人类迈出地球的第一站为什么是火星？

本文转载自 | 国家人文历史

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作者 | 毛新愿

5月15日7时18分，距离地球3.2亿千米之外，天问一号探测器成功实现火星表面软着陆，稳稳落在火星乌托邦平原南部预选着陆区，我国首次火星探测任务着陆火星取得成功！这是我国航天事业发展中又一个具有重大意义的里程碑。

概念图，天问一号着陆器最后着陆阶段（中国国家航天局提供）。天问一号为执行我国首次火星探测任务的探测器，2020年7月23日发射，于2021年2月10日进入环火星大椭圆轨道，预计环绕火星三个月后，着陆器携带巡视器进行着陆探测

现代航天学和火箭理论的奠基人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基曾在100年前说过：「地球是所有人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮里。」

如果用今天科学家们的研究成果描述，这句话会变得更有说服力：地球的质量约为太阳的33万分之一，距离太阳约1.5亿千米，光速仅需8分钟即可抵达。而人类目前已观测到的宇宙半径，已经达到了465亿光年，这是光速用465亿年跨过的旅程。由于宇宙膨胀，它甚至远大于宇宙约138亿年的寿命！人类必须迈出这个摇篮。

人类文明经过上万年发展，终于发现地球只是宇宙角落中一个不起眼的暗淡蓝点，这里也是已知宇宙中唯一存在生命的星球。月球是地球的卫星，但它被地球的引力牢牢束缚，那里只是空寂无比的荒漠。人类迈出这个生命摇篮的第一步，只能是走向最近的行星邻居，那里或许有着完全不同的世界。

地球有两个重要的邻居行星，金星和火星。金星已被证实是一个常年表面温度超过460摄氏度、大气压是地球海平面90余倍的恶劣高温高压环境，空气中弥漫着各类有毒硫化物，几乎没有价值探测开发。相较而言，另一个邻居火星就成为人类迈向跨行星生存物种的下一站。人类未来的行星际基地开发需要至少达到这些条件：充足的水源、空气、能量、土壤和元素，能庇护生命，易于实施航天开发。火星在这些方面都相当「完美」：

火星水资源可以用「丰富」（当然，相对地球是贫瘠的）一词形容：火星全球浅层土壤普遍存在2—3%的水分，火星表面在夏季甚至出现液态卤水流动，南北两大极冠地区蕴藏着超过地球格陵兰岛的水冰含量，火星底部可能蕴藏巨大的液态水湖。对于小规模人口而言，已经足够。

地球和火星的大小比较，火星直径约相当地球的一半，与地球同为岩质行星，演化历史和发展规律类似，除极度缺乏有机物外，其他元素构成与地球条件类似

火星表面大气密度和气压普遍不足地球海平面的1%，接近真空。但这并不让人绝望，它的空气中约96%是二氧化碳，极地地区更是一望无际的干冰，这是人类可以利用的资源。无论是未来农业开发可以作为天然「植物肥料」，还是通过化学反应制氧气或甲烷等火箭燃料，都将是重要的资源。

火星附近的太阳辐射强度平均仅有地球附近的44%，但它依然处在太阳系内宜居带附近，行星温度适宜，允许液态水的存在，有可能孕育生命。在火星探测过程中，太阳能依然是各个任务的主流能量来源。虽然偶尔的沙尘暴会影响地面上着陆器和火星车（巡视器）的能量接收，但也能通过电池提前储备预防。此外，人类还可以使用核能，已经应用在了「好奇号」和「毅力号」火星车，目前还在研究更复杂的小型核电设备。

火星和地球同为岩质行星，演化历史和发展规律类似。虽然火星上极度缺乏有机物，但其他元素构成与地球条件类似，这也成为人类开发火星的重要前提。对于未来的人类火星基地建造规划，可以提前发射无人3D打印探测器先期抵达，通过远程遥控和就地取材建造未来家园。

2000-2022 年地球和火星距离变化与各探测任务在太空中飞行的时间区间（绿线）。由于地球同火星围绕太阳旋转周期时间相差近 1 倍，因而两者相对距离近时超 5500 万千米，最远时可达 4 亿千米。从地球的视角来看，大约每隔 780 天才能同火星距离缩到最短。

图中①奥德赛号（美），②火星快车（欧）、勇气号（美）、机遇号（美），③侦察轨道器（美），④凤凰号（美），⑤好奇号（美），⑥火星轨道器（印）、大气专家（美），⑦微量气体探测器（欧），⑧洞察号（美），⑨希望号（阿）、天问一号（中）、毅力号（美）

火星相对地球体积较小（15.1%）、质量较小（10.7%）、引力较小（37.9%），表面积也较小（28.4%）。由于火星上没有海洋，总的表面积和地球上的总陆地面积是基本一样的，太阳系内最大的山峰和峡谷都位于火星，那里可能有海量的矿藏。这也基本意味着对于小规模的人类基地而言，人均资源远超地球。

利用火星作为人类未来迈入更远深空的跳板非常理想。它的逃逸速度约5.0千米/秒，远低于地球的11.2千米/秒，大气也非常稀薄，距离太阳更远、更少受到太阳引力的影响，这意味着在火星进行航天探测的难度大幅小于地球。同时，火星非常靠近小行星带，这里拥有太阳系内最容易开发的资源。例如，灵神星上的金属矿藏就能满足人类至少数百万年的开发需求。

综合看来，火星对于人类而言是个无比理想的邻居。

火星带给人类的期望很高，但是探测它的难度远远超出了想象。地球处在太阳系较内侧位置，与太阳平均距离约为1.5亿千米，即1个标准天文单位的长度。火星距离太阳要远一些，平均大约是2.3亿千米。地球需要约365天环绕太阳一周，火星需要约687天。火星的轨道是偏心率为0.09的椭圆，地球轨道则接近正圆。这意味着地球和火星之间的距离在时刻复杂变化，最近时超过5500万千米，最远在太阳两侧面面相对时可远至4亿千米。

然而，如果从地球的视角来看，每隔大约780天才能和火星最接近一次，这个时间又叫作会合周期，大约是26个月。从几何角度解释也容易理解：假设二者都是纯圆轨道，在780天内地球运行了2周49度角，火星运动了1周49度角。好比是操场中两个人跑步，内圈跑得比较快的那个人，套了外侧比较慢的那个人1圈，二者再次会合。

地球和火星的轨道周期及会合周期示意图

这给人类现有的以化学燃料为核心动力的火箭带来了巨大的挑战。不同于科幻作品中动辄以极快速度运动的飞船和火箭，人类并不能随心所欲地不在乎地球和火星之间距离，人类必须利用这个780天才出现一次的时间窗口，利用地球和火星靠近的时刻，提前几个月发射探测器。

在实际飞行时，探测器需要在太阳系中完成一个大椭圆飞行轨道，又叫作霍曼转移轨道。火星和地球轨道形状不同，每次会合时二者的相对几何位置也不尽相同，探测的最佳发射窗口会因此变化，单次旅程轻易长达4—7亿千米，耗时6—11个月不等。此外，火箭的发射条件会由于总装调试进程、火箭状态和天气等原因推迟，导致抓住窗口的难度更加提升。火星的探测难度，可想而知，看似近如比邻，实则远至天涯。

火星探测器的霍夫曼转移轨迹示意图。霍夫曼转移为一种变换太空轨道的方法，采用该轨道操纵技术的航天器途中只需两次发动引擎推进，相对节省燃料

第二次世界大战期间，随着同盟国和轴心国的战争需求，人类各项技术急剧发展，尤其是纳粹德国研制的18000枚V2火箭呼啸到欧洲的各个战场，人类最初的火箭技术和经验也在快速迭代积累。这种风诡云谲天空下的厮杀，变成了孕育人类航天技术的温床。1942年，纳粹德国曾尝试将V2火箭发射入太空，成功越过了象征着太空与地球边界的卡门线，这里距离地球表面已经有100千米高。自从人类文明诞生以来的飞天梦想，不经意间就变成了可以期望的未来，这也迅速成为酝酿战后苏美两方阵营进入太空竞赛的基础。

早在1960年，抢先一步的苏联两颗火星一号探测器就秘密发射升空，但是由于早期火箭技术不成熟，遗憾它们都没成功离开地球。然而苏联始终无法解决根本问题，在1962年再发三颗，又告失败。美国也同样倒霉，1964年11月5日「水手3号」发射，但在星箭分离阶段失败。

「 Mariner 4 - 水手 4 号」火星探测器，整个探测器大致有 3 米高，4 个太阳能帆板展开后整体宽度达到近7米。该探测器1964年11月28日发射升空，于 1965 年 7 月 15 日在火星上空约1 万千米高成功飞掠过火星，拍下了 22 张火星照片，为首次成功探测火星的太空探测器

「水手3号」的姊妹探测器「水手4号」顶着巨大压力在1964年11月28日发射，最终成为首次成功探测火星的太空船。整个探测器大致有3米高，4个太阳能帆板展开后整体宽度达到近7米，足够放满一幢小房子。但其实这些太阳能帆板产生的电能很有限，只有300瓦左右，和夜晚普通居民家里各间房屋开灯照明的消耗量差不多。

「水手4号」携带了探测磁场、宇宙射线、高能粒子、太阳风、太空尘埃等的各种仪器，反而更像是一个太阳系深空探测任务。这也符合它的定位：所谓的探测火星是飞掠，彼时的航天技术并不足以让探测器变轨并停留在环绕火星轨道，在拍完这些照片不久后，「水手4号」努力将所有数据发送回地球，然后便滑入深空，靠近火星期间仅占任务的不到1%时间。不过，为了这1%的时间，它携带了极其重要的照相机。彼时的照相机不像今天的手机一般使用成熟的电子感光耦合元件（CCD），只能通过最简单的摄像管将图像信号记录并转换为数字信号。完成飞掠任务后，这些数字再经过压缩传输，在地球上重新绘制出来。

「水手 4 号」拍摄的火星照片。虽然这些照片加在一起只覆盖了火星表面约 1%，人们从中发现，火星表面明显有着大量撞击坑，不太像有复杂地质运动及同地球类似气候条件

1965年7月15日，「水手4号」在火星上空约1万千米高度成功飞掠火星。读者们不要对这个数据失望，感觉很远。实际上在深空探测领域，这已经是相当近的距离，例如地球上各种通信卫星都距离地表35786千米，更何况这个飞行了不远「亿里」、目标火星的探测器。因而，对于「水手4号」而言，这个距离足够各种设计好的仪器设备完成既定目标。在它与火星最近距离接触的数小时内，它尽一切可能拍下了22张火星照片，它们是人类首次近距离拍下的外星球照片。

虽然这些照片加在一起只覆盖了火星表面约1%，但照片带给人类的冲击依然具有划时代的意义的：此前人类只能看着母星地球，这是人类在近距离观察第二颗行星。人们从这些照片中可以看到火星表面明显有着大量撞击坑，看起来是极其荒凉的一片荒漠，不太像有复杂地质运动和地球类似气候条件的样子。仪器也没有探测到火星表面的磁场和辐射带，信号非常微弱。感应到的火星表面温度也接近零下100摄氏度，且几乎没有大气，这大大支持了认为火星不可能存在生命一派的观点。

有意思的是，「水手4号」任务周期里发回地球的数据总量才634 KB，对于今天的计算机技术而言这仅是一幅压缩图片的尺寸，读者们和朋友随手在聊天软件中「斗」几张图都要花掉更多流量。从另一方面，也能反衬出在当时的技术发展水平限制下，科学家们利用聪明才智做出了多么不可思议的成就！

「水手 9 号」

随后的1971年是人类探测火星历史上最繁忙的一年，苏联和美国共计发射了5个探测器，占整个20世纪70年代任务的一半！1971年5月8日，70年代首个任务、美国「水手8号」顺利出发，但在仅仅6分钟后，火箭上的技术故障导致发射失败，探测器很快坠毁在大西洋中，它的发射失败让基于20世纪70年代首个火星探测窗口的任务蒙上了一层阴影。在1天之后，苏联与之竞争的宇宙419号火星探测器因为几乎一模一样的问题而失败，以至于都没来得及给这个探测器起正式名字。随后发射的苏联火星2号/3号和美国「水手9号」，成功抵达火星附近。

最终「水手9号」在飞行了5个半月时间后，成为首个实现环绕火星轨道的探测器，也是人类第一个环绕其他行星的探测器。「水手9号」刚抵达火星时，情况不尽如人意，火星表面发生了全球性的沙尘暴。这是由于火星大气稀薄，对行星的保温效应几乎可以忽略，导致其不同区域的太阳照射带来的温差巨大，气压差带来了大规模甚至遍布全球的空气流动。而火星上由于极度干燥、长期的太阳风等宇宙射线轰击、陨石撞击和风沙侵蚀，土壤和沙尘非常细密。气体裹挟着细沙，成为壮观无比的全球沙尘暴，遮天蔽日。直到几个月之后这种情况才稍微好转一些，「水手9号」才开始获取真正意义上的数据和图片。所幸它在那里一直工作了一年多时间，最终熬到风沙散尽的一刻。相比前辈们的数十张照片，它拍下了7000多张火星照片。由于轨道时远时近，图像分辨率也从1000米到100米不等，但已经覆盖了火星表面的85%，这个成就可谓惊人。

科学家正在肯尼迪航天中心分析「水手 9 号」发回的有关火星的信息，摄于20世纪70年代

与此同时，任务更加复杂的苏联火星2号和3号并不尽如人意。按照计划，它们不仅能够实现环绕火星，还能释放着陆器着陆火星，随后释放小型巡视器。然而，火星2号着陆器遗憾失联并焚毁在火星大气中，最终撞击在火星表面，这也算是人类首次「硬着陆」火星的探测器。后续的火星3号在成功抵达火星轨道后也立即释放着陆器，幸运的是，重达1.2吨的巨大着陆器终于实现了人类探测器首次成功软着陆火星，成为人类在火星上的第一个「足迹」。不过极其遗憾的是，在它成功着陆后仅仅十几秒钟后就与地面失去了联系。它除了验证火星降落技术方案之外，几乎没有取得任何科研成果。后来2006年抵达火星的美国侦察轨道器还拍到了疑似火星3号着陆时扔下的降落伞和轨道器，时隔35年它依然寂寞地待在火星表面。火星2号和3号的轨道器都成功进入了环绕火星轨道，但它们都没有坚持到火星沙尘暴逐渐退去的时刻，为人类带回丰富的观测图像和测量结果，从而让「水手9号」大放异彩。

「水手 9 号」所拍摄的火星照片。「水手 9 号」发射于 1971 年 5 月 30 日，于 11 月 14 日抵达火星，先后拍下了 7000 多张火星照片，覆盖了火星表面的 85%

时至今日，「水手9号」这个为人类立下汗马功劳的火星探测器依然在围绕火星运动，成为它的一颗人造卫星，这是它的独特大椭圆轨道导致的，火星大气造成的阻力几乎无法影响并降低它的轨道。同样的道理也发生在中国首颗卫星「东方红一号」上，它在1970年进入环绕地球的大椭圆轨道，直到今天依然在环绕地球运动。不过这二者早就没有任何工作状态，可以把它们看作人类航天探测史的永久移动丰碑。

随着人类太空竞赛逐渐走向平静，除了美国「维京1号」和「维京2号」成为20世纪70年代火星探测的绝唱之外，后续的火星探测规划也逐渐被束之高阁，直到进入新世纪后才逐渐改善。尤其是技术成熟后，火星巡视器成为探测的主角。

人类探测火星60年来，共有四种任务类型：惊鸿一瞥的「飞掠」、登高望远的「环绕」、观天测地的「降落/着陆」和自由移动的「巡视」。其中，「飞掠」仅是在早期技术不成熟或其他任务兼职探测火星时使用；环绕器（轨道器）能长期环绕火星，采集海量的数据，全方位研究火星磁场、大气、重力场、水、浅层土壤、地质地貌等方面，还能起到信号中继作用，服务于降落在火星表面的着陆器和巡视器；着陆器能仔细研究火星表面的各种细节，但由于着陆机构重量和自身能量限制，无法移动和自由巡视；而巡视器可以随处移动，意义不言而喻，它的质量能更多集中于科研载荷，从事多地点多方面的精细研究。

新世纪最著名的任务是两辆双胞胎兄弟火星车「勇气号」和「机遇号」，二者完全相同且互为备份，重量为185千克，采用太阳能供能，分别在2003年6月10日和7月7日顺利升空前往火星并在次年1月份先后抵达。

这两辆火星车的原计划工作时间都是90天左右，科学家们认为90天之后火星空气中的沙尘就会覆盖满太阳能电池板，导致能量过低而无法继续工作。但没想到的是，火星上的大风天气却帮了忙，风吹去盖在太阳能电池板表面的尘土，让它重新暴露在太阳光的照射之中而获得新生。虽然在2007年火星巨大的沙尘暴中、99%的阳光被沙尘遮蔽了数月而导致这两个兄弟险些任务失败，但它们通过休眠方式在比地球风速快10倍以上的恶劣环境中最终幸存下来，赢得新生。

概念图，在火星上的「勇气号/机遇号」（NASA 提供）。火星车「勇气号」和「机遇号」为两辆完全相同且互为备份的「双胞胎」，重量均为 185 千克，采用太阳能供能，分别在 2003 年 6 月 10 日和 7 月 7日顺利升空前往火星，并于次年1月份先后在火星着陆进行巡视探测

最终，「勇气号」一直坚持工作到2011年3月22日才宣告任务结束，此前它的轮子出故障不能转动，且在2009年时就陷到软土中根本无法动弹，但它依然在那个坑里坚持工作了两年之久直到失联，那里成了它最终的墓地。而「机遇号」更是工作到2018年6月10日，它以平均1厘米/秒的速度运动，创造了在太空中最远行驶里程的纪录，超过45.16千米。它们在漫长的奋斗过程中，为人类全方面了解火星作出了巨大贡献。

21世纪探测火星的高峰在「好奇号」火星车，它的预算达到了惊人的25亿美元，足够买下40吨黄金！而最后这些钱就被砸到了一辆899千克重的火星车上，它也因此成为当之无愧的世界上最贵的一辆车。2011年11月26日，好奇号被包装进一个3.8吨重的组合体中从地球成功出发。为了让这么一辆巨大的火星车成功降落，科学家们研究出了空中吊车/起重机技术，这是人类现今航天技术里最接近科幻「黑科技」的技术之一。次年8月6日，这套组合体成功将「好奇号」送到火星表面，着陆在盖尔撞击坑。这是个直径154千米、存在了至少35亿年的撞击坑，极有可能保有火星早期的环境，有山丘有湖泊遗迹等各种地质形态，可供「好奇号」大展拳脚。

「好奇号」采用了多任务放射性同位素热电机的技术，利用携带的4.8千克钚—238放射性同位素不断衰变产生热量用以发电，能量密度高，每天可以产生2.5度的电能，大概是「勇气号」和「机遇号」的5倍之多。产生的热量残余还可以给内部重要仪器保温，可谓一举多得。这种核电池核心元素的半衰期达到88年，在火星车上绝大部分器件寿命到期后依然能提供足够且稳定的热量，不在乎白天和黑夜、极寒和极热。

「好奇号」火星探测车在火星夏普山山脚下的自拍，摄于 2015 年 10 月（用于拍摄照片的机械手臂已被修饰去掉）。「好奇号」重达 899 千克，长 2.9 米、宽 2.7 米、高 2.2 米，于 2012 年 8 月 6 日在火星盖尔撞击坑着陆，携带强大的运动系统和科学仪器，大大提升了它的工作能力

这个2.9米长、2.7米宽、2.2米高的火星车有能力携带更强大的运动系统和科学仪器。例如，它的手臂主要携带有一个X射线光谱仪和透镜成像仪对样本进行结构和成分分析，甚至可以看清10微米左右的细节，要知道人的头发尚有约80微米直径！机械臂还有冲击钻、刷子和铲子这套系统，方便打孔、粉碎、取样并送到车身上安装的复杂仪器内，可谓各司其职、一举多得。头部的激光诱导击穿器能在数米外击穿石块，进一步利用化学分析相机远程测量成分构成，大大提升了它的工作能力。

「好奇号」原计划的服役时间是两年，它也超出预期继续服役至今，而且核电池基本可以陪伴它长期工作下去，目前已经宣布了将这个任务无限期延长。与此同时，「好奇号」的升级任务「毅力号」火星车已经于2021年顺利着陆火星。它相比好奇号能实现更多更复杂的功能，还携带了人类首个火星直升机，相信能极大扩充人类对火星的理解。

两千多年前，屈原在长诗《天问》中发出了「九天之际，安放安属？」和「日月安属，列星安陈？」的旷世之问。两千多年后，中国航天人要用实际行动给出解答：行星探测计划「天问」启动，而执行第一站任务的就是去往火星的「天问一号」。而这次「天问一号」的选择是：「绕」「着」「巡」一次完成，整体任务包括了环绕器、着陆器和巡视器三个部分，是近些年人类探测火星任务复杂度之最。2021年2月10日，「天问一号」被火星引力俘获。「天问一号」的三个部分整体进入环绕火星的大椭圆轨道中。在随后环绕火星的约3个月内，环绕器需要认真研究火星表面的情况，反复确认着陆地点和最优着陆窗口。一旦确认后，环绕器继续在轨工作，着陆器携带巡视器开始最为艰难的火星着陆之旅。

概念图，天问一号（中国国家航天局提供），前部为着陆器、巡视器组合体，后部为环绕器

这就是「恐怖」7分钟。由于距离过于遥远，地球和火星双向通讯延时将长达几十分钟。且火星着陆时间一般仅在7—8分钟左右，地面工作人员不可能人工控制复杂的火星着陆过程，这一切全要靠着陆器自己完成。这个过程极度困难，着陆器必须找准角度，先用隔热大底极速气动减速，再用庞大降落伞，最后还需要反推火箭工作，悬停避障，软着陆。上千个复杂的动作，需要「天问一号」在火星上独自「刀尖上起舞」，稍有不慎便会任务失败，难度可想而知。着陆器稳定着陆后，将会与环绕器联络，确定工作状态，上传记录的全部数据，传回地球。一切确认后，着陆器将放出导轨，巡视器开机，积累到足够能量后，行驶抵达火星表面，开始工作。

探测火星不仅是中国航天工程任务难度的新突破，更是行星科学领域的史无前例突破。除了常规的通讯、能量来源（太阳能帆板）、支撑结构、动力系统等部分外，「天问一号」整体上携带了13种科学载荷，其中7个在火星上空的环绕器上，6个在降落火星表面的巡视器上。它们共有五大科研目标，主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究，将给中国带来火星的第一手资料。

概念图，天问一号在火星着陆（中国国家航天局提供）。天问一号的着陆过程极度困难，着陆器必须找准角度，先用隔热大底极速气动减速，再用庞大降落伞，最后还需要反推火箭工作，悬停避障，软着陆，需要执行上千个复杂的动作，难度可想而知