出品：新浪科技《科学大家》
撰文：庞之浩 全国空间探测技术首席科学传播专家，卫星应用产业协会首席专家，中国遥感应用协会专家委员会委员，中国首次太空授课专家团队组成员
2020年是火星探测器的发射窗口。为此，仅在7月下旬至8月上旬期间，中、美、阿联酋均会发射各自的火星探测器。其中我国将首次发射第一个火星探测器天问一号，率先在世界实现通过一次发射完成“绕、着、巡”三项任务的壮举；美国将发射新型火星车毅力号，它携带有新颖的机智号火星直升机；阿联酋首个火星探测器希望号用日本火箭发射，它是世界上第一颗火星气象卫星。这3个探测器的升空，将掀起全球火星探测热潮。
其实，这并不是世界各国第一次竞相向火星进发。火星究竟有什么“宝藏”，使它成为各国太空探测活动的“兵家必争之地”？去过火星的太空旅者们都发现了什么？火星还有哪些可能的惊喜亟待人类发掘？
漫漫探火路
人类的火星探测起步于20世纪60年代，到今年6月底，全球共实施了44次探火活动，其中美国21次，苏俄19次，日本1次，欧洲2次，印度1次。完全成功或部分成功23次，成功率约53%。完全成功的19次，成功率约43%。探测火星十分不易，主要原因是火星距地球遥远，环境复杂。
迄今，成功登陆火星的探测器有8个：海盗一号、二号、“探路者”、机遇号、勇气号、凤凰号、好奇号、洞察号，它们都是美国研制的。严格地讲，第一个在火星着陆的是苏联的火星三号，但它只工作了20秒。目前工作的轨道器有6个，着陆巡视器有2个，其中的轨道器是：美国的“火星奥德赛”、“火星勘测轨道器”、“火星大气与挥发物演变”，欧洲的“火星快车”和“微量气体轨道器”，印度的“曼加里安”；其中的着陆巡视器是：美国的好奇号火星车和洞察号着陆器。
由于政治、科技、经济、技术等原因所致，探火和探月很相似，可分为以下三个发展阶段。
1960—1975年为第一阶段，是探火的第一次热潮，共进行了23次发射。美苏主要是为了政治目的，在包括火星探测在内的许多航天领域开展了激烈的争霸活动，以显示各自的航天实力。但在这一阶段也取得了不少探火成果。
1976—1990年为第二阶段，火星探测进入低潮期，只有苏联进行了2次火星探测器的发射，还都失败了。这是由于美苏竞争战略重点转移，美国大力发展航天飞机，苏联则大力发展空间站。
20世纪90年代至今为第三阶段，是探火的第二次热潮，共进行了19次发射。这次探火高潮与第一次高潮不同，主要是为了科学和工程目的，即以发展新技术和获得科学发现为主，从而催生了又一个火星探测的高潮期。尤其是美国实施了庞大的“火星生命计划”，发射了不少新型火星探测器，成就斐然。另外，欧洲航天局、印度也成功探测了火星，打破了美苏对探火的垄断。而且，这一阶段的火星探测成功率大为增加，21世纪发射的火星探测器都取得了成功或部分成功。
数十年的火星探测之争
在20世纪，主要由于政治原因，苏美在火星探测领域开展了火爆的竞赛，结果，美国技高一筹，探火的成功率明显高于苏联。
近三十年间，苏联先后向火星发射过数次探测设施，大多会同时或连续发射多个，但大部分都失败了。只有寥寥几个成功着陆，也仅传回少量数据。其中火星三号着陆舱在火星表面实现了软着陆，虽然仅发送回地球20秒钟的电视信号，但它是第一个到达火星表面的探测器。火星五号则是苏联首个进入火星轨道的探测器，并发回火星照片；火星六号在着陆过程中对火星大气进行了观测，发回了火星大气参数。
除“火星”系列外，探测器-2和宇宙-419火星探测器也是由苏联发射的，无一不以失败告终。1988年，苏联又相继发射了火卫一号、二号探测器，拟探测火星的卫星，但也都失败了，未能传回科学数据。1996年，俄罗斯发射火星-96时则“箭毁器亡”。
1975年，美国又先后发射了海盗一号、二号探测器。它们在1976年进入火星上空时轨道舱绕火星飞行，着陆舱实现了在火星表面成功软着陆的壮举。这两个探测器共发回地球5万多张火星照，还对火星表面的土壤进行了取样化验分析。结果表明，火星上没有发现任何生命存在的痕迹，也未探测到火星上有任何有机分子。
此后全球探火转入了低潮，一直到17年后的1992年，美国发射了“火星观测者”探测器。然而，它在即将到达火星时失联。经过4年技术改进后，美国于1996年开始实施“火星生命计划”，先后成功发射了“火星全球勘测者”和“火星探路者”探测器，以确定火星上是否存在生命。其中“火星探路者”携带了世界第一辆火星探测车“旅居者”。
但是，美国在1998年和1999年分别发射的“火星极区着陆器”、“火星气候轨道器”又遭遇失败。
1998年，日本加入火星探测大军，发射了首个火星探测器“希望号”。但由于推进器故障，希望号最终没有进入火星轨道。
火星的一天约为24.6小时，与地球十分接近；火星一年约为687地球日，少于2个地球年；其自转轴与公转轨道面倾角约为65°，所以存在四季变化，这也和地球相似；火星大气很稀薄，以CO2为主，压力大约只有地球的1%；虽然火星表面温度平均仅为-63℃，但夏天阳光直射区域温度则可以上升到约20℃，赤道附近的极端最高温度则有机会达到30℃左右。
另外，火星的直径约为地球的1/2，体积约为地球的15%，质量约为地球的1/10，重力约为地球的1/3。火星的表面大都为沙丘、砾石，也有不少陨石坑、火山与峡谷。火星拥有太阳系最高的山峰——奥林帕斯山，高达21公里；还拥有太阳系最的长峡谷——水手大峡谷，长4000公里、最深处7公里。火星沙尘暴很厉害，有时达地球上12级台风的6倍，但由于气体少，所以飞沙不走石。还有，火星有两个天然卫星。
正因为火星是太阳系里与地球最为相似的行星，所以探测火星，了解火星的起源和演化，有助于人类进一步认识地球和太阳系的形成和演化，预测地球的未来变化趋势。
火星上是否有水、有生命，是人类目前最关心的。由于火星是与地球最为相似，所以探测火星生命的起源和演化，可促进对地球生命乃至太阳系的起源和演化的研究，以及了解人类在宇宙中的地位和最终的命运。
另外，探测火星本身的地形地貌、地质构造、大气特征、气候变化、内部结构和物理场等也很重要。例如：
大量迹象表明，火星以前很可能与目前的地球一样，只是经过几十亿年的演化才变成大气层稀薄、温度较低、水源枯竭等今天这个样子；而另一颗离地球很近的行星——金星正好与之相反。所以，不少天文学家推断，火星是地球的未来，金星是地球的过去。因此，要深入探测火星，这对研究地球的演变，防止它变成人类难以生存的第2个火星具有促进作用。
从长远看，火星探测还有可能解决未来地球上一些难以解决的问题。例如，地球可能总有一天会遭受地外星球的撞击而毁灭。因此有些科学家现已开始研究向外空移民的方案了，以保留人类的延续。由于火星与地球最为相似，所以不少科学家认为可先把火星改造成适合人类居住的第2个家园，然后向火星移民。为此，现在就必须逐渐全面而深入地了解火星才行，为改造火星、建造火星基地奠定基础，做好准备。
新世纪的“探火竞赛”
进入21世纪以后，世界火星探测高潮迭起，美国独占鳌头，欧洲、印度的火星探测器也纷纷亮相。
2001年，美国成功地发射了“火星奥德赛”探测器，首次发现火星地表下面存在水冰，这预示着火星上存在生命的可能性。此后发射的美国火星探测器也都获得成功。
2003年，美国先后发射了第二代火星车——勇气号和机遇号，它们不仅大大超期服役，而且相当于一个地质学家站在火星上获取了重要成果，使科学家更好的了解了火星，并再次证实火星上有水。
2005年入轨的美国“火星勘测轨道器”是当今世界最先进、最大的火星轨道器，它用于从低轨道观察火星，拍摄了大量高清晰度火星图片，并为火星着陆器选址和中继数据。
2007年，美国凤凰号火星着陆器升空。它是第一个在火星北极地区着陆的探测器。
2011年发射的美国“火星科学实验室”携带了第三代火星车好奇号，其上的科学仪器质量是第2代的15倍，采用了不怕阳光少和沙尘暴的核电源作为火星车动力，还首次采用了“空中起重机”着陆新技术在火星表面精确着陆。
2013年，美国 “火星大气与挥发物演变”入轨。它是世界首个研究火星上层大气的探测器，旨在调查火星上层大气，帮助了解火星大气气体逃逸到太空对火星气候演变所产生的影响。
2018年11月26日，美国洞察号火星探测器在火星安全着陆。它首次对火星进行“体检”，为火星做CT，深入研究火星内部，揭示岩质天体形成等问题。
进入21世纪后，欧洲也开始探测火星。2003年6月2日，欧洲第1个火星探测器“火星快车”升空。它由轨道器和着陆器组成，其中轨道器进入火星轨道，获得超出预想的数据，包括用雷达探测火星的水资源存量，目前仍在超期服役，并为火星着陆器或巡视器选址和提供信息中继服务。但其携带的英国猎兔犬二号着陆器在着陆火星过程中与地球失去联系。
2016年，以欧洲为主，欧洲航天局与俄罗斯合作研制的“火星生物学-2016”探测器入轨。它由“微量气体轨道器”和“夏帕雷利”着陆器组成。其中轨道器成功进入火星轨道，主要用于探测火星大气中的微量气体；着陆器原定用于进行火星表面着陆试验，但没有成功。
2011年，俄罗斯发射了“火卫一-土壤”/萤火一号探测器。这次火箭虽然没出问题，但探测器在地球轨道发生了故障，没能进入地火转移轨道，最后再入地球大气层烧毁。
印度一直想在亚洲航天领域争个第一。2013年，印度发射了其第一个火星探测器——“曼加里安”。它于2014年成功进入火星轨道，并发回所拍摄的火星照片，从而成为继苏联、美国和欧洲之后世界第4个成功探测火星的国家或组织，也是亚洲第1个成功探测火星的国家。
2020，火星“赶集”
今年有三个国家的火星探测器升空，犹如到火星去赶集。其中中国是首次发射火星探测器，阿联酋的首个探测器则是与美国合作研制的。
阿联酋的希望号火星探测器计划于7月20~22日率先升空。这也是阿拉伯国家首个深空探测器。它是由美国提供技术支持研制的，如同一颗火星的气象卫星用于全面探测火星大气，研究火星气候变化、低空天气变化、沙尘暴预报等。
希望号有四大科学探测目标：一是探索氧气和氢气从火星大气中散逸出去的内幕；二是研究古今火星气候之间的联系；三是寻找火星下层大气与上层大气之间的联系；四是构建最全面的火星大气整体模型。
为此，它载有3台科学有效载荷：阿联酋探索成像仪、阿联酋火星红外光谱仪、阿联酋火星紫外光谱仪。
我国天问一号火星探测任务将通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视三项任务，这在人类火星探测史上是前所未有的。采用这种“一举三得”的探火方式，起点高，效益高，但挑战大。如果成功了，将使我国深空探测能力和水平实现跨越式发展，成为世界第3个在火星着陆的国家，第2个在火星巡视的国家。它将深化我国对火星乃至太阳系的科学认知，推进比较行星学等重大问题研究。
天问一号火星探测器由环绕器、着陆巡视器（又叫火星车）组成。其中环绕器用于对火星开展全球性、普查性综合探测，并为巡视器提供中继通信链路，设计寿命一个火星年，相当于687个地球日；火星车用于在着陆区开展区域性、精细性巡视探测，设计寿命工作3个火星月，相当于地球上的92天。
我国将用长征五号遥4运载火箭发射天问一号火星探测器。该火箭地火转移轨道运载能力可以达到5吨，能满足天问一号直接进入地火转移轨道的要求。天问一号将在2021年2月左右进入火星轨道。此后，其上的着陆巡视器将择机与环绕器分离在火星表面着陆。
天问一号的工程目标是突破火星制动捕获、进入/下降/着陆、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等关键技术，获取较多的火星科学数据，使我国深空探测能力和水平进入世界航天第一梯队。
天问一号的科学目标是研究火星形貌与地质构造特征；研究火星表面土壤特征与水冰分布；研究火星表面物质组成；研究火星大气电离层及表面气候与环境特征；研究火星物理场与内部结构。
为此，天问一号的环绕器将携带7台科学仪器，包括高、中分辨率相机、光谱仪、磁力计、表面雷达、离子和中性粒子探测仪等；天问一号的火星车将携带6台仪器，包括探地雷达、光谱相机、小型气象站、磁场探测仪等。
据我国火星车专家贾阳介绍，我国火星车除装有太阳电池板外，在其顶部还装有一个像双筒望远镜样子的设备，叫作集热窗，它可以直接吸收太阳能，然后利用一种叫作正十一烷的物质储存能量。白天，火星温度升高，这种物质吸热融化，到了晚上，温度下降，这种物质在凝固的过程中，释放热能，这样效率可以达到80%以上。
由于目前大多数火星着陆器和火星车都采用太阳能电池供电。为此，火星着陆器和火星车一般着陆在纬度小于40°的火星低纬度地区，因为这一区域阳光比较充足，昼夜温差也比较小，有利于探测器的工作。据专家介绍，综合考虑多种因素，我国火星着陆区在火星北纬5°~39°。从光照考虑，火星赤道附近好，但地形复杂。另外，由于登陆火星99%以上减速是靠大气，因此着陆点海拔越低减速时间越长，着陆越安全。
安全着陆是火星探测任务最艰巨的挑战之一。2019年11月14日，我国在位于河北怀来亚洲最大的的地外天体着陆综合试验场，成功模拟了着陆器在火星重力环境（火星重力加速度约为地球的1/3）下悬停、避障、缓速下降的过程，对其设计正确性进行了综合验证，也为火星探测任务的如期实施奠定了坚实的基础。
据中科院院士，航天科技集团科技委主任包为民透露，我国着陆巡视器组合体着陆过程分4个减速段，先是气动减速段，靠火星大气的阻力，用约290秒把速度从4.8公里/秒减速到460米/秒；然后探测器打开降落伞，用约90秒把速度由460米/秒降到95米/秒；接着进入到动力减速段，探测器反推发动机点火工作，用80秒把速度减小到3.6米/秒；最后是着陆缓冲段，在距火星表面100米悬停避障，然后以0速度着陆。
因为天线的直径和探测距离成正比，增大天线口径是提高信号信噪比的基本途径，可以增加探测距离。为此，火星探测器常采用高增益、高可靠的抛物面天线，地面深空网也采用直径很大的收发天线。我国主反射面直径70米高性能接收天线将于2020年10月在天津武清建成，工作频段为S、X和Ku频段，它完全具备火星探测的数据接收能力。
汽车大小的毅力号火星车，计划于2021年2月18日在火星杰泽罗陨坑口着陆。它有四大任务：一是研究火星的地质特征；二是确定火星上是否曾经存在生命；三是研究火星气候状况；四是测试火星大气中的氧气产生机制以及各种大气参数数据。
该火星车是在好奇号火星车的基础上改进而成的，以便降低费用和风险，节约时间，但它还是采用了多项新技术。例如，它将携带一架小型无人驾驶直升机机智号，用于前往漫游车难以到达的地区或生物敏感地区进行区域勘探。
