图解深空探测史

文/ 叶楠

火星探测（中）

火星全球勘测者号：重启火星探测

随着冷战的结束，美苏两国对火星探测的热情也急剧下降，“海盗”任务之后的十几年里都没有新的探测器飞向火星。1996年11月7日，美国的火星全球勘测者号探测器从卡纳维拉尔角发射升空，它的主要任务是收集火星表面地形、组成、重力、大气和磁场等数据，这些数据用于研究火星表面地质构造、物质分布、内部性质、磁场变化及天气气候等。1997年11月12日，“火星全球勘测者号”进入火星环绕轨道，原计划利用火星大气使飞船减速进入圆形测绘轨道，但由于其中一块太阳能电池板出现故障，直到1999年2月才最终达成这一目标。“火星全球勘测者号”借助先进的激光设备，以每秒10次的频率将激光射向火星，然后记录下激光返回探测器所需要的时间并计算出高度，据此绘制出了高精度的火星地图（上图）。

火星全球勘测者号的成果

“火星全球勘测者号”的轨道接近正圆形，高度为378公里，公转周期为117.65分钟，轨道倾角93度，基本上是垂直于火星赤道公转，选择这个轨道也是为了测绘需要。每次公转一周以后，火星表面会因为自转向西偏移28.62度，经过88次公转后，“火星全球勘测者号”会重新回到开始时的位置，但会向西偏移59公里，以确保可以探测到整个火星表面。主要测绘工作直到2001年初才完成，后续又进行了两期延续任务，直到2006年11月2日失去联系。其间，“火星全球勘测者号”还作为后续火星着陆器及火星车同地球通讯的中转站。

除了绘制火星表面高精度地图以外，“火星全球勘测者号”还有许多其他重要发现：类似地球表面液体流动造成的地形（左图），但火星表面气温和压力过低，液态水是无法存在的；火星表面貌似乳酪的地形（右图）；众多被掩埋的火山；正在发生的火星龙卷风等。

火星探路者号：首辆在火星表面行驶的火星车

美国的火星探路者号探测器于1996年12月4日发射升空，仅比“火星全球勘测者号”晚了不到一个月。该任务是继“海盗”任务20年之后，人类探测器再次登陆火星。1997年7月4日，“火星探路者号”成功在火星北半球的阿瑞斯谷着陆，其主要任务是探测和分析火星岩石和土壤。此外，“火星探路者号”开创性地使用了安全气囊着陆装置（左图）及障碍自动回避系统，这些在后续的火星车任务中都得到了继承。

“火星探路者号”的着陆器中还携带了一辆名为索杰纳号的小型火星车（右图），这是人类第一辆在火星表面行驶的火星车，它长65厘米、重11.5千克，装配有一次性电池和太阳能电池板，科研设备为X射线光谱仪和三台相机。任务设计时长为7个火星日，但实际上“索杰纳号”共工作了83个火星日，行驶距离100米。

2001火星奥德赛号：最长寿的火星探测器

美国的2001火星奥德赛号探测器于2001年4月7日发射升空，同年10月24日抵达火星，2002年1月通过火星大气减速成功进入火星环绕轨道。“2001火星奥德赛号”的名称来自于电影《2001太空漫游》，它携带的科学仪器主要包括热辐射成像仪、伽马射线光谱仪和火星环境辐射探测仪。迄今为止，“2001火星奥德赛号”已经服役超过18年，是火星探测史上最长寿的探测器。它的主要工作是对火星表面进行测绘，并寻找水与火山活动的迹象，2018年还监测到了席卷火星全球的沙尘暴，另外一项工作是为后续登陆火星的着陆器提供通讯服务。

火星快车号：欧空局首个火星探测器

“火星快车号”（左图）是欧空局的首次火星探测任务，包括火星快车号轨道飞行器和小猎犬2号着陆器。2003年6月2日，“火星快车号”从拜科努尔发射升空，同年12月25日进入火星绕转轨道，近火点298公里、远火点10107公里，轨道倾角86.3度，轨道周期7.5小时。“火星快车号”携带多种科学仪器，包括光学与红外矿物光谱仪、紫外与红外大气光谱仪、高分辨率立体相机等，发现了火星极冠的干冰和水冰、火星大气中存在甲烷、火星矿物中存在水合硫酸盐等。

还记得在上一期出现的那张“海盗1号”拍摄的火星“人脸”照片吗？当时“海盗”计划的首席科学家杰瑞·苏芬已经对此做出了解释：这是由光线和阴影造成的错觉。但公众对这张照片的关注和议论却从未停止过。直到“火星全球勘测者号”和“火星快车号”重新对这片地区进行了拍摄，并合成出清晰的立体影像（右图），可以看出，这只是火星上一座普通的山峰而已。

小猎犬2号着陆器

小猎犬2号着陆器（左图）是“火星快车号”任务的一部分，主要任务是搜寻火星生命信息，名字来自于两次跟随达尔文远航的小猎犬号帆船。2003年12月19日，“小猎犬2号”被“火星快车号”发射至飞向火星的轨道，按计划应于12月25日着陆在火星表面，但是无论是“火星快车号”还是“2001火星奥德赛号”，以及地面射电望远镜均未收到登陆成功的信号。直到2005年，一张“火星全球勘测者号”的照片公布发现了已经成功着陆的“小猎犬2号”（右图中箭头所指处），由于太阳能板未能全部打开，其下面的通信天线无法正常工作，因此无法收到任何来自于它的信息。

火星探险漫游者计划：双车探火星

火星探险漫游者是美国宇航局的2003年火星探测计划，目的是将勇气号和机遇号两辆火星车（上图）送往火星，主要科学目标有：搜寻火星岩石和土壤中水活动的踪迹、探测着陆区周边的矿物分布及成因、寻找液态水存在时期的地质学因素等。两辆火星车为六轮设计，独立驱动，动力来源为太阳能，外形尺寸2.3×1.6×1.5米，重180千克，最高速度为每秒50毫米，平均速度为每秒10毫米，携带的科学仪器有全景相机、显微成像仪、岩石研磨器（下图）、X射线光谱仪等。

勇气号火星车

勇气号火星车于2003年6月10日发射升空，2004年1月3日在火星表面成功着陆。“勇气号”的设计寿命为90个火星日，却运行了2695个火星日，远远超出预期。在这六年多的时间里，“勇气号”的太阳能电池板多次被沙尘覆盖，多次陷入松软的沙地，在右前轮失灵的情况下依旧行驶了7.73公里，发现了火星上的玄武岩以及水与岩石相互作用的痕迹，还观测了火星上的日落（上图）、火卫一“月食”、火卫二凌日和火星上的流星雨。

机遇号火星车

2003年7月7日，“机遇号”从肯尼迪航天中心发射升空，经过7个月的飞行于2004年1月25日安全降落在火星的子午高原。“机遇号”和“勇气号”的结构完全一样，设计寿命也是90个火星日，但它比“勇气号”还要顽强，一直工作了5352个火星日，直到2019年2月13日，处于休眠状态的火星车未能再被唤醒。在这漫长的15年里，“机遇号”在火星上行驶了45.16公里（左图），共传回超过20万张照片。它还发现了火星上的赤铁矿、火星上的陨石、水作用的痕迹。为纪念“机遇号”对火星探索的重大贡献，39382号小行星以“机遇号”的名字来命名。