持续25年的机器人火星探测——从探路者到毅力

火星探测的前三十年（1965年至1996年）包括定期对这颗红色星球的探测，这取决于每26个月是否有合适的发射窗口。最初的几艘航天器在快速飞越行星的几个小时内完成了观测，随后轨道飞行器进行了数月的观测，最终实现了着陆器持续六年的最长连续观测。1997年7月4日，一个持续的机器人科学探测火星的新时代开始了，至少有一艘航天器一直在火星表面或轨道上运行。今天，一个由13艘航天器组成的国际阵列——一个固定着陆器、八个轨道飞行器、三个漫游者和一架直升机——不断增加我们对这颗红色星球的了解。

过去25年连续机器人火星探测器的总结。

火星探测的第一阶段记录的失败多于成功。在1960年至1996年间的26次尝试中，只有12次获得了部分或全部成功。1960年至1969年间，苏联曾试图向火星发射八艘宇宙飞船。只有两个火星1号和2号区域进入了行星际空间，控制人员早在到达火星之前就与这两个区域失去了联系。1965年7月14日，第一次成功的火星任务“水手4号”返回了22张黑白图像，显示了一个坑坑洼洼的类似月球的地形，这似乎粉碎了人们对一个可能宜居的世界的希望，这让许多科学家感到惊讶。水手4号有一对不太为人所知的双胞胎，水手3号，由于有效载荷护罩故障，导致其太阳能电池板无法部署，失去了成为第一艘探索火星的航天器的机会。这一失败，加上苏联一系列火星探测器的失败，导致位于加利福尼亚州帕萨迪纳的美国国家航空航天局喷气推进实验室的工程师约翰•R•卡萨尼开玩笑地提出了大银河食尸鬼的想法，这是一个神话般的太空怪物，在前往这颗红色星球的途中捕食毫无戒心的航天器。1969年，当水手7号接近地球进行飞越时，地面控制人员突然与它失去了联系。起初，他们开玩笑地担心会有食尸鬼袭击，但飞船恢复了通信，并与双胞胎水手6号一起成功完成了任务。

左图：水手4号在1965年7月飞越火星时返回的最高分辨率图像。中：苏联的火星1号宇宙飞船在前往火星的途中陷入沉默。右图：大银河食尸鬼的奇特插图。

左图：水手7号，大银河食尸鬼的受害者。中：根据1972年水手9号轨道飞行器返回的图像绘制的火星全球地图。右图：1976年7月，维京1号着陆器发射的第一张火星表面彩色图像。

20世纪70年代对苏联有点友善。他们的七次任务中有六次通过一系列的飞越、轨道飞行器和着陆器取得了部分成功。1971年，美国派遣两艘轨道飞行器详细绘制地球表面地图的计划遭遇挫折，因为第一艘“水手8号”发射失败。但它的双胞胎“水手9号”于11月13日成为第一艘绕另一颗行星运行的航天器。它一直运行到1972年10月，绘制了地球85%的地图，分辨率足以让科学家为1976年夏天抵达火星的下两艘航天器维京1号和2号选择着陆点。每艘维京飞船都由一个轨道器和一个着陆器组成，后者配备了复杂的仪器来测试火星土壤中的生命迹象。虽然这些实验的结果仍然没有定论，但所有维京飞船都远远超过了它们的使用寿命，首次在火星表面进行了详细的调查。

左图：火卫一2号在绕火星轨道运行的插图。中：火卫一2号于1989年返回的最后一张火卫一图像。

在最后一艘维京人号停止工作后（维京1号着陆器，1982年11月11日），火星探测中断了六年。当尝试重新开始时，大银河食尸鬼让人感觉到了它的存在。1988年7月，苏联发射了一对名为火卫一和火卫二的航天器，绕火星运行，并在火星较大的卫星火卫一上部署着陆器和料斗。9月2日，地面控制人员在前往火星的途中与火卫一号失去了联系，原因是向航天器发出了错误的命令。火卫一2号于1989年1月29日成功进入火星轨道，并返回了37张火卫一的详细图像，绘制了80%的月球地图。在着陆器和漏斗部署前不久，火卫一2号上的主计算机出现故障，任务于3月27日提前结束。1992年，美国国家航空航天局发射了火星观察者号轨道飞行器，这是该机构自维京号宇宙飞船以来的首次火星任务。1993年8月24日，在计划中的轨道插入燃烧前三天，控制器与航天器失去了联系。工程师们认为，一个有故障的阀门导致了燃料和氧化剂蒸汽的积聚，当航天器的发动机点火进行航向修正时，这些蒸汽发生了爆炸。火星96号于1996年11月16日发射，是俄罗斯在20世纪90年代唯一一次尝试到达火星。这艘雄心勃勃的研究火星大气层、表面和内部的航天器由一个轨道飞行器、两个小型着陆器和两个表面穿透器组成。火箭上一级未能重新点火，使航天器进入近地轨道，不久后重新进入地球大气层。

左图：1997年，Sojourner火星车在从火星探路者号部署之前，带着放气的安全气囊。右图：火星全球勘测者的插图。

1997年7月4日，火星探路者号安全气囊辅助软着陆，21年来首次火星着陆，开启了火星持续探测的新时代。从那天起，至少有一艘航天器从火星表面或轨道对火星进行了研究。在过去25年的大部分时间里，多个航天器进行了协调研究，以极大地提高我们对这颗红色星球的了解。探路者号被设计为一项技术演示任务，部署了23磅重的Sojourner火星车，这是第一辆在这颗红色星球上运行的轮式车辆。在行星计划中，公众首次可以通过一种名为互联网的新媒体实时访问数据，尤其是来自火星的图像。探路者号于1997年9月27日停止运行，但当时火星全球勘测者号（MGS）已经抵达，于9月12日进入绕火星的椭圆轨道。它在轨道上运行了九年多，执行了主要的测绘任务，返回了240000多张火星图像，并在2004年1月勇气号和机遇号火星车抵达火星表面后为其提供支持。

左图：日本Nozomi宇宙飞船在绕火星轨道上出现时的插图。

大银河食尸鬼在1999年举行了另一次盛宴，希望是最后一次。日本的Nozomi宇宙飞船计划于1999年10月进入火星轨道，研究火星的大气层。在任务早期过度使用燃料使其没有足够的推进剂进入正确的轨道。它于2003年12月14日从火星上飞过。美国国家航空航天局的下一次到达火星的尝试包括火星气候轨道飞行器（MCO）详细研究火星大气层，以及火星极地着陆器，该着陆器旨在寻找火星南极地区的水冰。1999年9月23日，当轨道飞行器经过火星后方进行轨道插入机动时，控制人员比预期提前49秒失去联系。导航系统中公制和英制单位之间的混淆导致火星大气层中的MCO太低，无法进行插入燃烧。控制器从未与航天器重新取得联系，因为它要么在大气层中燃烧，要么从大气层中反弹。12月3日，火星极地着陆器（MPL）抵达火星。除了尝试在火星南极地区软着陆外，MPL还部署了两个名为“深空2A”和“2B”的相同撞击探测器，旨在穿透火星表面，研究一米深的地下成分。当MPL从巡航阶段分离开始进入、下降和着陆时，所有接触都停止了。在预期着陆后，地面控制人员无法重新建立通信，据信MPL坠毁在地面上。两个深空探测器进入大气层后，控制器也无法与它们建立联系。

左图：环绕火星运行的火星奥德赛。右图：欧洲航天局的火星快车环绕火星运行。

新千年见证了两个寿命最长的火星轨道飞行器的到来。2001年10月21日，美国国家航空航天局的火星奥德赛号加入了MGS绕火星轨道。在通过三个月的空气制动操作实现其运行轨道后，火星奥德赛号开始了其主要任务：拍摄火星表面图像。它还帮助为未来的着陆器和火星车寻找合适的着陆点，表征表面和大气化学成分，并在火星车和着陆器抵达火星表面并在火星表面运行时充当中继。到2008年，该航天器已经绘制了火星表面以下的水分布图，随后的着陆器证实了这一发现。火星奥德赛号仍然健康，控制人员预计它将至少持续运行到2025年。欧洲航天局（ESA）的第一次火星任务“火星快车”于2003年12月25日成功进入这颗红色星球的轨道，并于今天继续运行。它在轨道插入前六天部署的“小猎犬2号”着陆器情况不佳。它似乎安全着陆，但四个太阳能电池阵列中的两个没有部署，挡住了通信天线。

左图：火星探测车在火星表面的插图。右图：火星勘测轨道飞行器在火星轨道上的插图。

根据Sojourner火星车的经验，美国国家航空航天局接下来部署了一对更先进的火星探测车。勇气号和机遇号火星车于2004年1月抵达，它们的使用寿命都大大超过了预期的90天。Spirit号在古塞夫陨石坑探索了2208个火星索尔（2249个地球日），最终于2010年3月22日沉寂，行程4.8英里，而计划行程0.4英里。在2018年6月10日一场行星沙尘暴结束其任务之前，它的双胞胎机遇号在子午线平原上行驶了5110索尔（5250个地球日，即超过14年）28.06英里。下一艘抵达这颗红色星球的航天器，美国国家航空航天局的火星勘测轨道飞行器（MRO），于2006年3月10日进入轨道，与其他三艘正在运行的轨道飞行器一起进入轨道。该航天器继续执行其任务，研究火星的地质和气候，提供火星表面的图像，使科学家能够选择未来的着陆点，并为火星表面的着陆器和漫游者提供通信中继服务。

显示2008年凤凰号极地着陆器周围着陆场的全景图像。

2008年5月25日，凤凰号极地着陆器降落在火星的北极地区，这是所有航天器在这颗红色星球上最北端的着陆。凤凰号着陆器的目标包括寻找冰形式的水的证据和火星过去可居住性的证据。它发现了水冰的直接证据，证实了火星奥德赛号的轨道观测结果，但留下了火星是否曾适合某些形式生命生存的问题。凤凰号一直运行到11月2日，超过了预期寿命67索尔，成为即将到来的火星冬季的受害者，气温极低，为航天器提供动力的阳光减少。

左图：2015年“好奇号”拍摄的接近夏普山的山丘。右图：2021年“好奇”号火星车在夏普山上的自拍照。

俄罗斯和中国向火星发射轨道飞行器并从火星卫星火卫一收集和返回样本的雄心勃勃的联合努力提前结束。俄罗斯建造的“火卫一-格朗特”飞船，包括一个轨道飞行器、“火卫二”着陆器和返回飞行器，也搭载了中国的小型“萤火虫1号”轨道飞行器。2011年11月8日发射并插入地球停车轨道后，航天器的发动机未能启动，无法将其送往火星。2012年1月15日，在这个近地轨道上，福博斯•格伦特在太平洋上空进行了一次不受控制的再入。利用同一发射窗口，美国国家航空航天局的火星科学实验室于2011年11月26日发射，并于2012年8月6日降落在盖尔陨石坑，将好奇号火星车运送到火星上寻找水的证据。“好奇号”最近庆祝了探索盖尔陨石坑和夏普山10周年，它继续在早期发现的基础上发展，证实了液态水曾在其历史上更潮湿的时期在火星上流动。火星车从陨石坑底部行驶了18英里，登上了2000英尺高的夏普山，钻入35块岩石以检查其内部结构，并拍摄了数千张照片，不仅是火星景观的照片，还有天体的照片。其勘探任务仍在继续。

左图：美国国家航空航天局的MAVEN环绕火星运行。右图：印度首个行星际探测器Mangalyaan火星轨道飞行器任务在环绕这颗红色星球的轨道上的插图。

2014年，两艘新的轨道飞行器抵达火星。首先，美国国家航空航天局的火星大气和挥发性演化（MAVEN）于9月22日抵达轨道，开始研究火星大气中气体的损失，以了解其气候历史。两天后，印度的第一个行星际探测器Mangalyaan火星轨道飞行器任务进入绕火星轨道。虽然主要是一项技术演示任务，但Mangalyaan携带了几台科学仪器，用可见光和红外光对火星表面进行成像，并研究火星大气层。

左图：欧洲航天局（ESA）-俄罗斯航天局（RoscosmosExoMars）联合的2016年痕量气体轨道飞行器部署了斯基亚帕雷利着陆器。

欧空局-俄罗斯宇宙航空公司ExoMars 2016微量气体轨道飞行器（TGO）于2016年10月19日进入火星轨道，开始其任务，以更好地了解火星大气中甲烷等可能表明生命迹象的微量气体的数量。三天前从TGO释放的斯基亚帕雷利进入、下降和着陆演示舱（EDM）着陆器由于降落伞过早释放，没有实现软着陆。在EDM着陆器丢失之前，它在下降过程中传输了300兆字节的遥测数据。TGO的轨道科学任务今天仍在继续。美国国家航空航天局的下一次任务包括一个名为“利用地震调查、大地测量和热传输进行内部探测”（InSight）的固定着陆器，目的是通过使用地震仪和热流探测器研究火星内部。在为期6.5个月的火星巡航中，两艘名为Mars Cube One A和B（MarCO-A和-B）的立方体卫星陪同InSight在2018年11月26日进入、下降和着陆阶段提供通信中继服务。InSight成功着陆后，MarCO-A和-B驶过火星，进入太阳轨道。2022年，InSight的控制器关闭了除地震仪外的所有仪器，因为太阳能电池板上积聚的灰尘大大降低了可用功率。

左图：阿拉伯联合酋长国的第一艘星际飞船，阿联酋火星使命希望号轨道飞行器。

2020年7月下旬，一支多国航天器编队启程前往这颗红色星球，于2021年抵达。阿拉伯联合酋长国于2021年2月9日派遣了其首个星际探测器阿联酋火星希望号轨道飞行器抵达这颗红色星球，并于今天继续运行。2022年8月，希望号研究人员与美国国家航空航天局MAVEN航天器的科学家合作，宣布了对太阳风与火星高层大气相互作用引起的极光的详细描述。中华人民共和国向火星发射了第一艘航天器，这是一次雄心勃勃的天问一号任务，由六个独立的部件组成：一个带有两个可展开相机的轨道飞行器、一个带有可展开远程相机的着陆器和祝融号火星车。天问一号于2021年2月10日进入火星轨道。它开始对表面进行成像，以确定候选着陆点并表征行星的大气层。5月14日，着陆器/火星车与轨道器分离，开始进入和下降，最终在乌托邦平原成功着陆。八天后，祝融号火星车从着陆器的坡道上滚下，登上火星表面，使中国成为第二个成功将轮子装上火星的国家。

左图：“毅力”号火星车的自拍照，“独创”号直升机在部署后不久出现在左侧。

美国国家航空航天局的火星2020任务是该团队的第三个成员，于2021年2月18日抵达火星，在杰泽罗陨石坑软着陆，并交付了毅力号火星车，这标志着三辆火星车首次同时在火星上旅行。最新的火星车设计源于其前身“好奇号”，配备了新的科学仪器、核心钻机和4月3日部署的“独创”直升机。作为一项技术演示，“独创”号于4月19日在稀薄的火星大气层中进行了首次飞行，经过31次飞行（截至2022年9月6日），已经远远超过了其计划的使用寿命。与此同时，“毅力号”开始收集其正在缓存的岩石、土壤和空气样本，以供未来将其带回地球的任务检索。在利用另一颗行星表面资源的首次演示中，火星车上的一项名为“火星氧气原位资源利用实验”（MOXIE）的实验从大量可用的二氧化碳中制造了氧气。MOXIE的放大版有一天可以为未来在火星上的宇航员生产氧气。