縱觀歷史，人類對火星的好奇從未停止。從上世紀 60 年代以來，多個國家前後已經進行了共幾十次的火星探索任務，但成功登陸的寥寥無幾。

到目前為止，只有美國和前蘇聯成功將探測器送上了火星。其中，美國有八次登陸成功紀錄，前蘇聯也曾在 1971 年短暫成功登陸。不過，這兩國的成功經驗也是由一次次的失敗鋪墊而來的。在他們發射的探測器中，絕大多數以失敗告終。對於美國和前蘇聯來說，火星簡直就是 “噩夢”一般的存在。

探測器首次飛越火星

人類對火星的嚮往，從太空探索初期就開始了。當時，前蘇聯剛剛於 1957 年向太空發射了首顆人造衛星，僅僅三年後，就把目光轉向火星。在 20 世紀 60 年代，前蘇聯曾多次嘗試向火星傳送探測器，美國宇航局 (NASA)也很快就推出了水手 3 號 (Mariner 3)。不過，在最初的幾次任務中，探測器都沒能成功接近火星。

1960 年 10 月 10 日，前蘇聯向火星發射了第一枚探測器 Marsnik 1。緊接著，就在首次發射 4 天以後，第二枚名為 Marsnik 2 的探測器也發射升空。然而這兩枚火星探測的先行者卻連地球軌道都沒能到達，就在發射過程中發生爆炸。

1962 年 10 月 24 日，前蘇聯發射了第三枚火星探測器衛星 22 號，目標是飛越火星。然而由於發射探測器的火箭存在嚴重的問題，導致其在到達地球軌道後不久爆炸。

1962 年 11 月 1 日，前蘇聯又發射了火星 1 號，計劃飛越火星。幸運地是，這枚探測器成功進入了前往火星的軌道，並且計劃於 1963 年 6 月 19 日到達火星。然而在飛行 5 個月、距離地球 1.06 億千米遠時，探測器上的無線電發生故障，與地球永遠失去了聯絡。

1962 年 11 月 4 日，前蘇聯的火星探測器衛星 24 號升空，同樣計劃飛越火星。然而，歷史總是驚人地相似。這枚探測器雖然成功進入了地球軌道，但當它改變方向前往火星軌道時，火箭未能成功點火，兩個月後墮入地球大氣層燒燬。

1964 年，美國也先後向火星發射了兩枚探測器，分別是水手 3 號（Mariner 3）和水手 4 號（Mariner 4）。其中，水手 3 號於 11 月 5 日發射升空，計劃飛越火星。這是美國發射的第一枚火星探測器，然而發射僅僅一小時後，太陽能電池板就出現問題，探測器的保護外殼未能按預定計劃與探測器分離，導致探測器偏離軌道，最終發射失敗。

但是，水手 4 號的表現卻很出色。這枚探測器於 1964 年 11 月 28 日發射升空，並於 1965 年 7 月 14 日首次飛越火星。於是，它成為了有史以來第一枚成功到達火星附近併發回資料的探測器。水手 4 號向地球發回了 21 張照片，此後又在太陽軌道上環繞了三年對太陽風進行探測。

圖：水手 4 號飛越火星時拍攝的照片

水手 4 號發射兩天後，也就是 1964 年 11 月 30 日，前蘇聯再次向火星發射了探測器 Zond 2，但是這枚探測器同樣以失敗告終。它雖然到了火星附近，但不能向地球發回任何資料。

1969 年，NASA 向火星發射了水手 6 號（Mariners 6）和水手 7 號（Mariners 7）。這兩枚探測器都到達了火星，攜帶有更先進的儀器和通訊裝置，併發回了幾十張照片。好巧不巧，這兩個探測器都恰好飛過火星的隕石坑區域，這讓天文學家們誤以為火星跟月球長得差不多。

前蘇聯也於 1969 年向火星發射了兩枚探測器，然而這甚至比此前的情況更加糟糕，第一枚探測器火星 1969A 在發射 7 分鐘後因發動機故障發生爆炸，而火星 1969B 發射後不到 1 分鐘就墜向了地面。

1971 年，美國向火星又發射了兩枚探測器，嘗試進入火星軌道，環繞火星飛行，以獲取火星的高清照片。5 月 8 日，NASA 的水手 8 號 (Mariner 8)在發射過程中以失敗告終，墜入大西洋。緊接著，5 月 30 日，水手 9 號（Mariner 9）發射升空，成為了有史以來第一枚成功進入環繞火星軌道的探測器，取得了空前的成功。它在火星軌道上工作了將近一年之久，發回了 7329 張照片，包含了火星表面超過 80% 的部分。

首次登陸火星表面

前蘇聯在 1971 年向火星發射了三枚探測器。5 月 10 日，前蘇聯發射宇宙 419 號 (Kosmos 419)，並進入了地球軌道。按照計劃，這枚探測器應該在地球軌道上停留 1.5 小時，然後點火向火星進發，但是由於人為失誤，結果它的計時器要等上 1.5 年才向火箭發出這個點火指令。

火星 2 號和火星 3 號是前蘇聯當年發射的另外兩枚火星探測器，它們與宇宙 419 號的設計幾乎完全相同，分別於 5 月 19 日和 5 月 28 日發射升空，火星 2 號著陸器於 11 月 2 日到達火星，但不久便與地球失去了聯絡。火星 3 號於 12 月 2 日抵達，成為了有史以來第一個成功在火星表面著陸的探測器。但不幸地是，它僅僅火星上工作了大約 20 秒，甚至沒能發回一張照片，就與地球失去了聯絡。

圖：前蘇聯火星 3 號登陸器

隨後，前蘇聯又陸續發射了四枚探測器，取得了部分成功。

火星 4 號於 1973 年 7 月 21 日發射升空，火星 5 號於 7 月 25 日發射升空，它們分別於 1974 年 2 月 10 日和 2 月 12 日到達火星附近。其中，火星 4 號沒能成功進入火星軌道，而火星 5 號則在進入火星軌道拍到世界上第一張火星彩色照片後停止工作。

火星 6 號和火星 7 號都攜帶有軌道器和著陸器，它們分別於 1973 年 8 月 5 日和 8 月 9 日發射升空，然後分別於 1974 年 3 月 9 日和 3 月 12 日到達火星附近。其中，火星 6 號的著陸器成功進入了火星大氣層並打開了降落傘，但著陸器被撞擊摧毀。而火星 7 號的著陸器 “成功”錯過了這顆行星。

前蘇聯探測器成功登陸火星後，美國在 1975 年向火星發射了兩對軌道器和著陸器。海盜 1 號和海盜 2 號都於 1976 年抵達火星附近，並在軌道器仍在上方工作的情況下將著陸器送到了地表。這兩個探測器都持續工作了數年，並向地球傳回了大量資訊，這也是人類首次對火星的深入探索。

20 世紀 80 年代，前蘇聯曾兩次嘗試探測火星的衛星火衛一（Phobos），但兩次任務都以失敗告終。1991 年，前蘇聯解體，其太空計劃由俄羅斯和烏克蘭繼承。俄羅斯航天局拿下接力棒，於 1996 年 11 月 16 日發射了火星 96 號任務。然而，探測器進入地球軌道後未能成功點火進入前往火星的軌道，不久後墜入太平洋。

首個飛越火星的探測器 “水手 4 號”

在人類探索火星的程序中，有兩個探測器堪稱是 “大功臣”，其中之一就是 NASA 的水手 4 號。它是第一個成功飛越火星並傳回火星表面照片的探測器。它設計的主要目的是對火星進行近距離的科學觀測，並將觀測資料傳回地球，其他目標是在火星附近進行力場和粒子測量，為以後的星際飛行提供經驗。

圖：NASA 水手 4 號火星探測器

水手 4 號飛船由八角形的鎂框架組成，橫跨對角線長 127 釐米，高 45.7 釐米。四塊太陽能電池板連線到框架的頂部，端到端跨度為 688 釐米，包括從兩端延伸的太陽能壓力葉片。框架頂部還安裝了直徑 116.8 釐米的高增益拋物面天線。天線旁邊的 223.5 釐米高的桅杆上，則安裝有全向低增益天線。

探測器的總高度為 289 釐米。在底部中心，電視攝像機安裝在掃描平臺上。八角形的框架容納了電子裝置、電纜、中段推進系統以及姿態控制氣體供應和調節器。大多數科學實驗儀器都安置在框架外面。除了電視攝像機，其他科學儀器還包括磁力計、塵埃探測器、宇宙射線望遠鏡、俘獲輻射探測器、太陽等離子體探測器和電離室 / 蓋革計數器。

電力由四塊 176 x 90 釐米太陽能電池板組成，包括 28224 塊太陽能電池，可以在火星提供 310 瓦電力。一個可充電銀鋅電池用於後備電源。單推進劑聯氨用於推進，通過安裝在八角形結構一側的 4 噴氣葉片式向量控制 222-N 發動機。姿態控制由安裝在太陽能電池板末端的 12 個冷氮氣噴嘴和 3 個陀螺儀提供。太陽能壓力葉片，每個面積 0.65 平方米，連線在太陽能電池板的尖端。位置資訊由四個太陽感測器、一個地球感測器、一個火星感測器和一個 Canopus 感測器提供。

資料可以儲存在容量為 524 萬位元的磁帶上，以便稍後傳輸。所有操作均由命令子系統控制，可處理 29 個直接命令詞或 3 箇中途動作量化詞命令中的任何一個。中央計算機和定序器使用 38.4 kHz 同步頻率作為時間基準來操作儲存的時序命令。溫度控制是通過使用安裝在六個電子元件上的可調百葉窗、多層絕緣毯、拋光鋁屏和表面處理來實現的。

經過 7 個半月的飛行，包括 1964 年 12 月 5 日的一次中途機動，水手 4 號於 1965 年 7 月 14 日和 15 日飛越火星。當時距離火星表面最近 9846 公里，距離地球 2.16 億公里，以相對於火星約 7 公里 / 秒 (相對於地球 1.7 公里 / 秒)的速度移動。飛越過程中拍攝的影象被儲存在機載磁帶中。錄音影象在訊號重新採集和控制後約 8.5 小時開始向地球傳輸，一直持續到 8 月 3 日。所有影象都傳輸了兩次，以確保沒有資料丟失或損壞。

水手 4 號成功執行了所有預定活動，並傳回了從發射到 1965 年 10 月 1 日期間所有有用的資料，當時它距離地球 3.092 億公里，天線暫時停止了訊號採集。1966 年 5 月 3 日重新建立了間歇性遙測聯絡，顯示航天器和儀器正在執行。全部資料採集工作於 1967 年底恢復。

9 月 15 日，宇宙塵埃探測器在 15 分鐘內記錄到 17 次訊號，顯然遇到了小型流星雨，於是它暫時改變了航天器的姿態，並可能輕微損壞了隔熱罩。12 月 7 日，姿態控制系統的氣體供應耗盡，12 月 10 日和 11 日，共記錄到 83 次微流星體撞擊，導致姿態攝動和訊號強度下降。1967 年 12 月 21 日，水星 4 號與地球的通訊終止。

水手 4 號任務傳回的總資料為 520 萬位元。除了電離室 / 蓋革計數器在 1965 年 2 月失效和等離子體探針在 1964 年 12 月 6 日因電阻器故障而效能下降之外，所有的實驗都執行得很成功。返回的影象顯示了一個類似月球的隕石坑地形。據估計，火星地表大氣壓為 4.1 至 7.0 毫巴，白天溫度為零下 100 攝氏度，沒有檢測到磁場，得出的結論是太陽風可能與火星大氣直接相互作用，大氣和表面完全暴露在太陽和宇宙輻射之下。

水手 4 號任務的總費用估計為 8320 萬美元。水手系列探測器 (水手 1 號到水手 10 號)的研究、發射和支援費用總額約為 5.54 億美元。

首次登陸火星的 “火星 3 號”

與水手 4 號不同的是，前蘇聯火星 3 號是人類史上第一艘在火星上成功軟著陸的航天器。火星 3 號和火星 2 號任務由相同的探測器組成，每個探測器都由軌道器和著陸器組成。火星 3 號著陸器的主要科學目標是在火星上進行軟著陸，從火星表面傳回影象，並返回有關氣象條件、大氣成分以及土壤機械和化學性質的資料。

火星 3 號著陸器安裝在與推進系統相對的軌道器上。它包括一個直徑 1.2 米的球形著陸艙，一個直徑 2.9 米的圓錐形空氣動力制動護罩，一個降落傘系統和反推火箭。整個著陸器加滿燃料後重為 1210 千克，其中球形著陸艙重 358 千克。

由微型氣體發動機和加壓氮氣容器組成的自動控制系統提供姿態控制。四個 “火藥”發動機安裝在圓錐體的外緣，以控制俯仰和偏航。主降落傘和輔助降落傘，啟動著陸的發動機，以及雷達高度計都安裝在著陸器的頂部。泡沫被用來吸收著陸時的衝擊。著陸艙有四個三角形的 “花瓣”，在著陸後會開啟，使航天器恢復正常功能，並露出儀器。

圖：火星 3 號登陸器剖面圖

著陸器上裝有兩個可以 360 度觀察火星表面的電視攝像機，用於研究大氣成分的質譜儀、溫度、壓力和風感測器以及測量表面機械和化學性質的裝置，包括搜尋有機材料和生命跡象的機械鏟子。此外，上面還帶有蘇聯盾形紋章的三角旗。四個天線從球體頂部伸出來，通過機載無線電系統與軌道飛行器進行通訊。該裝置由電池供電，在分離前由軌道飛行器充電。溫度控制是通過隔熱和散熱器系統來維持的。著陸艙在發射前進行了消毒，以防止汙染火星環境。

火星 2 號和 3 號著陸器搭載了名為 Prop-M 的小型行走機器人。機器人的質量為 4.5 千克，並通過電纜拴在著陸器上，以便進行直接通訊。這個機器人被設計成可以在滑雪板上 “行走”，極限是 15 米（與電纜長度相同）。Prop-M 身上攜帶了動態滲透儀和輻射密度計。

Prop-M 的主框架是個粗壯的盒子，中間有個很小的突起。框架由兩個扁平滑雪板支撐，其中一個從兩邊向下延伸，使框架略高於表面。盒子的前面是障礙物探測棒。Prop-M 計劃在由機械手手臂著陸後放置在地面上，並在電視攝像機的視野內移動，每隔 1.5 米停下來進行測量。火星土壤中的運動痕跡也將被記錄下來，以確定材料的性質。

1971 年 12 月 2 日，著陸器與軌道器分離。大約 15 分鐘後，下降引擎啟動，將防空罩指向前方。隨後，該模組以 5.7 公里 / 秒的速度以不到 10 度的角度進入火星大氣層。制動降落傘隨後展開，主降落傘被收起，直到著陸器降至超音速以下，這時主降落傘完全展開，隔熱板被彈出，雷達高度計被開啟。在 20 到 30 米的高度，以 60 到 110 米 / 秒的速度，主降落傘斷開連線，一枚小火箭把它推到旁邊。與此同時，著陸器的反推火箭啟動。整個進入大氣層的過程花了 3 分鐘多一點兒的時間。

據報道，火星 3 號著陸器以 20.7 米 / 秒的速度撞擊地表。為了防止損壞儀器，艙內還配置有減震器。四個花瓣形狀的蓋子開啟，隨後著陸器開始向火星 3 號軌道器傳輸訊號。然而僅僅 20 秒後，由於未知原因，訊號傳輸停止，地球上沒有收到來自火星表面的訊號。

目前還不清楚故障原因是來自著陸器還是軌道器上的通訊繼電器。著陸器傳回的部分全景影象沒有顯示細節，而且照度非常低。故障的原因可能與當時發生的極強火星沙塵暴有關，這場沙塵暴可能引發了日冕放電，破壞了通訊系統。沙塵暴也可以解釋影象光線不佳的原因。