[编者按：2020年7月23日12时41分，中国首次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空。它将如何“问天”，会面临哪些困难，探测哪些科学目标？财新带您重读旧文，寻找答案。]

从太阳系第三行星地球去第四行星火星，航天器必须在两者的公转轨道之间沿一条椭圆形的“地火霍曼转移轨道”飞行8到9个月，然后在椭圆轨道的远日点进入火星的公转轨道且恰好“遇到”火星，从而被其引力俘获。这种“刚刚好”的发射时机每隔26个月才有一次，持续时间约一个月。这段时间里，火星与地球最为接近，在天文学上被称为“火星冲”，迄今为止几乎所有的火星探测器都在这个窗口期内发射。

2020年7月中旬至8月中旬的火星探测窗口期很“热闹”。美国国家航天局的“毅力号”火星车和阿联酋的“希望号”轨道探测器都将去往火星，前者经两次推迟后，预计最早于7月22日发射。而按计划，中国的火星探测器“天问一号”，也将在此窗口期飞向火星。

“天问一号”分为环绕器与着陆巡视器两部分，预计搭乘长征五号遥四运载火箭从海南文昌航天发射场出发，开始漫长的“奔火”之旅，一次实现“环绕、着陆、巡视”三大目标。“一次发射实现绕、落、巡三个目标，这是其他国家火星探测任务从没有过的，面临的挑战也是前所未有的。，全国政协委员、中国航天科技集团五院党委书记赵小津说。

这次“前所未有”的探测任务在发射升空后可以分为三步。第一步是入轨，探测器进入地火转移轨道后，在地面测控系统的支持下通过变轨修正，在近火点附近实施制动，被火星俘获，进入环绕火星轨道；第二步是分离，环绕火星的探测器择机实施轨道机动，调整到停泊轨道，完成着陆区预先探测和着陆点调整后，环绕器与着陆巡视器分离，前者进入中继通信轨道，环绕火星进行科学探测；第三步是着陆，分离之后的着陆巡视器将进入火星大气，通过气动外形、降落伞、反推发动机等多级减速和着陆缓冲，降落于火星表面，释放出火星车，开始巡视和科学探测。

如果一切顺利，上述步骤将在约9个月后完成。此后的服役年限里，“天问一号”的环绕器将和火星车联手，“天上地下”同时作业，探测火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气电离层、磁场等，试图寻找火星上的生命迹象。

为了这一趟9个多月的奔火历程，中国科学团队已准备了十几年。2007年，探测火星的设想就已提出，此后中国的火星探测事业历经了“嫦娥系列”的奠基、“萤火一号”的折戟、长征五号的失败与成功 直到2020年才迎来一个准备充分的发射时机。下一步的计划，是在2030年前再次发射火星探测器，实现人类历史上尚未完成的火星采样返回。

探索红色星球

早在公元前2000年，古天文学家就发现了五个与恒星背景运动不同的天体。其中一个呈现出了红色的外观——后来人们知道那是因为其表面散布着丰富的氧化铁，古罗马人以战神马尔斯命名了这颗体积约为地球七分之一的红色星球，也就是火星。

1877年，意大利天文学家乔瓦尼·斯基亚帕雷利观察到火星表面一种线性的结构，他认为那可能是运河，由此引发了火星上可能存在智慧生命的猜测。火星探索最初的目标也始于此。尽管美国国家航空航天局在1975年发射的“海盗一号”着陆器带回来的资料已经表明，无法证明火星上存在生命，但时至今日，人们仍然没有放弃在火星上寻找生命迹象，或生命曾经存在过的证据。NASA即将发射的“毅力号”火星车的首要科学目标，就是在古火星环境中形成的岩石样本中寻找保存下来的生物信号迹象。

事实上，人类对地外生命的探索直到1960年苏联发射火星1A号才算真正拉开序幕，此后火星探测器的发展经历了飞掠探测器、轨道器、着陆器和巡视器四个阶段。继美国和苏联后，上世纪90年代日本、欧洲和印度也相继加入火星探测行动。

火星探测之路并非一帆风顺。1960年，火星1A号的发射即以失败告终。四天以后，苏联的第二枚火星探测器1B升空，同样连地球轨道都没能到达。1962年10月，当火星又一次运行到合适的位置时，苏联的第三枚火星探测器终于勉强到达了环地轨道。1962年11月，苏联又向火星发射了“火星1号”，这枚探测器成功进入了前往火星的轨道，并计划于1963年6月到达火星。然而，在离约定时间还有3个月，当它飞到距地球1.06亿千米时，与地面永远失去了通信联系。

作为竞争对手的美国也屡遭失败。1964年11月5日，NASA发射的“水手3号”同样在发射阶段就夭折。但23天后发射的“水手4号”最终成为人类第一艘近距离探索火星的掠飞探测器，配备了望远镜的“水手4号”拍摄了22张火星的特写照片，这也是有史以来第一次从深空拍摄火星并发回地球的图像。据NASA披露的资料，水手4号还传送了火星大气层的测量结果，发现火星大气层比人们预期的要稀薄得多。此外，它也没有探测到磁场、辐射带或地表水，但“水手4号”辨认出了水可能曾经在火星表面流淌的多个地质证据。近半个世纪后，2012年着陆的“好奇号”火星车发现了更关键的火星上曾经有水的证据，这座不到1吨重的火星探测器着陆后不久就翻过了一个古老的河床。

正因如此，许多科学家相信火星上曾经有生命存在，而且很可能还会出现生命。澳大利亚西澳大学国际射电天文研究中心博士刘博洋告诉财新记者，在火星上寻找水的意义有两方面：一方面如果可以找到火星上存在水的证据，那么假如长时间有水存在，就能够提示科学家火星可能有足够长的时间去孕育生命；另一方面，如果现在发现火星上有液态水存在，既代表了这颗行星上有水资源，又展现出更大的可能性——说不定在火星的什么地方，例如地下水湖等，或许会有生命存在的迹象。

1969年，NASA发射的“水手6号”和“水手7号”发现火星大气主要由二氧化碳组成，还将201张图片传回地球，覆盖了火星表面的20%。NASA资料显示，尽管这些图像并未显示出19世纪末天文学家观察到的任何一条“运河”，但在火星表面发现了微量水存在。

两年后的时间窗口里，苏联又发射了“火星2号”和“火星3号”两个探测器，各由一个轨道器和一个着陆器组成。其中“火星2号”的着陆器未能成功着陆，但其轨道器成功入轨；“火星3号”也进入轨道，而且成功让着陆器降落在火星表面，成为人类历史上第一个在火星表面着陆的探测器，不过它仅仅工作了不到20秒，还没来得及传回一张照片就永远和地球失去了联系。

1975年或许是早期火星探测最辉煌的一年。NASA当年发射的两枚“海盗号”火星探测器成为有史以来最成功的火星探测计划之一。“海盗1号”轨道器于1976年6月19日进入环绕火星轨道，着陆器于1976年7月20日在火星表面成功着陆，并且成功向地球发回照片；“海盗2号”的着陆器在火星表面正常工作了三年多时间，直到1980年4月11日电池故障导致通讯联系中断。“海盗号”火星探测计划总共向地球发回了数万张高清晰照片。但在“海盗号”火星探测计划之后的20年里，火星探测事业陷入低谷，这期间美苏仅有的三次发射也均以失败告终。

1976年7月20日，美国“海盗 1 号”着陆器在火星表面成功着陆，并且成功向地球发回照片。

火星探测任务失败，多是由于着陆失败以及通信中断、信号错误等。欧洲空间局的ExoMars探测器在与火星地面碰撞之前50秒失踪，后被证实可能是由于高速撞击地面而爆炸。美国的Mars Climate Orbiter则因没有到达火星大气中80—90千米的目标高度，而降落到50千米的高空大气中，导致轨道器损坏。美国的Mars Observer、Mars Global Surveyor、Mars Polar Lander等和欧洲空间局的Mars Express则都在降落过程中因通信故障而结束任务。

进入本世纪后，经过长时间的技术沉淀和积累，NASA发射的火星勘测轨道飞行器、人们所熟知的“勇气号”“机遇号”“凤凰号”及2018年的“洞察号”，和欧洲空间局于2003年和2006年分别发射的火星“快车号”和火星“奥德赛号”，有的已在火星上“光荣退役”，有的还在为人类深入探索这颗红色星球。

而此前60年的人类火星探测史上，中国只在2011年借“萤火一号”发射之机，低调而短暂地参与了一次任务最终失败的国际合作，直至2020年即将开启新的篇章。