火星：机器人的史诗与人类的最终边界

科学摘要

这篇文章全面回顾了从1960年至今的火星探索。它详细描述了红色星球的物理特征：火山的巨大性（奥林帕斯山）、峡谷（水手谷）、极冠、稀薄的二氧化碳大气层以及极端的温度。研究提供了火星过去存在水的地质证据。它列出了65年的太空任务（飞掠、轨道器、着陆器、漫游车），突出了成功（毅力号、好奇号）和失败，更新了正在进行的项目（ESCAPADE、MMX、罗莎琳德·富兰克林），并讨论了火星样本返回的不确定性。它还阐述了到2040-2050年人类殖民的技术和人类挑战，包括轨迹、着陆和现场生存。

将人类送上火星的主要科学和技术挑战是什么？

将人类送上火星是空间工程和人类生理学的最大挑战之一。文章识别出需要克服的主要障碍，分为三类。第一类是星际旅行本身的挑战：为了节省燃料，轨迹必须通过霍曼转移进行优化，而为期数月的旅程会使宇航员暴露在危险的宇宙辐射和长期失重状态下。第二类挑战是火星的进入、下降和着陆（EDL）。由于其大气层非常稀薄（不到地球的1%，约0.6%），仅靠降落伞无法有效减速，必须结合使用隔热罩、降落伞减速和反推火箭来实现软着陆，这是一个复杂的序列，已导致多次失败（如斯基亚帕雷利）。最后，生存和自主性的挑战是最关键的。一旦到达现场，栖息地必须加压、模块化并防辐射。从当地资源中生产水、氧气和燃料（原位资源利用）是必不可少的。此外，与地球的通信延迟（4到24分钟）使得机组人员在操作和紧急情况管理方面完全自主，将载人任务推迟到2040-2050年。

火星的特征

火星是一个迷人的探索目的地，也是寻找地球以外生命的兴趣来源。火星通常被称为“红色星球”，因为其独特的颜色。火星表面富含氧化铁，这赋予了它特有的红色色调。

火星的巨型火山

火星拥有太阳系中最高的火山，即奥林帕斯山。奥林帕斯山高出火星平均表面水平约22公里。它的直径约为600公里，这也使它成为最宽的火山之一。

阿斯克雷乌斯山、帕蒙尼斯山和阿尔西亚山：这三座火山也被称为塔尔西斯山脉，是火星塔尔西斯火山区域的一部分。阿斯克雷乌斯山高度约为18公里，帕蒙尼斯山约为14公里，阿尔西亚山约为12公里。

巨大的水手谷

火星还拥有太阳系中已知的最大峡谷，即水手谷。这个峡谷系统延伸约4000公里，大约是地球上大峡谷长度的四倍。

火星的极冠

像地球一样，火星也有极冠。这些极冠主要由水冰组成，但它们也包含二氧化碳冻结的层，或“干冰”，这些会经历季节性变化。

火星的稀薄大气层

火星的大气层比地球的大气层薄得多，主要由二氧化碳（CO₂，约95%）组成，还有少量的氮和氩。火星表面的平均大气压力约为600帕，约为地球的0.6%，并且随高度和季节变化很大（在冬季，CO₂部分在两极凝结）。

极端的温度

火星表面的温度可以有很大变化。在夏季的赤道纬度，最高温度可以达到约20 °C，而最低温度可以降至约-140 °C。

火星过去存在水的迹象

机器人任务和火星轨道观测提供了令人信服的证据，证明火星过去存在液态水。像山谷、河床和矿物沉积物这样的地质构造被解释为该行星湿润过去的指标。

火星：人类在红色星球上的第一步

如何到达火星？

要前往火星，必须在太空中遵循精确的轨迹。科学家使用被称为“霍曼转移”的“节省燃料”的路径，这些路径允许使用更少的推进剂旅行。燃料的数量取决于火箭的质量和其出发速度。

旅程的不同阶段

火星之旅分为几个阶段：从地球起飞、进入前往火星的正确轨迹、途中修正路线、进入火星轨道或直接降落到行星、最后返回地球。每个阶段都必须仔细规划，并配备应急系统以防出现问题。

下降并着陆火星

在火星上着陆非常复杂。大气层非常稀薄：它会减慢火箭的速度，但仅靠降落伞无法完全减速。因此，任务使用组合方式：隔热罩以抵抗高温、降落伞减速、发动机实现软着陆。

在火星上生存：一个真正的挑战

宇航员需要防止辐射，呼吸保持在正确压力和温度下的空气，并拥有现场生产的水和氧气。栖息地将加压和模块化，一些任务计划使用当地资源制造燃料和水。

与地球的通信可能需要4到24分钟，具体取决于火星在其轨道上的位置，因此宇航员需要高度自主。他们几乎需要独立管理自己的生存、移动和科学实验。欧洲航天局和其他机构（俄罗斯、中国、印度）计划在2020年代至2030年代进行机器人任务，但火星载人任务更可能在2040-2050年的时间框架内进行。

火星空间任务表

火星任务：按时间顺序的清单、状态和评论（1960–2028）
年份	任务	国家	机构	类型	状态	评论
1960	1M No.1	苏联	OKB-1	飞掠	❌ 失败	发射阶段损失（未达到轨道）。
1960	1M No.2	苏联	OKB-1	飞掠	❌ 失败	发射阶段损失。
1962	火星1号 (2MV-4 No.2)	苏联	OKB-1	飞掠	❌ 失败	在前往火星途中通信中断。
1964	水手3号	美国	NASA	飞掠	❌ 失败	整流罩未分离 → 任务损失。
1965	水手4号	美国	NASA	飞掠	✅ 成功	首次近距离拍摄火星表面图像。
1967	探测器2号	苏联	Lavochkin	飞掠	❌ 失败	飞掠前通信中断。
1969	水手6号	美国	NASA	飞掠	✅ 成功	成像和光谱学。
1969	水手7号	美国	NASA	飞掠	✅ 成功	补充水手6号的观测。
1969	2M No.521 (1969A)	苏联	Lavochkin / 苏联	轨道器	❌ 失败	发射失败 / 未达到轨道。
1969	2M No.522 (1969B)	苏联	Lavochkin / 苏联	轨道器	❌ 失败	发射失败。
1971	水手8号	美国	NASA	轨道器	❌ 失败	发射失败（在近地轨道损失）。
1971	宇宙419号 (3MS No.170)	苏联	Lavochkin	轨道器	❌ 失败	级别问题 → 未离开近地轨道。
1971	火星2号	苏联	Lavochkin	轨道器 + 着陆器	⚙️ 部分成功	轨道器运行；着陆器撞击表面。
1971	火星3号	苏联	Lavochkin	轨道器 + 着陆器	⚙️ 部分成功	着陆初期成功，传输在约20秒后中断。
1971	水手9号	美国	NASA	轨道器	✅ 成功	首个火星轨道器；全球绘图。
1973	海盗1号	美国	NASA	轨道器 + 着陆器	✅ 成功	着陆和科学操作（生物学研究）。
1976	海盗2号	美国	NASA	轨道器 + 着陆器	✅ 成功	类似海盗1号；地质和大气分析。
1988	福布斯1号	苏联	Lavochkin	轨道器（前往福布斯）	❌ 失败	遥控错误 → 途中损失探测器。
1988	福布斯2号	苏联	Lavochkin	轨道器（前往福布斯）	⚙️ 部分成功	轨道到达成功，但在最后操作前失去联系。完成部分观测。
1992	火星观测者	美国	NASA	轨道器	❌ 失败	在火星轨道插入前不久通信中断。
1996	火星全球勘测者	美国	NASA	轨道器	✅ 成功	表面和大气的详细绘图。
1996	火星探路者（旅居者号）	美国	NASA	着陆器 + 小型漫游车	✅ 成功	气囊着陆演示器 + 移动探索（旅居者号）。
1998	希望号	日本	ISAS / JAXA	轨道器	❌ 失败	轨迹和推进问题 → 未到达火星。
1999	火星气候轨道器	美国	NASA	轨道器	❌ 失败	单位转换错误（英制/公制） → 错误轨迹，损失。
1999	火星极地着陆器	美国	NASA	着陆器	❌ 失败	着陆时损失；可能原因：反推火箭过早点火。
2001	火星奥德赛	美国	NASA	轨道器	✅ 成功	长期轨道任务，用于伽马研究、矿物学和通信中继；仍在运行。
2003	火星快车	欧洲	ESA	轨道器	✅ 成功	地质和大气观测；任务延长，仍在运行。
2003	猎兔犬2号	英国 / 欧洲	UK/ESA	着陆器	⚙️ 部分成功	由火星快车运载；2003年末完整着陆但从未通信（太阳能板展开不完全）；2015年在HiRISE图像中发现。
2003	勇气号 (MER-A)	美国	NASA	漫游车	✅ 成功	长期探索（2004–2010）；发现古代水的迹象。
2003	机遇号 (MER-B)	美国	NASA	漫游车	✅ 成功	2004–2018年运行；发现水成构造。
2005	火星侦察轨道器 (MRO)	美国	NASA	轨道器	✅ 成功	高分辨率成像和电信中继；仍在运行。
2007	凤凰号	美国	NASA	着陆器	✅ 成功	研究北极地区的永久冻土；识别水冰。
2011	福布斯-土壤 (+ 萤火一号)	俄罗斯 / 中国	Roscosmos / CNSA	样本返回 / 轨道器	❌ 失败	发射后滞留在地球轨道；提前再入大气层。
2011	好奇号 (MSL)	美国	NASA / JPL	漫游车	✅ 成功	分析盖尔撞击坑；检测宜居环境和有机化合物；仍在运行。
2013	曼加里安号（火星轨道任务）	印度	ISRO	轨道器	✅ 成功（后结束）	印度首次火星任务成功；运行8年，2022年4月在长时间日食期间通信中断，2022年10月宣布任务结束。
2013	MAVEN	美国	NASA	轨道器	⚙️ 已结束	研究上层大气超过11年；2025年12月6日停止传输；2026年6月宣布任务结束。
2016	ExoMars 微量气体轨道器 (TGO)	欧洲 / 俄罗斯	ESA / Roscosmos	轨道器	✅ 成功	研究痕量气体（如甲烷）并作为中继；仍在运行。
2016	斯基亚帕雷利EDM	欧洲	ESA	着陆器演示器	❌ 失败	撞击地表：高度测量错误和反推火箭部署时机不当。
2018	洞察号	美国	NASA	着陆器	✅ 成功（后结束）	地震测量和火星内部结构研究；2022年末完成任务（太阳能板被沙尘覆盖）。
2020	希望号 (Al-Amal)	阿拉伯联合酋长国	MBRSC / UAESA	轨道器	✅ 成功	全球气候研究和大气剖面；仍在运行。
2020	天问一号	中国	CNSA	轨道器 + 着陆器 + 漫游车	✅ 成功	中国首次完整成功；祝融号漫游车在表面运行；轨道器仍在运行。
2020	毅力号 (火星2020)	美国	NASA / JPL	漫游车	✅ 成功	收集样本（28个密封管）以供未来返回，其时间表自2026年以来不确定；仍在运行。
2021	祝融号（从天问一号部署）	中国	CNSA	漫游车	✅ 成功（后非活跃）	探索乌托邦平原地区；2022年宣布长期非活跃。
2021	机智号	美国	NASA	直升机	✅ 成功（任务结束）	在另一颗行星上的首次动力控制飞行；2021年至2024年1月进行了72次飞行，最后一次着陆时叶片受损后结束任务。
2025	ESCAPADE (Blue & Gold)	美国	NASA / UC Berkeley	双轨道器	✅ 成功（发射）	2024年延期后，于2025年11月13日搭载Blue Origin的New Glenn火箭发射；计划2027年9月进入火星轨道以研究大气逸散。
2026	MMX (火星卫星探索)	日本	JAXA (与NASA、CNES、DLR、ESA合作)	轨道器 + 着陆器 + 样本返回	��️ 准备中	计划2026年发射（H3火箭）；在福布斯采集样本，计划2031年返回地球。
2028	天问三号	中国	CNSA	样本返回	��️ 准备中	计划2028年前后发射，2031年前后将样本返回地球；采用单一采集站的简化架构。
2028	罗莎琳德·富兰克林（ExoMars / RFM）	欧洲 / 美国	ESA / NASA	漫游车	��️ 准备中	计划2028年10月发射（NASA提供发射器和着陆元素），目标2030年末在Oxia Planum着陆；寻找地下生物标志。

N.B.:
此表（非详尽）涵盖了1960年至2028年的主要历史任务，包括成功和失败的任务，以及正在进行或计划中的任务。它包括发射尝试、轨道器、着陆器、漫游车以及针对福布斯/德摩斯的任务。美欧的火星样本返回计划本应将毅力号收集的管子带回地球，但2026年初失去了大部分资金，目前不再列为计划中的任务。

当前火星项目和即将到来的任务（2026–2031）

自2025年以来，随着新的成功发射和十年标志性项目之一的停止，火星探索的格局发生了巨大变化。

ESCAPADE：研究火星大气逸散

由Rocket Lab为加州大学伯克利分校设计的两个美国小型双子探测器ESCAPADE（Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers），于2025年11月13日搭载Blue Origin的第二枚New Glenn火箭发射升空。在2024年被迫推迟后，它们将于2027年9月到达火星，研究太阳风如何剥离火星大气层，这是理解该行星为何失去表面液态水的关键过程。

火星样本返回的不确定性

NASA/ESA联合项目，旨在将毅力号在杰泽罗撞击坑收集的样本带回地球，预计成本在80亿至110亿美元之间，返回时间可能推迟至2040年，被美国政府认为在财政上不可持续。2026年1月，众议院通过的一项拨款法案削减了其大部分资金，实际上暂停了该项目，以支持未来的载人任务。部分开发的技术（精确着陆、大气进入）被重新定向到一个新项目“Mars Future Missions”。然而，毅力号继续收集和存储其28个密封的样本管，等待可能的回收任务。

中国和日本接力

面对美国的撤退，中国正在推进其自身的样本返回项目天问三号，计划于2028年前后发射，2031年前后将样本带回地球，采用更简单的单一采集站架构。日本则计划在2026年发射前往福布斯的MMX任务（见上文），而欧洲和美国继续为罗莎琳德·富兰克林漫游车（ExoMars / Rosalind Franklin Mission，RFM）做准备，其发射现计划于2028年10月，目标在2030年末在Oxia Planum着陆，使用NASA提供的发射器和着陆元素，这是在2022年与Roscosmos合作破裂后的决定。

MAVEN：一位老资格轨道器的损失

火星舰队的另一个打击：自2014年以来一直在研究火星上层大气及其逸散的美国探测器MAVEN，在2025年12月6日从行星背后经过后停止了传输。尽管在2026年1月太阳合相后多次尝试恢复联系，但任务仍在2026年6月初被宣布结束。它的损失还使表面漫游车（毅力号、好奇号）失去了一个通常的通信中继，这一角色现在由火星侦察轨道器、火星奥德赛和欧洲的微量气体轨道器接管。

常见问题：了解火星的征服与殖民的一切

水手4号任务对火星科学有何历史重要性？

水手4号任务（NASA，1965年）是一个开创性的里程碑。它完成了火星的首次成功飞掠，并传回了火星表面的首批近距离图像。这些图像展示了一个布满撞击坑且类似月球的表面，与人们对火星可��存在运河或植被的期望相去甚远，彻底改变了我们对火星的认知，并开启了现代机器人探索的时代。

什么是“霍曼转移”？为什么它对火星旅行至关重要？

霍曼转移是一种椭圆轨道轨迹，允许宇宙飞船在两颗行星之间以最少的燃料消耗移动。它利用太阳的引力来改变轨道。宇宙飞船从地球发射进入一个椭圆轨道，其远日点（离太阳最远的点）与火星轨道重合。虽然比其他方法慢，但这是最节能的方式，对于重型任务和载人飞行至关重要，因为燃料占总质量的很大一部分。

未来的载人任务如何在火星上生产水和氧气？

现场资源利用（ISRU）是未来殖民地的支柱。水可以从土壤（风化层）中提取，特别是从极冠或富含冰的地下永久冻土中，使用炉子或微波将冰升华为水蒸气。氧气可以通过电解水来生产，或者更有前景的是通过MOXIE（火星氧气原位资源利用实验）过程，该过程从火星大气中提取二氧化碳（CO₂）并将其分解为氧气和一氧化碳。这将提供可呼吸的空气和返回火箭燃料的氧化剂。

表格中提到了火星气候轨道器等失败案例。主要原因和教训是什么？

1999年火星气候轨道器的失败是空间操作中人为错误的一个戏剧性案例研究。探测器在进入火星轨道时因单位系统混淆而损失：洛克希德·马丁的工程师提供了磅力（英制单位）的数据，而NASA的工程师使用的是牛顿（公制单位）。这个错误导致探测器过于接近火星，并在大气层中燃烧。这场灾难强化了对单位严格标准化以及在所有国际任务中进行严格交叉检查的要求。

为什么火星样本返回任务受到质疑？

火星样本返回计划（NASA/ESA）旨在将毅力号自2021年以来收集的样本管带回地球，其估计成本飙升至80亿至110亿美元，样本返回时间可能推迟至2040年。由于被认为在财政上不可持续，2026年1月，美国众议院通过的一项拨款法案削减了其大部分资金，实际上暂停了该项目，以支持未来的载人任务。部分开发的技术被重新定向到一个新的技术项目，而中国（天问三号）和日本（MMX，针对福布斯）则在推进自己的火星系统样本返回项目。