11.3 火星探测
火星是地球公转轨道外最靠近地球的行星，它的自然条件不像金星那么恶劣，自然成为行星探测的重点。苏联及后来的俄罗斯实施过不少火星计划，发射过不少火星探测器，用于火星探测、飞越、着陆和环绕飞行任务。虽然这些任务获得过一些人类第一的好成绩，但是大部分都失败了，或只获得部分成功。而美国在火星探测方面，虽然也有失败，但成功率远高于苏联，远走在苏联/俄罗斯的前面。
美国于1964年11月5日和28日分别向火星发射了“水手”3和4号探测器，用于飞越火星。3号整流罩抛弃失败。“水手”4号于1965年7月14日飞经火星，并送回宝贵的火星照片和测量数据。探测表明火星的大气比想象的要稀薄，表面像月球。
“水手”6号和7号分别发射于1969年2月25日和3月27日。它们飞越了火星的赤道和南半球。6号和7号确认了3号和4号的成果。
“水手”8号和9号用于火星表面测绘，“水手”8号发射于1971年5月8日，由于运载火箭发射问题而丢失。“水手”9号发射于1971年5月30日，于1971年11月进入火星轨道，成为火星的第一个人造卫星，开始测绘火星表面和分析它的大气成分。“水手”9号近距离拍摄了火星的2个小月亮火卫一和火卫二。
1975年8月20日美国发射了“海盗”1号探测器，9月9日发射了“海盗”2号探测器，它们的主要目的是探测火星上是否有过生命。“海盗”1号和2号探测器实际上是“水手”9号的放大型，轨道器是一个八面体，宽2.5米，总发射质量2，328公斤，其中1，445公斤是推进剂和状态控制气体。“海盗”探测器包括两部分，一个轨道器和一个登陆器，轨道器用于从空中拍摄火星表面，登陆器用于登陆后的通信中继站和实地考察火星，“海盗”1号拍摄了首张火星图片。“海盗”1号和“海盗”2号工作了数年，没有发现生命迹象。
1992年9月25日，美国发射了“火星观察员”轨道器，用于研究火星表面、大气、气候和磁场，1993年8月21日，入轨前3天，失去通信联系。
“火星环球测量者”于1996年11月7日发射。用于绘制整个火星表面。2001年1月完成它的主要任务，2006年11月在执行第3次扩展任务时，由于电池问题，飞行器失去反应能力。3天后测到一个微弱信号，表明飞行器已经进入安全模式，所有与它的联系和解决办法都没有作用。2007年1月，NASA正式宣布任务结束。
“火星探路者”发射于1996年12月4日。7个月后，于1997年7月4日登陆火星。这是历史上第3次在火星表面软着陆。本次任务是分析火星大气、气候、地质和其岩石及土壤的组成。
探测器登陆火星2天后，一辆6轮火星车“索杰纳”号从探测器沿斜坡下到火星表面。它是人类第一部火星车。车长63厘米，宽48厘米，高28厘米，质量10.5公斤。“索杰纳”号火星车把信息传输到“火星探路者”，“火星探路者”再把信息转播到地球。“索杰纳”号火星车由地球上的科学家控制。由于无线电信号从地球到火星要10分钟，科学家无法实时控制火星车。为了躲避路障，“索杰纳”号使用了一些自动设备。
图11-7 “索杰纳”火星车在火星上
“火星探路者”任务由喷气推进实验室负责，是1976年“海盗”探测器在火星上着陆后的最重要任务。20世纪70年代苏联曾经成功地输送巡视车到月球，但是2次火星巡视车都失败了。
“火星气象轨道器”发射于1998年12月11日，任务是研究火星气象和寻找气候变化证据，并且作为火星极地登陆器的通信中继站。
“火星气象轨道器”本来打算进入140.5–150公里高空火星轨道，但是导航错误导致飞行器进入57公里高度火星轨道，被大气所毁。导航错误是因为NASA和洛克希德公司间使用的单位制不一引起的。
“火星极地登陆器”发射于1999年1月3日，用于研究火星南极地区土壤和气候，1999年12月3日，下降快完成时失去与地球通信，可能是登陆器触地前发动机过早关机，引起登陆器高速撞击火星。“火星极地登陆器”携带2个一样的小撞击器“深空”2A和“深空”2B。撞击器和极地登陆器分离后，不用减速伞，直接冲向火星表面，进行首次火星表面穿透试验。可是随着下降，通信中断，任务于2000年3月13日宣布失败。
2001年4月7日，美国向火星发射了“2001火星奥德赛”轨道器，10月24日到达火星轨道，利用“气杀”技术减速，让它被火星捕获，进入火星轨道。用火星的大气减速，可节省200多公斤推进剂。2002年2月19日轨道器开始科学测绘任务，利用光谱仪和电子成像仪寻找火星上水和火山活动的痕迹。希望轨道器提供的数据有助于回答火星上是否曾经有过生命。“2001火星奥德赛”还用于2003年的“勇气”号和“机遇”号两个火星车和2007年发射的“凤凰”号火星登陆器的通信中继站。
“火星探测漫游器”包括“勇气”号和“机遇”号一对火星车，分别发射于2003年6月10日和7月7日，于2004年1月4日和25日在火星表面软着陆，用于地表和地质考察。通过研究岩石和土壤看火星上水的活动痕迹。考察证实火星上曾经拥有大量水资源。
图11-8 ”勇气”号和”机遇”号火星车
“勇气”号和“机遇”号六轮，长1.5米，宽1.6米，高2.3米，重180公斤，总质量为1，063公斤，最大速度为5厘米/秒。火星车是太阳能机器人。摇臂转向架系统上的六个轮子使得在崎岖的地形上能够移动。每个车轮都有自己的电机。车辆前后转向，设计为可以在高达30度的倾斜下安全运行。
2007年7月，火星沙尘暴阻挡了火星车阳光，威胁到太阳板获取能量，引起技术人员担心其中一部或两部火星车会永久损害。但是沙尘暴结束，它们又恢复了工作。2009年5月1日，“勇气”号卡在火星软土中，经过近9个月的努力，“勇气”号重新工作。直到2010年3月22日和“勇气”号的通信才中断。
“机遇”号的情况比较顺利，它现在仍然在火星表面工作。2011年8月份，经过差不多3年的跋涉，这辆饱经风霜的火星车终于抵达了它梦想中的目的地：直径约22公里的奋进号陨石坑。“机遇”号还发现地质学家认为液态水曾经流淌在火星表面的最好线索。(https://www.daowen.com)
“火星侦察轨道器”的主要目的是将一枚侦察卫星送往火星，从火星轨道高分辨率对火星进行详细探测。该轨道器发射于2005年8月12日。2006年3月10日到达火星。2006年11月进入科研轨道，开始科学研究。监测每天的天气和表面条件，研究可能的着陆点，为未来任务创造条件。“火星勘测轨道器”将作为未来任务的高效中继卫星。
“火星侦察轨道器”的高分辨率成像科学实验设备于2004年1月份拍摄到“勇气”号火星车的出发平台。此前还拍摄到工作中的“勇气”号火星车的身影。2012年1月26日又拍摄到降落于火星北极地区的“凤凰”号着陆器。
“凤凰”号火星极地登陆器发射于2007年8月4日，2008年5月25日登陆火星。该项目的主要目的是探测火星的北极地区环境，研究火星上的微生物生命的可能环境和水的历史。
图11-9 “凤凰”号火星登陆器
“凤凰”号火星登陆器项目由亚利桑那大学的月球和行星实验室领导。项目由美国、加拿大、瑞士、丹麦、德国和英国的大学，以及美国航空航天局、加拿大航天局、芬兰气象研究所和其他单位共同进行。是NASA历史上首次由公立大学领导的火星任务。
由于冬天来临，“凤凰”号火星登陆器太阳电力下降，2008年11月2日凭借可用的电力，和地球进行了一次简短通信。此后，工程师们无法再次和它联系，2008年11月10日宣布任务结束。
2010年5月12日喷气推进实验室宣布“凤凰”号火星登陆器、“勇气”号和“机遇”号火星项目获得成功，因为它们都完成了计划的所有试验和观擦任务。
“火星科学实验室”（又称“好奇”号火星车）于2011年11月26日升空，穿越5亿6千万公里太空，于2012年8月6日登陆火星，它是美国第7次实现火星着陆。“好奇”号是第三代火星车。美国第一代火星车是“索杰纳号”，第二代的火星车是“勇气”号和“机遇”号。“好奇”号总投资达25亿美元，装有17部摄像机和多台光谱仪等。它比以前的火星车都大，如同一辆小型轿车，每天可以移动200米。“好奇”号将研究火星的地质、气候、辐射水平。“好奇”号预计工作两个地球年（相当一个火星年）。“好奇”号火星车的电力来自“放射性同位素热发电机”，利用钸238在自然衰变的过程中释放出来的热，再转换成电。“好奇”号上的“放射性同位素热发电机”模块在任务初期可以提供约125瓦的输出，这个数字会随着燃料的衰变而逐年降低，但14年后还有100瓦。“好奇”号任务期间的每日总发电量大约在2.5度，比“勇气”号和“机遇”号的0.6度高4倍多。
早期火星登陆器均包裹在气囊内“砸”在火星表面。这种着陆方式对“勇气”号和“机遇”号等个头较小、重量较轻的探测器来说还行得通，但是“好奇”号重近1吨，是“勇气”号和“机遇”号的5倍多，老方法已不适用；而传统的火箭反推着陆法因为担心扬起的粉尘会损坏仪器。因此科学家不得不重新为“好奇”号设计一种复杂的新着陆方式。
火星大气层比较稀薄，如果没有外力相助，单靠火星大气的阻力最多只能使“好奇”号时速由约2万公里降至约1600公里。选择可以制动降落的“天空起重机”可以解决降速问题，这要经历切入、下降和着陆三个过程才能安全着陆在火星表面。
切入：“好奇”号进入火星大气层的切入点距着陆点高度约为131公里，切入时速度约为每秒5.9公里。进入火星大气层之前，飞行器隔热罩上安装的小型发动机点火，调整飞行器姿态，将隔热罩正对前方。
下降：切入大气层后，飞行器将通过抛掉两块钨质载荷的方式错开原有重心位置，帮助飞行器与火星大气层发生剧烈摩擦时获得升力。降落伞打开之前，隔热罩再次抛掉一组物质负荷，为降落伞顺利打开做好准备。降落伞在飞船距火星表面约11公里时启动，名为“天空起重机”的助降设备及“好奇”号降速后，逐步与隔热罩、降落伞分离，“天空起重机”上安装的8台反冲推进发动机同时启动，进入有动力的缓慢下降阶段。
图11-10 “天空起重机”和“好奇”号组合体
着陆：当反冲推进发动机将“天空起重机”和“好奇”号组合体的速度降至大约每秒0.75米后，几根缆绳伸出，将“好奇”号从“天空起重机”中吊出，悬挂在下方。此时，“天空起重机”和“好奇”号组合体距火星表面已经很近。随着组合体的进一步下降，缆绳不断被拉长，“好奇”号火星车的轮子和抗震系统在触地时立刻启动，缆绳会被立即自动切断，“天空起重机”随后在距离“好奇”号一定安全距离范围内着陆。
“好奇号”2012年8月成功登陆火星表面，是世界上第一辆采用核动力驱动的火星车。“好奇号”火星车用于研究火星土壤及岩石，解读火星气候地标环境的演变历史，探寻火星上的生命元素。
2016年1月30日，NASA公布了“好奇号”火星车于1月19日传回的一张自拍照。在照片中，“好奇号”身处沙丘，边缘还有裸露的岩层。
至今，火星探险已经花费了大量资金。为了利用集体力量、资源和知识，继续火星探险，2009年10月NASA和欧空局签订“火星联合初步探测协议”，计划2018年联合进行火星采样。
图11-11 “好奇号”火星车