Copy Reference 当我们还在仰望星空，以为火星遥不可及的时候，火星探测已经走过了50多年的历史。
图片来源：NASA官方网站
你可以拿起手机，在应用商店搜寻星空、星图、认星等关键词，选一个应用软件安装好。打开设置，把软件中的位置设置成自动定位或自己所在的城市。之后，把手机对准夜空，四处搜寻，找到火星的位置。然后，放下手机，静静地凝视。
或者如果有简易的望远镜，你还可以看到它若隐若现、或明或暗、略带一丝暗红色，那就是火星。当我们还在仰望星空，以为火星遥不可及的时候，火星探测已经走过了50多年的历史。
“索杰娜”：火星上的“探路先锋”
1960年，苏联发射了人类历史上第一个火星探测器——“火星1号”，但并不成功，接着连续5次都未能实现航天器脱离地球飞向火星。直到1965年，美国的“水手4号”首次成功飞越火星，传回了几张模糊的火星照片。
到目前为止，美国、苏联（俄罗斯）、欧洲航天局（ESA，欧空局）、日本、印度等都曾经探测过火星。在40多次火星探测任务中，既有环绕火星的轨道器进行遥感探测，也有登陆火星表面的着陆器进行定点探测，还有4辆小车在火星表面巡视勘察，其中一辆目前还在正常工作。
在各种类型的火星探测任务中，登陆火星毫无疑问是其中难度最大的，代表了当今火星探测的最高水准。俄罗斯、欧洲接连失败，成功的只有美国。如今，中国正在挑战这一纪录，“天问一号”火星探测器中有一辆中国人自主研制的火星车，计划于2021年初登陆火星。
1996年发射升空、1997年7月4日成功登陆的火星车“索杰娜”（也有人翻译为“旅居者号”），这个女性化的名字是为了纪念一位在美国南北战争期间积极反对奴隶制度、争取妇女权利的女奴索杰娜·特鲁斯（Sojourner Truth）。
“索杰娜”是一辆小型火星车，仅10.6千克，是美国火星探路者号（Mars Pathfinder）计划的一部分。登陆火星前，它与着陆器合为一体。折叠之后的车身高度只有18厘米，也就一个足球直径那么高。登陆后，展开后的火星车长65厘米、宽48厘米、高30厘米。摇臂转向架可以检测到20厘米高的岩石，如果火星车有侧翻危险，坡度感应器会发出警报。因为个子太矮，它拍摄的照片总是仰视视角，火星上的石块看起来都很奇怪，特别高大。
“索杰娜”的设计寿命只有一星期。它的上甲板铺设了一层太阳能电池，所有的能量就来源于此。它走得很慢，最快时也只有1厘米/秒，毕竟是在荒凉而陌生的星球上独自行驶。但“索杰娜”的一个重要缺陷是，它离不开着陆器的通信，只能一直围绕着陆器打转。
由于重量限制，“索杰娜”的探测设备也很简单，只在火星车后部安装了一个简易的彩色摄像头和一台能谱仪。遇到要分析的岩石时，火星车必须调转头，让车尾的能谱仪接触石块进行分析。而且，分析过程往往需耗时数小时，才能识别出岩石中的化学元素。根据这些数据，科学家可以确定岩石中的矿物成分，并回答这些石头是在什么样的环境中形成的。
作为第一代火星车，“索杰娜”虽然个子小，功能简单，走得也不远，但它却为此后更复杂、功能更强大的火星车担当起了“探路先锋”的重任。
“勇气号”和“机遇号”：表现远超预期
“勇气号”和“机遇号”是美国的一对“双胞胎”火星车，不仅外形长得一模一样，连携带的探测设备也完全相同。这对小哥儿俩分别于2003年6月10日和7月7日前后脚发射，2004年1月4日和1月25日先后登陆火星。
作为第二代火星车，“勇气号”和“机遇号”各重170千克，是“索杰娜”的16倍。而且，它们的个子也要高得多，桅杆上的单色导航相机的视场更宽广，拍到的照片让地球上的工作人员看起来就像身临其境，可以更方便地操控火星车。
车身重了，可以携带的仪器设备也就多了。作为机器人“地质学家”，“勇气号”和“机遇号”的主要目的是分析岩石的物理特性、化学成分和矿物组成。
因为沙尘暴的原因，几乎整个火星表面都覆盖了一层红色的沙尘，就像一位蒙着面纱的少女，给人以神秘的印象，如雾里看花。当年，“索杰娜”就被这层红色的细沙给蒙蔽了，它在着陆器周围分析来分析去，发现那些沙尘的成分都基本相似。“吃一堑，长一智”，为了揭开沙尘下面的火星岩石的神秘面纱，科学家专门给“勇气号”和“机遇号”配备了不锈钢刷头，以清除石块表面的灰尘。同时，还配备了一个钻头，可以在岩石上打磨出几厘米深的圆孔，然后用光谱仪分析岩石成分。
最令人惊喜的是，作为一款低成本航天器，“勇气号”和“机遇号”当初的设计寿命只有短短3个月，但是它们的表现远远超过了人们的预期。“勇气号”运行至2010年，工作了6年多，跑了7.7千米。“机遇号”一直运行至2018年，工作了整整15年（约相当于8个火星年），是设计寿命的近60倍。而且，“机遇号”还是宇宙“马拉松”比赛的冠军，它总计跑了45.16千米，超过一个全程马拉松的长度。
“好奇号”：把实验室搬到火星上
经常会有人问，为什么要做这么多次火星探测？这些任务都有什么不同？
的确，每一项火星探测任务都不相同——要么是技术的进步，要么是全新的探测目标。太阳系中值得探测的目标太多了，不允许把有限的经费投到一个没有足够创造性的项目中去。
美国的“好奇号”是第三代火星车，更重、更大，功能也更强大。“好奇号”是一位华裔小学生马天琪给它取的昵称，它真正的名字叫火星科学实验室。这个名字恰如其分地体现了它的功能和价值。它的外形大小与一辆私人轿车差不多，重约900千克，相当于“勇气号”或“机遇号”的5倍。因为太胖太重，所以不能像第二代火星车那样用安全气囊弹跳的方式登陆。
为此，“好奇号”研发了一种全新的登陆方式——空中吊车。空中吊车与“好奇号”合体进入火星大气。当离地面高度还有1600米时，空中吊车开始启动，与降落伞脱离，8台发动机点火反推进行减速。当离地面高度只有20米时，空中吊车在空中悬停，释放出一根缆绳，吊着火星车缓缓降落到火星表面。一旦感知火星车已经接触地面，空中吊车主动割断缆绳，飞到他处自杀式坠毁。这种登陆方式不仅可以把更重的设备运送到火星表面，还会使设备受到相比用气囊着陆时更缓和的冲击。
“好奇号”的设计寿命为两年，但自2012年8月登陆至今始终状态良好，是唯一仍在正常运行的火星车。虽然“好奇号”走得很慢，最快的时候也不到1厘米/秒。但经过长途跋涉，目前已经行驶了22千米。
“好奇号”上配备了9台科学仪器和一个火星环境探测包，光是相机就有3台。它的机械臂功能强大，能抓、能铲、能钻探，还能研磨、筛选，把研磨后的样品转移到测试盒，添加化学试剂，进行加热，测量光谱数据，得到显微图像。地球上普通岩矿实验室能完成的常规分析任务，“好奇号”都能独立完成，就像把一个功能完整的实验室搬到了火星上。
在第40个火星日，“好奇号”发现了一片鹅卵石。在考察过程中，“好奇号”还发现盖尔环形山内曾经的湖泊是一个淡水湖，而酸碱度为中性的淡水环境显然更适合生命的诞生。另一项与生命有关的发现是“好奇号”检测到了大气中的甲烷，虽然含量不算高，但这可能意味着生命活动的迹象，不过还需要更多的证据。
“好奇号”，这辆充满好奇的核动力“航母”仍然在执着向前，它的探索使命仍未终结。
2020年，中国来了
2020年夏天是每隔26个月一次的火星发射窗口，有多个探测器奔赴火星。美国人自然不会错过，他们计划启用另一台空中吊车，携带另一辆火星车登陆火星。在航天任务中，欧空局既跟美国合作，也跟中国和俄罗斯合作。不过，欧空局和俄罗斯宇航局3月12日突然宣布，因为新冠肺炎疫情，任务推迟两年。
2020年4月24日，第5个中国航天日之际，备受关注的中国首次火星探测任务名称、任务标识正式公布。中国行星探测工程被命名为“天问（Tianwen）”系列，首次火星探测任务命名为“天问一号”，后续行星探测任务依次编号。“天问”这一名称源于2300多年前爱国诗人屈原写的长诗，表达了中华民族追求真理，探索宇宙的文化传承。
“天问一号”是中国继探月工程之后首次开启行星探测的大幕，踏出自主探测火星的第一步。中国是火星探测的后来者，但后来不代表落后，在汉语中还有后起之秀、后来居上的成语典故。
在首次火星探测中，中国科学家和航天工程师既要慎之又慎、确保任务成功，又要有创新和突破，回应公众对科技进步的期待。根据计划，我国首次火星探测任务将综合采用环绕、着陆、巡视探测3种方式。既有轨道器环绕火星，又有着陆器登陆火星，还有火星车巡视火星表面。在其他国家要通过2~3次任务才能实现的目标，我们要一次实现。这种组合探测的技术更复杂、任务难度更大。
火星探测器的发射窗口于2020年7月下旬开启，各国“探火计划”和火星探测器都已整装待发。7月23日，中国首次火星探测任务“天问一号”探测器就由长征五号遥四运载火箭发射升空。由于火箭的推力有限，为了节省能量，航天器从地球到火星要沿着抛物线的霍曼转移轨道才最省燃料，这就要求火星恰好处于地球前方一定角度的相对位置。因此，每隔26个月才有一个发射机遇期，每次有一个月左右的时间，这就是“发射窗口”。一旦错过，就只能再等26个月到2022年再发射了。
航天是一个系统工程，涉及数百家甚至上千家单位，但发射的时间却没办法推迟，这就给工程的组织、实施、协调带来了难度。
除此之外，遥远的距离也要想办法克服。地球到月球的平均距离为38万公里，但地球和火星之间的距离最远达到4亿公里，无线电波以光速传播仅单程就需要将近23分钟。从地面上发一个指令给“天问一号”，它要在23分钟之后才能执行。地球上的工程师收到指令的执行结果则是将近一个小时之后的事情了。这就给航天器和火星车的测量控制带来了困难。
经过半年多的飞行，“天问一号”计划于2021年初抵达火星，然后择机释放着（陆）巡（视）组合体进入火星大气层，实现登陆火星。中国火星车搭载了多台科学仪器，探测着陆区的流水地貌、火山地貌、风蚀地貌、撞击坑地貌，分析表面物质的成分，并测量气象参数，探测地下结构。相机是每一辆火星车必备的，目的是对着陆区进行拍照。由于行驶速度较慢，所以目的地的选择十分慎重。火星车将从几十米开外，发射一束激光打到岩石表面，通过测量挥发物的光谱，分析岩石的成分，从中发现有价值的探测目标，然后才会前往探测。
这个源自中国的探测器，承载了中国人对红色星球的梦想，它将让中国人从火星探测看台上的观众，成为航天竞技场上的一位选手。那么，中国的“天问一号”在哪里着陆呢？我们等待着。
7月23日，海南文昌，中国首次火星探测任务“天问一号”探测器由长征五号遥四运载火箭发射升空。众多市民和游客在发射场附近的淇水湾海滩观看发射过程。
作者为中国科学院国家天文台研究员，卡尔萨根奖获得者
责任编辑：何晶