疯狂的火星探测竞赛

从远古到今天，人类对火星的幻想从未停止，探索这片未知领域的脚步也从未放慢。科技的进步使人们的一切天文幻想成为可能，但是，推动科技进步的原因可能并不光彩。航天技术的发展就是出于战争的需要。武器装备越先进、杀伤力越强，在战场上取胜的可能性就越大。

第二次世界大战期间，战争的需要推动了技术的发展。德国V2火箭的出现，意味着现代火箭技术的突破，这也是航天运载火箭的先驱。1942年，纳粹德国发射V2火箭（导弹）进入太空，成功越过了象征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。自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。

德国战败后，盟军在德国的火箭研究基地发现，那时德国人已经在研发可以直接从德国攻击美国本土的洲际导弹，最先进的A12导弹甚至可以携带10吨的巨大战斗部进入地球轨道。

德国的技术、资料和人才成为美、苏阵营秘密抢夺的对象。在这场争夺战中，美国人毫无疑问取得了领先。他们秘密进入应该是苏联控制区的V2火箭生产基地，搬走了大量资料和成品或半成品V2火箭，还通过“回纹针”行动秘密保护了以沃纳·冯·布劳恩为代表的一大批德国火箭专家，让他们前往美国。事后证明，冯·布劳恩在人类航天历史中的地位无人能比，他是当之无愧的世界最伟大的火箭设计师。他的代表作便是大名鼎鼎的土星5号登月火箭。土星5号重量达到3000吨，近地轨道的运送能力达到140～150吨级别。土星5号让许多后来者难以望其项背，要知道，那可是在20世纪60年代。土星5号除在执行阿波罗6号任务时出了小问题外，在其余发射任务中保持了100%的成功率。

苏联人不甘落后，在美国“回纹针”行动后开始公开争夺人才。随着核武器和从V2火箭衍生的洲际导弹相继诞生，太空竞赛不期而至。1957年，斯普特尼克1号在苏联的拜科努尔发射场秘密升空。此举极大地震动了美国人，因为这意味着每隔90分钟就有一颗苏联卫星绕地球一圈。这对美国人带来的心理冲击可想而知。1958年，美国通过了《美国国家航空暨太空法案》，组建了国家航天委员会，最终建立了美国航空航天局。

美国政府将巨大资源投入航天事业当中。美国航空航天局在1967年拿到的经费占美国联邦总预算的4.5%，而如今的预算所占百分比仅有0.44%，它在那个年代的影响力可见一斑。

苏联在航天事业上的投入丝毫不亚于美国，而且在各方面都领先美国一步。苏联人发射了第一枚洲际导弹（1957年，R7导弹，由V2系列火箭改造）、第一枚航天运载火箭（1957年，由R7导弹改造）、第一个月球探测器（1959年，月球1号）。同时，苏联还拥有世界上第一位男性宇航员（1961年，尤里·加加林）和世界上第一位女性宇航员（1963年，瓦莲京娜·捷列什科娃），一时辉煌无比。

军事竞赛在继续，科学家的梦想也在继续。天文学家希望人类将航天探索的方向能够瞄向梦寐以求的火星。1960年，苏联的两个火星探测器秘密发射升空，遗憾的是，它们都没有成功离开地球。1962年，苏联又发射了三个火星探测器，又全部失败了。

这似乎开启了苏联人乃至俄罗斯人的魔咒，在随后的几十年内，他们往火星发射了20多个探测器，没有一次完全成功，最大成功仅是着陆火星十几秒而已，几乎没有收获有效数据。这与苏联探测金星的辉煌成绩相比，令人难以想象。火星探测似乎成为苏联一道无法逾越的难关。

水手4号：火星探测大幕开启

苏联开局不顺，美国同样倒霉。1964年11月，美国首个火星探测器水手3号发射，但在星箭分离阶段失败。

在这种情况下，它的姊妹探测器水手4号顶着巨大压力在11月28日发射，最终完成了人类首次探测火星的实验。探测器大约有3米高，四个太阳能帆板展开后整体宽度近7米，足以放满一所小房子。其实，这些太阳能帆板产生的电能功率有限，只有300瓦特左右，和夜晚普通居民家里房屋开灯照明的消耗量差不多。

水手4号配备了探测磁场、宇宙射线、高能粒子、太阳风、太空尘埃等方面的仪器，更像是在执行一个太阳系深空探测任务。这也符合它的定位：探测火星实际上是飞掠火星，靠近火星的时间仅占计划任务不到1%的时间。绝大部分时间，它都飞在茫茫深空中。水手4号同时配备了极其重要的相机。那时的相机不像今天的手机一般使用成熟的感光耦合元件（CCD），只能通过简单的摄像管将图像信号记录并转换为数字信号。完成飞掠火星任务后，记录的数字信息经过压缩传输，在地球上再现出来。

由于飞掠距离较远，相机的镜头设计得类似望远镜。用过望远镜的朋友可能有经验，必须把望远镜扶稳，否则一丁点儿抖动都会使画面剧烈晃动。航天器上的相机也是如此，必须保证安装在探测器底部的相机稳定对准火星，否则就会错过稍纵即逝的机会。为确保飞行姿态稳定，水手4号运用了最初的恒星敏感器。这个恒星敏感器通过锁定太阳和全天第二亮的老人星（位于船底座）的位置，来确定探测器的准确姿态。当然，如今的恒星敏感器技术已有巨大进步，目前航天器的姿态确定精度已经到了角秒级别。

1965年7月15日，水手4号在火星上空约1万千米的位置成功飞掠而过。大家不要对这个数据失望，感觉离火星很远。实际上，在航天深空探测领域，这已经是很近的距离。例如，各种地球通信卫星距离地表35786千米，更何况这个以火星为目标飞行了超过几“亿里”的探测器。对水手4号而言，这个距离足以完成既定目标。在与火星近距离接触的数小时内，水手4号拍下了22张火星照片。这些照片是人类首次拍下的其他行星的近距离照片。

水手4号拍摄的图像加在一起只覆盖了火星表面约1%的范围，但依然具有划时代意义。人类的近距离观测范围此前局限于地球，这是人类首次近距离观测其他行星。照片显示火星表面有大量撞击坑，看起来那里是一片荒漠，不太像有复杂地质运动和类似地球气候条件的样子。水手4号也没有探测到火星表面的磁场和辐射带，因为信号非常微弱。探测器探测到火星表面温度接近零下100摄氏度，几乎没有大气，这大大支持了火星不可能存在生命的观点。

遗憾的是，那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上。拍完这些照片不久，水手4号将数据发送回地球，然后滑入了深空。然而，水手4号并未从此绝迹。在随后三年中，它努力收集各种关于太阳风的数据，为人类研究太阳提供了宝贵的第一手资料。1967年12月中旬，水手4号的宇宙尘埃探测仪记录到十多次微流星的撞击，这些微流星可能是一颗彗星的碎片。在遭到近百次撞击之后，水手4号逐渐失去了姿态控制能力，通信能力也迅速下降，被迫在12月21日正式结束了任务。我们可以用“鞠躬尽瘁，死而后已”来评价它为人类的天体研究做出的伟大贡献。

水手4号在三年任务期间发回地球的数据总量只有634 KB，对今天的计算机技术而言，这仅相当于一幅压缩图片大小。现在很多人随手在聊天软件中“斗”几张图都要花掉更多的流量。从另一方面来说，这也能反衬出在当时技术水平的限制下，科学成果来之不易。

水手4号拍下的照片显示火星存在生命的可能性极低，但这没有浇灭科学家的研究热情。在科学研究的逻辑里，最宝贵的便是可证伪性。换句话说，如果某个推论不成立，该由什么样的反例来证明。如果没有生命，火星表面究竟是如何一种环境？这种环境又怎样导致火星上没有生命的结果？人类需要知晓更多的细节。人类对火星的探索仍在继续。

后续的水手6号和水手7号也在1969年顺利抵达火星，它们携带了更先进的仪器，拍摄了更多照片。遗憾的是，它们的探测进一步确认火星极其寒冷，几乎没有磁场，大气成分也主要是稀薄的二氧化碳。一句话，火星就是一个荒芜的地方，不太可能存在生命。

苏联和美国在20世纪60年代共发射了12个火星探测器，仅美国的3个探测器（水手4号、6号、7号）成功完成任务。苏联的8个火星探测器如同遭遇魔咒一般，全部失败。

不管怎样，火星探测的大门已经打开，人类渴望了解火星的心情依然存在。下一步就看谁能够真正“围观”火星，而不是与之擦肩而过。

水手9号：太阳系奇迹的见证者

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70年代发射总量的一半！1971年5月8日，美国水手8号出发。仅仅6分钟后，火箭发生技术故障，探测器坠入大西洋。水手8号的发射失败让同一窗口期的火星探测计划蒙上了一层阴影。一天之后，苏联的宇宙419号几乎因为一样的问题失败，以至于没来得及为它起个正式名字。

在这个火星探测窗口期，仅有5月30日发射的水手9号获得成功。在飞行五个半月后，水手9号成为首个环绕火星的探测器，也是人类第一个环绕其他行星的探测器。不过，当时进入环绕火星轨道的难度依然很大，水手9号仅能进入一个超大的椭圆轨道。探测器距离火星最近1600千米左右，最远超过1.6万千米。那个时代的探测器并没有足够的制动能力把轨道调整成理想的圆形轨道。

水手9号抵达火星时不尽如人意，火星表面发生了全球性的沙尘暴。火星稀薄的大气对行星的保温作用几乎可以忽略，火星不同区域的温差巨大，气压差距导致大规模的甚至全球的空气流动。由于极其干燥，而且被太阳风和宇宙射线轰击，被陨石撞击和风沙侵蚀，火星表面的土壤和沙尘非常细密。气体裹挟细沙，遮天蔽日，形成无比壮观的沙尘暴。几个月之后，这种情况稍微好转一些，水手9号才开始获取真正意义上的火星数据。所幸水手9号在那里一直工作了一年多时间，最终熬到风沙散尽的一刻。相比前辈留下的数十张照片，它拍下了7000多张火星照片，成绩惊人。由于轨道时远时近，这些照片的分辨率从1000米到100米不等。这些照片叠加起来展示的区域已经覆盖了火星表面85%。

在随后几个月宝贵的观测时间内，水手9号清晰拍下了火星上壮观的水手号峡谷。显而易见，这个峡谷就是因为水手9号的发现而被命名的。水手号峡谷长度超过了4000千米，和地球上的东非大裂谷相当。但是，因为受地质运动影响，东非大裂谷并不是连续的，所以水手号峡谷是太阳系最长、最大的连续峡谷。对于水手号峡谷的形成原因，众说纷纭。有人猜测，水手号峡谷可能是由于大量液态水或冰川流动侵袭形成的，也可能是峡谷底部整体塌陷形成的，也有说法认为是由于峡谷下面巨大的二氧化碳冰川逃逸形成的。正如地球上很多复杂地貌无法被完美解释一样，水手号峡谷的具体形成原因和时间，到现在也没有定论，毕竟我们无法穿越过去看看到底发生了什么。此外，水手9号还拍下了火星上大量河床、撞击坑、山川、峡谷等地貌特征。这些地貌与水手号峡谷的存在，意味着火星上曾经发生过大规模的地质运动。这种运动塑造了火星表面，不亚于地球表面的地质运动。

此外，水手9号还清楚拍摄了太阳系最壮观的火山——奥林帕斯山。这是一座巨大无比的高山，它的高度为21230米（以火星全球基准面为准），远远超过珠穆朗玛峰。需要说明的是，地球上的珠穆朗玛峰的高度是海拔高度。火星上没有海洋，显然不存在海拔高度这个概念，因而用全球基准面作为衡量标准。如此来比较两座高山，似乎并不“公平”。但是，无论用什么标准，奥林帕斯山的高度都远超地球上的任何一座山。此外，小行星“灶神星”上有一座“23千米高的大山”，叫雷亚西尔维亚峰。不过，灶神星太小，没有达到天体流体静力平衡（引力不足以维持自己为球形），而且自身也经过大型陨石的撞击，和行星上靠自身地质运动形成的大山不可同日而语，因而这座“山”并没有争夺第一的资格。

有意思的是，即便奥林帕斯山无比巨大，如果你身处山顶，反而没有了这种感觉。因为它的火山口宽度就超过了80千米，底部又扩大了近8倍，几乎可以盖住云南、四川和黑龙江几个大省中间的一个。这意味着，你看到的其实就是一个很长的斜坡而已，用“不识庐山真面目，只缘身在此山中”来形容恰如其分。

从拍摄的奥林帕斯山图片来看，如果有冰雪覆盖，它的斜坡一定是太阳系滑雪第一圣地。不过，太阳系内的第二、第三、第四滑雪圣地也许都在火星。在奥林帕斯山东南方还有三座大山：阿尔西亚山、帕弗尼斯山、艾斯克雷尔斯山。以全球基准面计，它们的高度都超过了14～20千米不等，且遵循类似奥林帕斯山的规律：坡度非常缓，适合滑雪。

奥林帕斯山之所以有如此高度，很大程度上是因为在形成过程中火星表面几乎没有类似地球表面的活跃的大陆板块运动。火山一直立在那里，经历数亿年岩浆喷发，不断积累到如此巨大的体量。同时，火星引力较小，山可以长得更高。近阶段的火星（注意，这个尺度是亿万年）几乎没有能够塑造地貌的冰川与河流，而且没有地震等具有强烈破坏力的灾害，使这座山能够保持如此高度。如果在地球，奥林帕斯山也许就像东非大裂谷一样被“破坏”得面部全非，地震、板块运动以及水冲和风蚀等不知道将它重塑多少次了。在同等条件下，它或许根本没有与喜马拉雅山、安第斯山和落基山等竞争的力量。

目前，这座可能持续喷发了数亿年的火山已逐渐停止了活动。从山顶的撞击坑数量和密度来看，它的活动或许已经停了数百万年，因为这些坑形成后一直没有被熔岩再次覆盖。其他几座大山也早已安静下来，可见火星内部活动的确不再活跃。

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。水手9号的轨道是独特的大椭圆轨道，火星大气的阻力几乎无法影响并使其发生改变。同样道理，中国首颗人造卫星东方红1号在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。不过，这两颗人造卫星早已经停止工作，可以把它们看作人类航天探测史的永久丰碑。

火星2号/3号/4号/5号/6号/7号：野心越大，失望越大

在1971年5月的火星探测窗口期，不仅有美国的水手8号和水手9号发射升空，苏联也不甘落后地发射了3个探测器。除失败的宇宙419号外，苏联发射的还有火星2号和火星3号。此前没有任何探测器进入环绕火星轨道，航天技术曾经保持领先的苏联刚刚在登月竞赛中落败于美国。毫无疑问，苏联会把尚未被人类完成的火星探测作为重拾信心的起点，因而对火星探测极为重视。

5月19日，苏联的火星2号顺利升空；5月28日，苏联的火星3号顺利升空；5月30日，美国的水手9号才顺利升空。水手9号落后火星2号11天，落后火星3号2天。苏联看似为争夺火星探测竞赛的胜利做了双保险！

11月14日，美国的水手9号顺利抵达火星轨道，开始正常工作，成为人类首个环绕火星的探测器。11月27日，苏联的火星2号抵达火星；12月2日，火星3号抵达火星。也就是说，比火星2号出发晚的水手9号更早到达目的地。

水手9号的领先，主要是由于在推进能力和重量方面的优势。水手9号仅重1吨左右，而火星2号和火星3号每个总重达到4.7吨。它们不仅包括一个环绕火星的轨道器，还有一个能够着陆火星的着陆器，着陆器甚至携带了一个微小的火星车。可以说，如果二者能够成功，会是人类探测火星的重大突破。可惜，二者重量过大，导致推进效率降低，而这并不是优化轨道设计能够克服的。苏联遗憾地把第一拱手让给了美国。

按照苏联的方案，在探测器抵达火星附近后，轨道器和着陆器分离。轨道器开始变轨，进入环绕火星轨道，而着陆器直奔火星去着陆。苏联的两个探测器成功实现了轨道器和着陆器的分离和变轨，轨道器成功进入环绕火星的大椭圆轨道。

不幸的是，火星3号轨道器在变轨时发生了燃料控制问题，其环绕火星的轨道距离火星最远达到惊人的21万千米，不可能正常工作。同时，火星2号轨道器也没有太大的有科学价值的发现。正如前文介绍水手9号时提到的，火星发生了沙尘暴。火星2号轨道器只能通过雷达高度计和相关大气探测设备进行研究，它的发现相比美国探测器并无亮点，最重要的用光学设备绘制火星地图的工作迟迟无法进行。火星沙尘暴依然在继续，火星2号拍摄的照片质量很差，直到1972年8月由于轨道器失效而被放弃。所以，火星2号并不算成功完成了任务。相较而言，水手9号一直坚持到火星沙尘暴散去才开始大展身手，取得巨大成果。

在着陆器方面，苏联的火星探测器更是祸不单行。先抵达的火星2号着陆器失联，在火星大气中被焚毁，残骸落在火星表面。这也算是人类首次“硬着陆”火星的探测器。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吨的着陆器终于实现了人类探测器成功软着陆火星的梦想，留下人类在火星上的第一个“足迹”。不过，极其遗憾的是，它在成功着陆十几秒钟后就与地球控制中心失去了联系。除验证火星降落技术之外，火星3号几乎没有取得任何科研成果。2006年，抵达火星的美国侦察轨道器拍到了疑似火星3号着陆器和降落伞。时隔35年，它们依然寂寞地待在火星表面。

对于探测火星屡遭挫折的苏联而言，火星3号的部分成功似乎已经足以鼓舞人心，但后来再也没有取得新的突破。

1973年的火星探测窗口期，不屈不挠的苏联开始放手一搏。在短短20天内（7月21日到8月9日），苏联连续密集发射了火星4号、火星5号、火星6号、火星7号四个探测器。这几个探测器全是3～4吨重的大家伙，火星6号和火星7号计划继续向登陆火星挑战。美国此时还未制造出任何能够在火星登陆的探测器。可以说，在技术方面，苏联的火星探测器要超出美国不少。可惜的是，苏联的四个探测器都没有圆满完成任务，唯一亮点是火星5号围绕火星工作了几周，又很快发生了故障。

一次又一次失败，大大地打击了苏联人探测火星的雄心。