49年前，美苏探测器比翼赴火星丨Calling太空|地球|探测器|火星|火星车|着陆器

编者按："浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索"，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。

火星可能是月球之外的人类第二关心的其他星球。它在轨道上绕太阳飞行时，相距地球最近的距离约为5500万公里，最远的距离则超过4亿公里，两者之间的近距离接触大约每15年出现一次，通常是最适合登陆火星和在地面对火星观测的时机。

2020年的中国“天问”1号（Tianwen-1）和美国“毅力”号（Perseverance）为世人所瞩目。“毅力”号的发射时间一改再改，不过大体上应该与“天问”1号相近。这不由得让人想到距今49年前的1971年，美国和苏联的探测器——“水手”9号、“火星”2号和“火星”3号也是在相距很近的时间发射，“比翼齐飞”前往火星，并且在相似的时间抵达火星开展探测活动。

真实色彩的火星图像（图片来自网络）

更早的火星探测器——失败是成功之母

其实人类探测火星的历史比这要早。1964年，美国发射探测火星的“水手”3号失败，但随后的“水手”4号于大约1965年7月14日、7月15日飞越火星，距离火星最近的距离是9846千米，是我们人类第一个成功飞越火星的宇宙飞行器；它拍摄的一系列照片，也是人类探测器第一批靠近火星时拍摄的火星表面照片。而从1960年10月至1963年6月，苏联尝试发射了5颗火星探测器，都比美国的“水手”3号发射还早，但全部失败；1961年的“火星”1号虽然被认为飞到了火星19万公里的附近，但它在整个飞行旅途中完全是失联的；甚至于截止到1971年“火星”2号和“火星”3号成功之前，苏联已经经历了9次的火星探测失败。

第一个飞越火星的“水手”4号外观（图片来自网络）

1971年，美苏发射的“水手”9号、“火星”2号和“火星”3号探测器有着特殊的意义——它们是第一批环绕火星飞行的探测器。苏联的“火星”2号于1971年5月19日发射，“火星”3号于1971年5月28日发射，美国的“水手”9号于1971年5月30日发射，它们的发射前后只有10天左右的差距，目标都是火星。

“水手”9号——第一个绕火星飞行

猜猜是谁先到的？最晚发射的“水手”9号第一个抵达，成为了第一颗环绕火星飞行的探测器，也就是火星的人造卫星。它于1971年11月14日进入环绕火星的轨道，轨道近火点为1390千米，远火点为17920千米，在轨349天，运行周期为12小时34分钟。

“水手”9号外形为八面柱体，带有4块太阳能电池帆板，携带了电视摄像机以及红外、紫外观测设备等，可以从多种方式拍摄火星。在11月14日它进入火星轨道的时候，火星全球适逢“迄今为止观测到的最大的风暴”，星球表面一篇模糊，“水手”9号的计算机不得不接受来自地球的重新编程，因此1972年1月中旬才开始火星的表面成像（并不是如一些资料所说1972年1月才入轨）。在这段沙尘弥漫的时期，“水手”9号通过调整软件，重点研究了火星那些高海拔的火山。

第一个绕火星飞行的“水手”9号外观（图片来自网络）

我们可能在影视作品中听说过火星存在非常强的沙尘暴，典型的就是科幻电影《火星救援》中主角等人遭遇火星风暴时，主角被狂风吹起的金属天线戳破了宇航服受伤昏迷，直到风暴停止后才奋力独自求生。火星风的特点是容易出现大规模的沙尘暴：在一块大陆那么大的区域持续几周，大的风暴甚至覆盖全球，在地球的望远镜都能看到，可以持续长达几个月，让火星表面的地形整个变得模糊了。而火星上的高山特别出名，其中最著名的奥林匹斯山，很早就被注意到，就是因为不会被沙尘暴所遮盖；它高出火星的基准面约21229米，从山顶到山脚的高度差大约是2万1千900余米。

沙尘暴时火星变模糊（图片来自网络）

“水手”9号延续了美国之前“水手”系列的6号和7号对火星大气的研究，并且利用它在近火点附近前所未有的低飞行高度实现了超高的拍摄分辨率（1公里/像素 x 100米/像素），传回了7329张照片，绘制了超过85%火星地表的地图。另外，它的红外线辐射计用来侦测热源，作为研究火星火山活动的证据。“水手”9号甚至对火星的两颗天然卫星也进行了探测分析。1972年10月27日，“水手”9号耗尽了控制姿态用的气体，结束任务坠入火星大气中。

“火星”2号——第一个硬着陆火星

而同一时期抵达火星的苏联探测器“火星”2号和3号，被认为因软件无法适应沙尘暴情况而限制了探测。三颗当中最先发射的“火星”2号于1971年11月27日实现了环绕火星飞行，轨道为1380公里×24940公里，周期为18小时。苏联的野心很大，“火星”2号包含着陆器和轨道器，并携带了一辆名为Prop-M的4.5公斤的火星车，准备一口气完成环绕飞行、软着陆和巡视器在火星表面的探测。这辆火星车由一根15米长的缆线与着陆器相连，可以让它在15米范围内每隔1.5米进行测量。然而事与愿违，在沙尘暴中，降落时困难重重，减速伞未能打开，着陆器连同火星车一同坠毁。不过，虽然探测失败，但“火星”2号的着陆器成了第一个硬着陆在火星表面的人造物体。

“火星”2号和3号探测器的外观（图片来自网络）

“火星”3号——短暂的火星登陆

“火星”3号比2号仅仅晚了不到10天，同样成功进入了环绕火星飞行的轨道。尽管火星风暴还未平息，但1971年12月2日，“火星”3号的着陆器奇迹般的软着陆在火星表面，成为了首个安全降落于火星的人造物体；尽管降落后与地球的通讯仅仅维持了20秒，但它传回了地球一张灰度图（图中没有任何信息）。它也携带了Prop-M火星车，但没能释放。“火星”3号全重4.65吨，绕火飞行器重3.44吨，着陆器重1.21吨。从现存的模型来看，着陆器是一个直径1.2米的球形，顶部有4个三角形的瓣，着陆后将打开露出其中的仪器，这种设计颇具美感。