人类为什么探索火星

2022-08-16贾阳北京空间飞行器总体设计部

国际太空 2022年7期

贾阳（北京空间飞行器总体设计部）

1 引言

在古代，人类逐渐发现天体的运行规律同日常生活存在着密切的联系，最早可以追溯到古埃及人将尼罗河的涨落与天狼星、太阳的运行联系到一起。人类通过裸眼观测天体，不断总结运行的规律，于是形成了天文学。

火星是太阳系八大行星之一。夜晚，在繁星之中，火星很容易引起人类先民的注意，它在恒星的背景之上，时而向东运动，时而向西运动，行踪诡异，在有文字记载的各古代文明中留下了很多关于火星的记录。

在中国古代，火星被称为“荧惑”，“荧荧火光，离离乱惑”中至少包含两个方面的意思。首先是颜色，它呈暗红色，时亮时暗，荧荧如火。在位置适当的时候，火星是全天除了太阳、月亮和金星之外最亮的天体，它在满天星辰中特别引人注目，不止因为它的亮度，还因为它的红色。不过当火星最暗的时候，在群星之中还是很难找到它的。另外就是它在天空中运行的轨迹，大多数的时候自西向东运行，但是有一些特殊的时候，会发现它运行的方向恰好相反，在恒星的背景上自东向西逆行，这种奇怪的现象，给古人带来了疑惑。

不过，人类没有满足于这些粗浅的认识，带着困惑不断观察、不断探索，努力寻找现象背后真正的科学道理。

2 目视观测

仔细观察火星，除了颜色暗红，亮度有明暗变化，运动时顺时逆，又发现受到明亮的太阳的影响，火星会消失一段时间。更进一步地分析总结，人类发现了它运行的规律，每隔两年多一点的时间就会出现在夜空中同样的一个位置，而且亮度的变化、顺逆运动的改变也是相同的周期。这意味着人类知道了火星视运动的会合周期是2.14 地球年。

在地球上观察,认为日月星辰在围绕地球旋转是很自然的事情,很容易理解,也很容易解释。大家都熟知的托勒密建立的地心说，就是基于这样的观察体验。但是在精细解释五大行星在恒星背景前的运动时，地心说遇到了挑战，于是升级到本轮与均轮模型，也就是行星的运动是大圆圈之上还套有小圆圈，这样就解释了行星的逆行。

更精细的观测使人们逐渐地认识到，把地球放在宇宙的中心，行星绕着地球环绕运行，解释起来越来越困难。而如果把太阳放在中心，地球和五大行星都绕着太阳运行，这样的所谓日心说，解释观测的现象似乎会变得更加的简洁。哥白尼首先提出了日心说理论，认为行星在绕着太阳做圆周运动。其实新理论与观测结果并不完全相符，有时还不如本轮与均轮模型预测的结果准确。第谷是“现代天文学的始祖”，他用功能强大的肉眼精心观测，编制了精准的星表，还对行星的运动做了精确的记录。这些宝贵的记录为日心说的升级完善奠定了基础。

德国人开普勒是第谷的一位助手，他利用第谷的工作资料，花费了漫长的时间改进日心说。开普勒不再相信哥白尼提出的行星是在圆形轨道上绕太阳运行，认为行星的确围绕太阳运行，但是它的轨迹不是圆形，而是在椭圆轨道上运动。

这其中有一个细节，就是在开普勒提出太阳位于行星椭圆轨道的一个焦点这一重要结论的过程中，火星作出了贡献。因为火星的轨道相对来说没有那么圆，大量的、精确的关于火星在天球位置上的观测，支持了开普勒第一定律，为日心说的发展提供了强大支撑。

火星的轨道偏心率是0.093，而地球是0.017，金星只有0.007。火星的轨道没有那么圆，意味着开普勒整理数据的时候，会发现用圆解释火星的运行轨道会有偏差，更容易得到火星的轨道是个椭圆这个结论，进而确定五大行星和地球的轨道都是一个焦点位于太阳的椭圆。接下来，开普勒的诸大定律就呼之欲出了。

不过，在天文望远镜发明之前，人类的文明虽然发展了数千年，但是关于火星本身的认识其实还相当的浅显。随着天文望远镜的出现，人类逐渐揭开了火星这颗神秘的红色星球的面纱。

3 望远镜时代

在小型望远镜里面第一次看到火星的人通常都会比较失望，因为能够看到的只不过是在一个红色的圆盘之上的些许暗斑。如果条件更合适一些，火星的极冠刚好对着地球，那么还能够看到一些白色。也就是说，即使是在火星大冲的时候，小型望远镜能够展示的东西也很少。

17 世纪初，伽利略利用小型的天文望远镜观测到月球表面的撞击坑、木星的4 颗卫星等等，人类的天文观测进入新阶段。但是，当他把望远镜对准火星，也只能看到一个橘红色的亮点，伽利略发现火星不是完美的圆盘，这说明他已经注意到了火星的盈亏，因为有的时候火星明亮的部分只有86%朝向地球。不过当时望远镜的性能决定了不会有更多的发现，后来望远镜的口径扩大，望远镜的性能逐渐提高，火星在望远镜里面变得更大更清晰起来。

比如，在火星的表面上，有一些位置相对周边更暗一些，观察这些暗区的运动，就确定了火星自转的周期比24 小时多一些。利用火星大冲，也就是火星与地球之间距离比较小的机会，仔细地观察火星的表面，发现在火星的极区存在着白色的极冠，接着确定了火星自旋轴相对于公转轨道面的倾角，这意味着火星的表面和地球一样，也存在着四季的变化。

由于火星和地球之间的距离有时远，有时近，看上去火星的视直径变化也比较大，小的时候只有3.5″，大的时候会达到25.79″。从望远镜里面可以看到，火星冬季北半球的极区有白色的极冠，大小随季节变化，甚至在夏季也不会完全消融，主要的成分是干冰，也有水冰。

火星上经常发生大规模的尘暴，沙尘被卷到了数十公里的高空，每个火星年都会发生上百次的区域性尘暴，有的时候甚至会发展成全球性尘暴。在地面，从望远镜里面就可以清晰地观察到沙尘暴的演化过程。

确定火星有大气层时，天文学家借助了火星掩恒星这样的特殊天象。原理是火星在恒星的前方穿越的时候，发现恒星在被遮挡之前，亮度就已经变暗，由此断定火星有大气层。英国人赫歇尔是位极其出色的观察者，当火星在星空穿行的时候，有时会正好移动到某颗恒星的前面，1783 年，他发现即使火星不是正好位于恒星前面，恒星的亮度也会变暗，说明火星上有不是很稠密的大气层。

当太阳、地球、火星三者近似在一条直线上，火星和地球位于太阳同一侧的时候，被称为火星冲日。如果火星冲日发生在火星近日点附近的时候，则称为火星大冲，大约每15～17 年就会发生一次这样的大冲。在航天时代到来之前，火星大冲是观测火星的最佳时期，此时观察火星，距离近而且整夜可见,更容易描绘火星表面的细节特征。

1840 年，人类绘制了第一张完整的火星图，这是第一张用经纬度标注的地球之外的行星的地图，而且明确将零度经线定义在南纬5.2°一个小的暗点上，这个暗点是一个直径约50km 的撞击坑，它以艾利爵士命名，这位爵士是一位19 世纪特别厉害的皇家天文学家，在将格林威治确定为地球经度起算点这件事情上，他做出了贡献。

1877 年，火星和地球之间的距离非常近，激发起人类观测火星的又一次高潮，美国人霍尔使用当时世界上最大、最先进的26 英寸折射望远镜观察火星，发现火星周围的暗点竟然是环绕火星旋转的，原来火星也是有天然卫星的，而且是两颗，它们分别被命名为“火卫一”及“火卫二”。

更重要的是发现了火星表面上的几条暗色线条，这引起了人们的广泛猜想，认为可能是火星表面的水道，甚至被解释为是人工开凿的运河。“运河”这个词，暗示着火星上存在着高级的生命，让人们想象在火星上有大量的水、植物，还存在着智慧的生命，于是大量的科学幻想作品产生。这个浪漫的设想，一直延续到了1948 年，利用加利福尼亚帕罗玛天文台建造的直径5m 的望远镜仔细观察火星，发现那些“运河”并不存在。所谓的“运河”，仅仅是火星上的沙尘在季风的带动下，大范围移动所产生的。偶尔还观察到了白色云层，更仔细的观察者发现在晨昏线上能够看到不寻常的明亮的亮光，闪光曾经被怀疑是火山喷发，但是现在看来，那是由于在火星表面低洼地带，云层、霾和雾等对阳光反射形成的，当火星、太阳和地球几何关系符合一定条件的时候，在地球上就看到了来自火星的闪光。

进一步深化对火星的认知，需要人类进入到用航天器对火星进行探索的航天时代。

4 航天时代

人类使用望远镜观察火星已经持续了3 个世纪，并成功地确定了火星的轨道参数、旋转速度及其转动轴方向，还在火星表面上描绘了主要的暗区和亮区的形状，发现了火星的极冠，记录了季节的变化。还看到了覆盖整个火星表面的尘暴，利用火星掩恒星这样的机会，证实火星拥有稀薄的大气。然而，人类要想更深入地了解这颗神秘的红色星球，必须发送探测器，到火星的附近进行更详实的探测。

直到1965 年，人类第一次依靠水手四号（Mariner-4）探测器获得了火星表面上的图像，才真正开始近距离观测火星，对火星的认识进入到了航天时代。

1883 年夏天，俄罗斯教员齐奥尔科夫斯基产生了到星际空间旅行的念头，在他的著作中提出的火箭发动机推力公式成为火箭技术的基础。1911 年，在给友人的一封信件中，他预言人类不会永远停留在地球的束缚之中，总有一天会畅游太阳系。

人类进入航天时代之后，为深化对火星的认识，苏联、美国和其他航天国家发射了数十颗火星探测器，逐步地深化着人类对火星的认识。

1962 年11 月1 日，苏联发射了火星一号（Mars-1）探测器，质量为894kg，是一个直径1.1m，高2.3m 的圆柱体，加上太阳电池板，跨度达到了4m，还带有大型的高增益天线。可是，1963 年3 月，探测器在飞往火星的途中出现故障而失联。

1964 年11 月28 日，美国发射的水手四号火星探测器于1965 年7 月14 日在距离火星表面9920km处飞过火星，它成为人类成功到达火星附近的第一个探测器。发回22 幅近距离的火星的照片，揭示在火星的表面上有大量的撞击坑，火星的周围没有较强的磁场，存在着大气，其主要的成分是二氧化碳，密度较低。

1971 年11 月24 日，水手九号探测器进入了环绕火星的轨道，发现在火星的表面上除了布满着撞击坑之外，还存在着年轻的火山峡谷。在火星的表面上还发现了局部的沙尘暴。著名的火星大峡谷也是由水手九号探测器发现的，这个横亘火星表面几千千米的峡谷，后来被命名为“水手谷”。

人类关于火星知道得越来越多，但是还想知道得更多。美国接下来发射了两个着陆器——海盗一号（Viking-1）和海盗二号，希望能够在火星的土壤中寻找到微生物的证据。这两个探测器获得了火星表面大量的观测资料，发回火星表面的第一张彩色照片，在照片中能够看到表面的岩石和沙化地貌。

1997 年7 月4 日，第一辆火星车来到了火星的表面，尽管其设计寿命只有一周，实际上它工作的时间持续了3 个月，行驶了大约100m。在火星车上搭载着一个α 粒子X 射线谱仪，用来探测火星土壤和岩石的元素组成。

火星与地球相似，人类进入航天时代以来，火星被认为是太阳系中地球之外最有可能存在生命之地，一直是探测活动的热点。欧洲航天局（ESA）、印度、阿联酋等国家和组织也加入到火星环绕探测的队伍中，中国的天问一号火星探测任务更是一次实现了“绕、落、巡”，使中国加入到人类火星探测队伍中，并成为第二个在火星表面开展巡视探测的国家。

5 天问一号火星探测任务

中国的月球探测工程包括“绕、落、回”三个阶段，在月球探测工程实施的过程中，中国人也把目光投向更远的深空，如果说月球探测是中国深空探测的1.0版，那么我国首次火星探测任务就是中国深空探测的2.0 版。

首先要考虑的问题就是这次任务的探测形式。掠飞探测相对容易，但是很难再有科学发现。早期有一种方案是将探测器分成两个部分，一部分在火星附近减速，成为火星探测器，另外一部分则在火星借力后开展主带小行星探测。这样的多目标方案节省经费，但是两个目标的探测都不会很深入。环绕探测仍是主要探测形式之一，包括火星重力场、磁场、表面地形地貌等目标的全局探测。可如果只是实现环绕探测，任务相对而言有些简单。软着陆探测可以对火星表面进行多种探测手段的全面、深入探测，巡视探测更将扩大火星表面精细探测的范围，是火星探测最重要的形式之一。

综合上述考虑，中国的航天工程师决定这次挑战个高难度系数的动作，一次任务实现“绕、落、巡”。这可以简单理解成两步并作一步走。这样做的好处是：环绕器开展全球普查，火星车对重点地区详查，两个结果可以相互比对、相互验证，点面结合；在进入火星大气之前，环绕器已经帮助进入舱完成了一次减速，与从行星际地火转移轨道直接进入火星大气相比，降低进入速度，减少进入风险；火星车的探测数据可以通过环绕器中继传输到地球，地面的指令也可以先发送至环绕器，再转到火星车上，这样就不需要在火星车上配置米级口径的大天线了，大幅度降低火星车设计的复杂性。

当然，这样做也是有风险的：任务形式的复杂性，导致对两个探测器的可靠性要求都很高，没有环绕器的支持，火星车在火星表面的工作将变得十分困难；进入火星之前，环绕器将进行降轨，瞄准之后释放进入舱，接着必须马上完成升轨控制，避免环绕器也进入火星大气层，一系列轨道控制动作时效性要求很高；环绕器的工作安排，既需要考虑环火遥感的需要，又需要考虑为火星车提供数据中继的需要，变得更复杂。

总体上看，这样的探测方式有创新，也有难度，体现了我国航天技术的发展水平，以及航天工程技术人员的自信，当然这种自信是建立在月球探测取得的丰硕技术成果基础上的。2021 年5 月15 日，天问一号成功软着陆于火星表面，这种自信变成了现实。

天问一号环绕器在环火轨道上，执行着火星全球遥感探测任务。祝融号火星车在火星乌托邦平原一路向南，已经行驶1921m，获得了关于火星表面磁场、岩石成分、地下土壤分层情况，以及气温、气压、风向、风速等方面的大量信息，2022 年5 月18 日,受北半球冬季到来，以及沙尘天气的影响，祝融号火星车进入休眠状态。设计师们特意制作了海报，纪念与祝融号一起度过的日日夜夜，期盼尘暴之后，收到火星车的新消息。

6 探索火星的意义

我们为什么要去火星？不同的人会给出不同的答案。比如：印度政府发言人在回答西方记者关于为什么印度要探测火星的问题时，曾经说过一句话：如果我们没有伟大的梦想，那么我们永远是伐木人和挑水工。齐奥尔科夫斯基是现代宇宙航行的奠基人，被称为“航天之父”，他曾经讲过一句著名的话：地球是人类的摇篮，但是人类不能永远生活在摇篮里。科学家们更关注的是：这颗红色的行星上是不是曾经有过生命，人类在宇宙中是孤独的吗？科幻作家刘慈欣曾经讲过一段话：火星是人类进行太空移民的第一选择。最有可能的情况是，当危机到来时，人类才投入全部力量到地外世界的探索和开拓中去。而其实人类移民到火星需要漫长的时间来实现。还有个哲学家讲过一句话：你要问去火星有什么意义，那么请问若干亿年前海洋生物第一次爬上陆地有什么意义？