火星探测简史 | 追求“更快、更好、更便宜”，90年代美国只达到30%的成功率

1992年9月25日，美国利用大力神Ⅲ运载火箭发射了火星观测者号（Mars Observer）探测器，开始了新时期美国火星探索新计划三部曲中的第一步。

然而，火星观测者在没有达到火星之前就不幸丢失了。

Mars Observer

火星全球勘察者号探测器

1996年11月7日，美国用德尔它Ⅱ号运载火箭发射了火星全球勘察者号（Mars Global Surveyor）探测器。

火星全球勘察者是宇航局新一轮火星探测器计划中的第二个航天器，也是最新一代探测器。

火星全球勘察者

1999年3月9日，火星全球勘察者测绘任务正式开始。

该轨道与太阳同步，确保其所有图像虽在不同时间拍摄，但光照条件相同，以使图像具有相同的表面特征。

在运行期间，它开始发回令人印象深刻的数据和火星表面的高分辨率图像。

探测器追踪了尘暴的演变过程，收集了火星地形的信息，发现了令人信服的证据，表明火星表面或浅表下存在液态水。宇航局在2000年6月22日首次将这一发现向外界正式宣布。

MGS火星照片

在执行任务期间，火星全球勘测者还利用激光高度计所获数据，制作了第一批火星北极的三维剖面图。

MGS火星北极照片

火星全球勘察者号任务研究了整个火星表面、大气层和土壤内部。

它携带的广角相机系统（称为火星轨道相机）最令人兴奋的观测发现是：这颗红色星球有非常规律天气模式，它的天气状态在一定时间可重复发生。

相机每天工作时，都会收集图像，用于构建每日火星全球气象地图。这些地图提供了火星气象条件变化的记录。

该探测器通过观测发现，前一年某种天气模式包括一些尘暴，会在今年同一时间的一两周内在同一地点重复出现。

此外还发现，当地的扰动和尘暴可能在春季第一天之后的任何时候开始，并持续到火星秋季。

MGS拍摄的火星尘暴照片

火星全球勘测者号拍摄的一系列高分辨率图像，记录了沟壑和泥石流，表明火星表面或浅表曾出现类似含水层的液态水源。

磁强计读数显示，火星没有全球磁场，但在地壳的特定区域有局部磁场。

火星的卫星火卫一的温度数据和特写照片可确定这颗火星卫星上覆盖着一层粉末状物质——数百万年流星体撞击产生的粉末状物质，它至少有1米厚。

MGS拍摄的火卫一

通过对火星进行数年的轨道观测研究，火星全球勘测者观测到了沟壑的形成、新的巨石轨迹、最近形成的撞击坑以及南极帽内二氧化碳冰的减少。

探测器上激光高度计的数据让科学家们首次看到了火星北极冰盖的三维视图；雷达波在火星大气的折射变化使科学家们能够建立火星大气垂直剖面的温度和压力变化。

由于重力引起的探测器加速使科学家们对火星内部有了更好的了解。这些发现表明，火星是一个动态的行星，其表面记录了季节性和长期变化的历史。

2006年期间，火星全球勘察者轨道相机对火星天气进行了详细观测。所提供的数据将将用于指导宇航员未来火星着陆器空气制动方案的制定。

MGS高分辨率照片

详细的图像数据显示是否存在尘暴，以及尘暴引发的沙尘是否会改变轨道器或着陆器经过处的大气层密度。

MGS高分辨率照片

这一信息对未来探测器的运行以及进入、下降和着陆至关重要。该探测器获得的高分辨率图像还将用于选择和确认凤凰号和火星科学实验室任务的着陆地点。

MGS重新拍摄的火星人脸照片

火星全球勘察者的主要任务到2001年2月1日结束，到此时已经发回了8.3万张火星图像，超过了以往所有火星任务的总和。

MGS拍摄的机遇号着陆器

此外，激光高度计通过在地表发射大约5000亿个脉冲，基本上绘制了火星上几乎所有地区的地图，提供了比地球上许多地方更详细的火星地形数据。

MGS拍摄的火星

2001年2月1日，火星全球勘察者号的任务延长了一年；2002年2月1日又延长了11个月。

在21世纪初，该探测器通过提供火星大气数据或将遥测数据传回地球，为其他火星任务提供了支持，包括火星奥德赛（2001年）和火星探测漫游者（2004年）。

2004年至2006年间，它与欧洲火星快车同时进行了实验。

2006年10月1日，飞行任务规划人员根据一个高级审查委员会的建议，再次将飞行任务再延长两年，但仅一个月后，即11月2日，火星全球勘察者号在试图确定太阳能电池板方向时与地球失去联系。

这个问题可能与系统软件的缺陷有关。虽然三天后又收到微弱信号，但2006年11月21日美国宇航局宣布火星全球勘察者号的探测任务已经结束。

MGS拍摄的火星表面

火星全球勘探者号在火星轨道上总共工作了9年，被认为是极其成功的火星探测器。

它的任务是拍摄火星全球地表的高分辨率图像，探究火星的气候和磁场，帮助科学家们更深入地了解火星上的水和沙尘。

通过火星全球勘探者号发回的高清图像，科学家们发现火星上存在着沟壑与泥石流，甚至从图像对比中发现了看起来像是由水流冲刷而成的新沟壑。

MGS拍摄火星高分辨率照片

科学家们由此猜测，火星表面可能不仅曾经存在过液态水，现在还有可能存在液态水。

MGS拍摄的火星极地冰盖照片

火星探路者号探测器

20世纪90年代美国火星探测高潮的重头戏是首次向火星发射着陆巡视器，也称漫游车或火星车（Rover，为统一起见，以后统称漫游车）。

1996年12月4日，美国用德尔它Ⅱ号火箭发射了火星探路者号（Mars Pathfinder）探测器。

火星探路者发射

它仅重890千克，由三大部分组成：巡航级、着陆器和一台小型火星漫游车。

宇航局火星探路者的研制，仍将遵循“更快、更好、更便宜”的指导思想，同时探索使用新技术，包括火星漫游车、气囊着陆等。

该计划的研制周期为3年，成本为1.5亿美元，其中索杰纳漫游车成本为2500万美元。

为降低成本，它的许多设计包括防热外壳、超音速降低伞等广泛借鉴了海盗号探测器的成果。

运载火箭整流罩内的火星探路者

漫游车名叫索杰纳（Sojourner），为六轮驱动的摇杆转向架设计，长65厘米，宽48厘米，高30厘米，总质量约为10.5千克（包括有效载荷），安装在着陆器上的辅助设备额外增加了5.5千克质量。

索杰纳号漫游车示意图

摇杆转向架底盘设计使其具有很好的机动性，包括爬上全轮径高度障碍物的能力和原地转弯的能力。

漫游车通过超高频天线链路通过着陆器进行通信，可在着陆器摄像机的视野内或在着陆器几十米范围内运行。

索杰纳号可以以0.4米/分钟的速度移动，能承载1.5千克的有效载荷。

索杰纳进行地面试验

漫游车将进行多项技术试验，用于为未来大型火星漫游车设计提供经验。

这些试验包括：利用着陆器/漫游车图像重建本地几何地形；通过成像轮轨和车轮下沉研究土壤力学；航位推算、路径重建和视觉传感器性能试验；车辆性能试验；漫游车热特性测量；超高频链路有效性测试；漫游车车轮上材料磨损测试；太阳能电池板灰尘积聚和灰尘质量测量等。

索杰纳漫游车

索杰纳漫游车任务设计寿命为7 个火星日，但实际上它在火星上工作了83 个火星日，行驶距离100米。

索杰纳号漫游车在火星上

1997年7月4日，火星探路者探测器到达火星，开始了新一轮火星探测工作。这一天刚好是美国独立纪念日。

它的降落地点是火星阿瑞斯谷，地理位置是北纬10.4度，西经25.8度，这是一个似乎被古代水流侵蚀的大山谷。

第二天，索杰纳号从着陆器出口滑出，慢慢行驶接近一些岩石，科学家们把这些岩石分别以著名卡通形象命名。它还测量了这些岩石和火星土壤中的元素，而着陆器除了进行气候观测外，还拍摄了漫游车和周围地形的照片。

着陆器

7月7日，美国宇航局公布了它的一个重大发现：火星表面曾经有大规模的洪水。

火星漫游车在探测器着陆点周围行驶，进行了大量科学探测，对火星环境、岩石和土壤进行了前所未有的考察和研究，获得了具有重要意义的新发现。

第三个火星日在对一块岩石进行分析时，用α粒子X射线光谱仪测定其成分，光谱仪用10小时对样品进行全扫描。它发现了里面含有许多种常见的元素，但氢元素的含量却很少，仅占岩石质量的0.1%。

利用APXS对另一块岩石进行分析表明，它是一种玄武质岩石，历史更加古老。其形状和质地表明它可能是被洪水沉积在那里的。

在一块名为莫尔的岩石上，发现其表面有一定的痕迹，表明是由风蚀造成。分析过的大多数岩石显示硅含量很高。

索杰纳漫游车对岩石进行化学成份分析

在另一个区域，漫游者遇到了一小片月牙形沙丘，类似于地球上的新月形沙丘。

火星探路者由于是火星探测中第一个到达火星的可移动着陆器而倍受宇航界和天文学界广泛关注，也是新闻报道的热门话题，在公众中也产生了极大影响。

索杰纳漫游车的行驶速度较低，最高时速约每秒1厘米。在整个任务时间，它总共行驶了约100米，主要是围绕着陆器周边行进，离着陆器最远距离不超过12米。

在83次作业期间，它向地球发送了550张照片，并分析了陆地上16个地点的化学性质。

它通过仪器分析发现了许多矿物质，包括在斜方辉石（镁铁硅酸盐）、长石（钾、钠和钙的铝硅酸盐）和石英（二氧化硅），以及少量的磁铁矿、钛铁矿、硫化铁和磷酸钙等。

着陆器以火星表面大气、温度、风速的观测为主，进行850万次测量，同时也拍摄了照片。

着陆器拍摄的日出照片

截止任务结束，它共传回16500张照片，索杰纳漫游车还多次拍摄太阳照片。根据不同时间拍摄的太阳照片，科学家们确定粉红色尘埃中粒子的半径大小约为一微米。

一些土壤的颜色类似于氧化铁的颜色，这一发现支持了以往认为火星大气过去气候更暖和湿润的理论。

火星日出

着陆器携带的一组磁铁来检查尘埃的磁性成分。最终发现，除了一块磁铁外，所有的磁铁都吸满了一层灰尘。

由此可以得出结论，大气中的尘埃不含纯磁性物质或只有一种类型的磁性物质。这些尘埃可能是一种与氧化铁胶结在一起的聚集体。

虽然探路者着陆器和索杰纳漫游车的计划寿命分别为1个月和1周，但实际工作寿命分别超过3倍和12倍。

与探路者的最后联系是1997年9月27日上午10时23分。

尽管喷气推进实验室试图在其后五个月内重新建立联系，但计划负责人认为该计划已经取得了高度的成功，因此于1998年3月10日正式宣布项目结束。

火星探路者全景照片

为纪念已故著名天文学家、行星学家和科普专家卡尔·萨根，美国宇航局将火星探路者改为为萨根纪念站。

2003年，索杰纳漫游车被引入无人探测器博物馆。2006年12月21日，宇航局火星侦察轨道器的高清相机拍摄到爱瑞斯谷,它是火星探路者的着陆地，是原始海洋潮汐现象促成河流中沙土等物质不断沉积下来的峡谷。

MRO拍摄的探路者各部件

火星探路者携带的索杰纳号是人类送往火星的第一台漫游车。索杰纳号的气囊辅助着陆技术也为后来的漫游车研发奠定了基础。

索杰纳号对着陆地（一个由古代洪水冲刷形成的488 平方米的小岛）做了详尽的观测后，传回的照片展示了一片很可能是被水流冲击过的圆形岩石区域。

科学家们由此推测火星的山谷平原可能暴发过多次洪水，当时洪水可能有数百千米宽，水流量约为每秒100万立方米。

虽然在火星上寻找智慧生命的希望非常渺茫，但这些发现却从侧面证明火星地表过去可能也拥有温暖湿润、适合生命生存的环境。

这个发现也是后来火星探测计划中寻找低级生命迹象的主要动力。

火星上的日出

宇航局总结了火星探路者的六大发现：

1、着陆点的圆形卵石和鹅卵石以及其他观察结果表明，砾岩是在过去较温暖的时期在流水中形成的，当时液态水是稳定的。

2、对火星探路者提供的对着陆器位置和火星旋转极的精确测量结果表明，火星中心金属核的半径大于1300千米，但小于约2000千米。

3、火星空气中的尘埃是磁性的，其特征表明磁性矿物是磁赤铁矿，它可能是作为污染物冻干在尘埃上的。过去活跃的水循环可能已经从地壳物质中滤出了铁。

4、火星尘暴经常被着陆器温度、风和压力传感器观测到。观测结果表明，火星上的阵风可将磁性物质混合到尘埃之中。

5、在低层大气中可以看到清晨的水冰云。

6、早晨记录到了突然的温度波动，这表明火星表面使大气变暖，热量以小漩涡的形式向上对流。

总结

20世纪最后几年，美国又发射了3个基于“更快、更好、更便宜”思路研制的火星探测器，不幸均以失败告终。

其中，火星极地着陆器的失败，使宇航局的火星探测计划不得不重新规划，也标志着宇航局理想的“更快、更好、更便宜”的低成本、高收益性火星探测任务的结束。

2008年凤凰号着陆器抵达火星，完成了火星极地着陆器的大部分原定任务。

无论如何，20世纪90年代美国发射的多个探测器，真正取得激动人心成果的主要是火星全球勘察者号和火星探路者号。 其他4个探测器均以失败而告终，成功率不大。

这种状况在21世纪NASA启动新的火星探测计划后才得到极大改观， 下周继续为大家分享近代美国火星探测的动态，敬请关注。

本文图片主要引自美国国家航天局网站

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作者简介：李成智，北京航空航天大学人文社会科学高等研究院教授、博士生导师。

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