中国：我来了！
本文经公众号“星球研究所”授权转载
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！
文昌航天发射场天问1号起飞画面，由摄影师现场传送，摄影师@陈肖）
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
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
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
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）
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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”。
Prop-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
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
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
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
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
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
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
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
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
03
火星巡游
1997年7月，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
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》
当弹跳停止，安全气囊排出气体。
图片源自@《Roving Mars》
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》
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
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
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》
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
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
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
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
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
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）
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
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
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
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
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
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
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
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》
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
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
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
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
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
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
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
【主要参考文献】
[1]耿言,周继时,李莎,付中梁,孟林智,刘建军,王海鹏.我国首次火星探测任务[J].深空探测学报, 2018,5(05):399-405
[2]李春来,刘建军,耿言,曹晋滨,张铁龙,方广有,杨建峰,舒嵘,邹永廖,林杨挺,欧阳自远.中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置[J].深空探测学报,2018,5(05):406-413.
[3]欧阳自远,肖福根.火星探测的主要科学问题[J].航天器环境工程,2011,28(03):205-217.
[4]（美）罗伯特·卓比林等著；阳曦，徐蕴云译. 赶往火星 红色星球定居计划[M]. 北京：科学出版社, 2018.06.
[5]（法）弗朗西斯·罗卡尔，（美）阿尔弗雷德·麦克伊文，（法）沙维叶·巴莱尔编著. 火星[M]. 北京：北京美术摄影出版社, 2017.05.
星球研究所
一群国家地理控，专注于探索极致世界
- THE END-
转载请超链接注明：头条资讯 » 火星：你过来啊！中国来了
免责声明
：非本网注明原创的信息，皆为程序自动获取互联网，目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责；如此页面有侵犯到您的权益，请给站长发送邮件，并提供相关证明(版权证明、身份证正反面、侵权链接)，站长将在收到邮件24小时内删除。