA）

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海盗1号着陆之后

便开始分析火星的土壤

竟然真的检测到了

疑似生命活动的迹象！

但随后的分析又表明

火星土壤中并没有任何有机物

矛盾

太矛盾了

（海盗1号采样后在土壤中留下的沟槽，图片源自@NASA）

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与此同时

已安全着陆的海盗2号

也得到了同样的矛盾结果

对火星生命的勘察陷入困局

（海盗2号工作的乌 托邦平原Utopia Planitia ，图片源自@NASA）

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之后海盗1号、2号着陆器

则继续其他方面的研究

直到1980年4月11日

2号着陆器因电池故障 失联

1982年11月13日

一次软件更新错误

让1号着陆器也陷 入了沉寂

彼时的它已经工作超过六年

在很长一段时间内

它都是火星地表存活最久的机器人

这一纪录直到约30年后

才被一位新的巡游者打破

（海盗1号着陆器拍摄的火星日落，图片源自@NASA/Roe van der Hoorn）

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03

火星巡游

1997年7月4日

一艘全新的探测器登陆火星

火星探路者号 （MESUR Pathfinder）

这是一次新技术的全面预演

大型安全气囊被应用于着陆过程

（之后勇气号与机遇号也采用了相同的着陆方式，影片《Roving Mars》模拟了全过程，以下同）

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气囊以14米/秒的速度撞击火星地表

第一次反弹高达15.7米

持续弹跳至少15次

（图片源自@《Roving Mars》）

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当弹跳停止

安全气囊排出气体

（图片源自@《Roving Mars》）

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再像莲花瓣一样打开

着陆器跃然而出

整个过程在数分钟内 一气呵成

完美

（图片源自@《Roving Mars》）

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人类的火星车机器人

也在此次登陆中首次成功释放

旅居者号 （Sojourner）

拥有自主式导航系统的它

能灵活爬过岩石

相比于之前固定不动的着陆器

它更像是一个活蹦乱跳的“地质 学家”

可以四处漫游寻找有价值的圆卵石和砾岩

后两者都与水源密切相关

（正在勘测岩石的旅居者号，图片源自@NASA）

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探路者号着陆器工作了83个火星日

之后通讯中断

旅居者号火星车也失去联系

如果它没有损坏

想必还在执行人类提前预设的巡游任务

东看西逛

（由探路者号拍摄，旅居者号正在勘测岩石，图片源自@NASA）

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旅居者号火星车的成功

为更强更大的火星车铺平了道路

2004年1月3日、25日

人类的火星探测史上

最著名的机器人双雄出场了

勇气号 （Spirit）、机遇号（Opportunity）

在大型安全气囊的保护下

相继成功登陆火星

（模拟图，图片源自@《Roving Mars》）

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这是两部双胞胎火星车

每辆重达180千克

高1.5米、长1.6米、宽2.3米

携带全景相机、导航相机

以及用于分析岩石、土壤的各种仪器

依靠太阳能电力

火星车可以每小时180米的速度行驶

（勇气号/机遇号在火星上的想象图，图片源自@NASA）

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2004年3月

科学家宣布

机遇号在岩石中

发现液态水存在的证据

数天后

勇气号发现了盐层

极有可能是一条古湖岸线的遗迹

（火星上的著名岩石阿迪朗达克Adirondack，勇气号的研究对象之一，图片源自@NASA）

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两辆火星车的设计任务时间

都只有90个火星日

而实际上

它们的工作时长超过6年

它们曾拍摄下

辽阔的火星地表全景

（请横屏观看，机遇号拍摄的火星毅力谷Perseverance Valley全景，最右侧可见火星车的车迹，图片源自@NASA）

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也曾沐浴

太阳 的温暖

（火星着陆器在火星上想象图，火星上的平均温度在-60°C左右，图片源自@NASA/James Gitlin）

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也曾目睹

火星“月亮”的升落交替

（勇气号拍摄的火星卫星运动，左为火卫二，右为火卫一，图片源自@NASA）

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也曾回望

遥远的地球

（勇气号拍摄的火星星空中的地球，这是从月球以外的行星表面拍摄的第一幅地球图像，图片源自@NASA）

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很快

它们便迎来了新的伙伴

2008年5月25日

凤凰号 着陆器（Phoenix）登陆火星

并接连发现水冰、火星降雪

（凤凰号着陆过程最后一步的想象图，当着陆器距离地面570米时，反推发动机启动，避免与地面相撞，图片源自@NASA）

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2012年8月5日

历史上耗资最贵的火星探测项目

火星科学实验室（Mars Science Laboratory）

将一辆巨大的火星车

好奇号 （Curiosity）

送上了火星

（三代火星车大小比较，左为勇气号/机遇号，下为旅居者号，右为好奇号，图片源自@NASA）

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因为体型过大

安全气囊无法承载

好奇号的着陆方式再次革新

一架天空起重机（Sky Crane Maneuver）

将它悬吊起来、缓缓下降

（模拟图，图片源自@NASA）

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好奇号甫一落地

夹钳即剪断系绳

天空起重机随即飞走

（模拟图，图片源自@NASA）

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现在

辽阔的火星荒原

都交给了人类蓬勃跳动的好奇心

（图片源自@NASA）

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它不需要食物

不需要水

也从不感到孤单

甚至非常善于自拍

（好奇号自拍照，有意思的是，NASA在发布这张照片时把它的“自拍杆”变没了，图片源自@NASA）

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2013年9月26日

好奇号发现火星土壤中的水分高达1.5-3%

完全可以满足未来人类移民的需要

2014年12月16日

NASA宣布好奇号在火星岩石中

发现了有机物

这些都让许多人相信

我们正在接近火星生命的真相

（好奇号在岩石上取样后留下的洞，图片源自@NASA）

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正当人类一步步揭开

火星生命神秘面纱的同时

火星上的机器人军团

却在逐渐“老”去

2009年5月

奔波了5年多的勇气号

深 陷沙地、无法移动

但它仍然通过对车轮搅出的泥土进行分析

再次发现火星上曾存在水的证据

2010年3月

勇气号用尽了最后的勇气

顽强地走过了一生的最后旅程

（勇气号陷入沙地的想象图，图片源自@《Death of a Mars Rover》）

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它的双胞胎兄弟机遇号

却格外走运

一场风暴 恰好吹净了

太阳能电池板上沾满的尘土

它焕然一新、电力充沛

继续下深坑、爬高山、越沙丘、穿平原

四处敲敲打打

（被尘土覆盖的勇气号太阳能电池板，机遇号的情况类似，图片源自@NASA）

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从少年英姿到老骥伏枥

好运一直伴随着机遇号

截至2018年5月8日

它的行驶总里程已达45.16千米

创造了地球外无人探测车的最长移动里程

正当人们对机遇号

抱有更大的期待时

机遇号却意外失联了

2018年7月

“地球呼叫机遇号，听到请回答！”

2018年10月

“地球呼叫机遇号，听到请回答？”

2019年2月

“地球呼叫机遇号，听到请回答...”

好运这次没能眷顾机遇号

在火星上“存活”了14年的它

容颜被风沙掩埋

身躯在异星消散

（机遇号火星“马拉松”旅程示意图，制图@郑伯容/星球研究所）

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就这样

人类的火星探索

从美苏 争霸 到美国 独 领风骚

再到欧空局、俄罗斯以及 印度

一一加入

当时间来到2020年

终于

该轮到中国

开启自主探索火星的旅程了

04

中国来了

近50年的火星地表勘测

成功完成任务的机器人仅仅只有8位

巧合的是

它们都来自美国

都使用着英文问候这片土地

而在2021年

火星上的机器人军团

将迎来一个会说中文的新伙伴

天问1号

（天问1号着陆器与火星车分离动画想象图，图片来源@央视新闻）

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但想要用中文向火星问好

又谈何容易

美国与苏联经过无数次的尝试

从掠飞到环绕

从着陆到巡视

一步一步才踏上火星

耗时36年

（1960-1996年期间发射的火星探测器失败合集，虽然其中有成功的案例，但直到火星探路者登陆火星，才开启了火星的巡游时代，制图@郑伯容/星球研究所）

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中国的首次自主火星探测

更是要通过一次发射

实现环绕、着陆、巡视三大目标

美苏用了36年摸索出的道路

中国要一步走完

如若成功，世界首次

看似天方夜谭的目标背后

是中国航天几十年的辛勤耕耘

从火箭运载能力的提升

到探月工程的经验积累

从遍布全球的测控网络

到3000多个日夜反复验证

让这看似不可能完成的任务

都多增添一份可能

（位于北京密云的国家天文台射电观测站，负责航天任务进行实时观测，摄影师@李睿）

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此外

天问1号的设计师还精心设计了

地-空结合的立体探测模式

即太空一个环绕器

地表一个火星车

相互结合、互相验证

对火星的 磁场、电离层、 大气层

地形地貌、地下结构

实现全方位的立体化探测

（天问1号地-空立体探测地下含水层原理示意图，制图@王申雯/星球研究所）

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两千多年前

我国著名大诗人屈原

抬头仰望满天繁星

不由得发出了疑问

“这天上的星星到底是怎么排列的？”

这便是《天问》诗篇里的

列星安陈？

这跨越了两千多年的天问

今天的我们

终于有能力去火星

寻找 第一个答案

明年

我们想要听到

那句熟悉的、安心的、有力的

从那遥远火星传来的

“我已着陆，状态良好”

预祝天问1号

取得圆满成功！

创作团队

编辑：黄超

图片 ：林子轩&余宽

设计：郑伯容&王申雯

审校：云舞空城&王哈勃

封面素材来源：央视新闻&NASA