发现水冰、揭秘火星大气，它们是唯二的火星侦察兵 | 火星探测简史

今天，国家航天局公布了“祝融号”火星车拍摄的首批科学影像图。着陆点全景图是火星车尚未驶离着陆平台时，由火星车桅杆上的导航地形相机进行360°环拍，经过校正和镶嵌拼接而成的。

“中国印迹”图是火星车行驶到着陆平台东偏南60°方向约6米处，拍摄的着陆平台影像图。图像中悬挂国旗和冬奥会吉祥物的着陆平台清晰可见，火星表面地貌细节丰富。

“着巡合影”图是火星车行驶至着陆平台南向约10米处，释放安装在车底部的分离相机，之后火星车退至着陆平台附近，分离相机拍摄了火星车移动过程和火星车与着陆平台的合影。图像通过无线信号传送到火星车，再由火星车通过环绕器中继传回地面。

着陆点全景图 来源：国家航天局

“中国印迹”图 来源：国家航天局

“着巡合影”图 来源：国家航天局

6月6日，美国的火星勘测轨道器（MRO）利用HiRISE高分相机拍摄到了天问一号着陆平台及天问一号祝融火星车；而早在2008年，MRO第一次在火星上拍摄到了另外一个航天器，被拍摄到的主角，就属于我们今天要回顾的美国火星探测计划的子项目——火星侦察兵。

美国火星探测计划的一个子项目——火星侦察兵项目，原计划是一个小型、低成本、高频次无人火星探测计划。

后来由于火星探测计划整体调整，火星侦察兵项目只进行了两次发射任务，第一个就是凤凰号着陆器（Phoenix Mars Lander）。

凤凰号着陆器为节约成本，加快进度，凤凰号采用了2001年被取消的火星勘测者号的着陆器。此外，它还携带了一套复杂的仪器，这些仪器是由失败的火星极地着陆器的仪器改进而来。

凤凰号着陆器

它的主要任务仍然是在火星上继续寻找水，而极地是最佳选择，因为那里曾经发现了水冰。凤凰号计划着陆的纬度相当于阿拉斯加北部，比以往任何一次任务都要偏北。在为期三个月的任务中，凤凰号在地表附近挖掘了一层富含冰的地层。它考察了土壤和水冰的样本，以寻找该地曾经适宜生命存在的证据。

凤凰号在火星上的形态

基本介绍


为了分析机械臂采集的土壤样本，凤凰号携带了微型烤箱和便携式实验室。将选定的样品加热以释放挥发物，并对其化学成分和其他特性进行分析。凤凰号上的立体摄像机位于2米长的桅杆上，用两只“眼睛”获取着陆场地的高分辨率图像。它还能提供着陆点周围地质图，供地面控制团队选择适宜挖掘的地点。多光谱探测能力可对着陆点的矿物进行鉴定。此外，凤凰号还将对高度达20千米的大气层进行扫描，以获得有关云、雾和尘羽的形成、持续时间和移动的数据。它还装有温度和压力传感器。

凤凰号着陆器在火星上工作示意图

凤凰号探测器总重664千克，其中着陆器重350千克。上面安装的科学仪器包括机械臂（RA）、显微镜、电化学和电导率分析仪（MECA）、机械臂摄像机（RAC）、表面立体成像仪、热气体分析仪（TEGA）、火星下降成像仪、气象站。2007年8月4日，它由德尔它7925运载火箭发射升空。

科学目标


凤凰号任务的科学目标包括研究火星上所有阶段的水的历史，寻找可居住区的证据，评估冰-土边界的生物潜力。更广泛地说，登陆器的设计目的是确定火星上是否曾经存在过生命，描述这颗红色星球的气候和地质特征，并为未来人类探索火星表面做准备。这是美国宇航局第一次委托亚利桑那大学领导的火星探测任务，更确切地说是由该校月球和行星实验室领导的。任务周期为90个火星日或大约92个地球日。

凤凰号着陆示意图

凤凰号发射后，于2007年8月10日和10月30日进行了中途校正，并于2008年4月10日和5月17日两次调整将其引向火星北极区。当它接近火星时，火星勘测者轨道器（MRO）、火星奥德赛和火星快车（欧洲）三个探测器轨道也被调整，以使它们能够观测到凤凰号进入大气层的情况。此外，MRO的高分辨率相机被用来全面监视着陆区。

MRO拍摄的凤凰号下降照片

凤凰号于2008年5月25日以每小时近21000千米的速度进入火星大气，并于美国东部时间23:38:38在北极区绿谷（Green Valley）安全着陆。

凤凰号着陆点

凤凰号的进入-下降-着陆过程比火星探路者、勇气号和机遇号简单，它经过了防热外壳气动减速、降落伞减速和反推火箭减速等几个阶段，省去了缓冲气囊着陆的步骤。在下降过程中，MRO的高清相机清晰地拍摄到了悬挂在降落伞下的凤凰号，这是第一次在行星着陆时由一个航天器拍摄到另一个航天器。

MRO拍摄凤凰号

凤凰号在展开太阳能电池板前，等待了15分钟以使反推发动机激起的尘埃消失。

凤凰号着陆后自拍

第一张照片显示的是一个被鹅卵石和水波破坏的平坦表面，但没有预期的大岩石或小山。在四天之内，凤凰号传送了一张完整的火星表面360°全景图。此后，它展开了2.5米长的机械臂，并开始定期发回天气报告。

火星全景

5月31日，机器臂铲起土壤，开始采集火星可能存在的冰。到2008年6月19日，地面任务科学家们已能得出结论，在机器臂挖掘的所谓一条壕沟中，多个明亮物质可能是水冰：这些物质在挖出后的四天内就蒸发了。

凤凰号发现火星上的冰块

2008年7月31日，宇航局正式宣布，根据对凤凰号着陆器采集的样本进行质谱仪分析，发现火星上存在水。亚利桑那大学的专家指出，这些数据补充了2001年火星奥德赛轨道器的资料，后者的数据也表明火星上存在水。

凤凰号发现的冰珠（底部阴影右下角）

8月5日，针对媒体关于火星上可能存在生命的传言，项目科学家宣布，他们在火星表面发现了高氯酸盐，既没有证实也没有驳斥火星上存在生命的可能性。

火星照片

项目结束


到2008年8月底，凤凰号完成了原定的90天的极区探测任务，后来又将任务延长至9月30日。9月12日，着陆器铲子向其湿化学实验室提供了新的土壤样本，该样本将水溶液混合到土壤中，以确定土壤中可溶性养分和其他化学物质。早期的研究结果表明，土壤是碱性的，由盐类和其他化学物质组成，如高氯酸盐、钠、镁、氯化物和钾。

凤凰号的机械臂挖掘器

10月13日，凤凰号经受住了一场沙尘暴。由于火星冬季即将到来，日照不足和恶劣的天气条件，着陆器于2008年10月28日进入安全模式。在安全模式下，非关键活动暂停，等待任务控制中心的进一步指示。从10月30日至11月2日，控制人员每天都试图与凤凰号联系，但此后没有收到任何信号。11月10日，宇航局宣布凤凰号“完成了在这颗红色星球上的成功工作”，12月1日，又宣布“已停止使用火星勘测者轨道器与凤凰号的联络”。凤凰号失联是电能低功率和尘暴作用的综合结果。在冬季，凤凰号上可能积存了厚达19厘米的二氧化碳冰，其重量足以破坏脆弱的太阳能电池板。

凤凰号的机械臂挖掘现场

2010年初，曾尝试与凤凰号进行联络但未成功。2010年5月24日，宇航局宣布该项目正式结束。来自MRO的图片最终显示，凤凰号的太阳能电池板在火星冬季的严寒中严重受损。凤凰号设计工作寿命为90个火星日，实际在火星北极成功运行了152个火星日，完成其全部科学目标。

几种着陆器着陆地点对比

凤凰号的重要成果是发现了水冰，且在后续采样分析中也发现过水冰。将带有水冰的土壤进行加热，当温度达到0℃的时候，凤凰号携带的科学仪器探测到了水蒸汽。

凤凰号拍摄的极区平坦地貌

MAVEN火星轨道器MAVEN（火星大气和挥发性演化，中文被译为马文）是火星侦察兵计划的第二个任务，也是最后一个任务。为了响应美国科学院2003年提出的行星探索十年计划，宇航局列出了高度优先的科学目标，研制发射MAVEN的目标旨在获取火星大气的关键测量数据，以帮助了解这颗红色星球历史上剧烈的气候变化。

MAVEN轨道器

该计划旨在探索火星的大气和电离层及其与太阳和太阳风的相互作用。目的是利用这些数据来确定随着时间的推移，火星大气中挥发物的损失如何影响了火星的气候，从而有助于更好地理解地球气候学。

基本介绍


MAVEN火星轨道器重2454千克，包括三类科学仪器：第一类是P&F粒子与场探测仪器包，包括太阳风电子分析仪（SWEA）、太阳风离子分析仪（SWIA）、超热和热离子组成（静态）、太阳能粒子实验（SEP）、朗缪尔探针与波实验（LPW）、磁强计（MAG）。第二类是遥感设备包，主要设备是成像紫外光谱仪（IUV）。第三类是中性气体和离子质谱仪包。2013年11月18日，NAVEN轨道器由宇宙神V401型火箭发射。

MAVEN进行太阳能板测试

MAVEN发射后先到达环绕地球167×315千米的停泊轨道。火箭上面级又将其推进到倾角27.7°，195×78200千米的双曲线地球轨道上。11月21日，上面级再次启动，MAVEN进入飞往火星的星际轨道。经两次中途修正后，美东部时间2014年9月21日3时24分，MAVEN成功进入环绕火星的轨道，此后又经过变轨，最终进入150×6300千米，周期4.5小时的轨道。较低的近火点是便于获取火星大气边缘的数据。

MAVEN轨道器工作示意图

科学发现


2013年10月中旬，MAVEN所有的科学仪器都被打开了，经过测试与准备，于11月16日开始为期一年的科学探测任务，利用9台科学仪器定期观测火星上层大气、电离层和太阳风等天气现象。2014年2月10日至18日，轨道器完成了五次“深潜”演习中的第一次，即将MAVEN轨道降低到125千米，使大气纵向探测范围有所扩大。这一过程中，前三天被用来降低轨道，后5天绕火星运行约20圈进行科学探测。2014年12月，该项目科学家宣布，MAVEN在火星大气层中发现了两个未预料到的现象，一个是高空尘埃云（海拔约150-300千米），另一个是北半球明亮的紫外线极光。

MAVEN拍摄的火星极光

到2015年9月，MAVEN在火星轨道上运行工作满1年，此时它已经进行了四次深潜探测。当年11月，宇航局批准将其工作期限进行拓展。宇航局披露，科学家发表了对MAVEN数据的分析结果，确定了促成火星气候从早期、温暖过渡的过程，以及目前可能支持表面生命的潮湿环境。更具体地说，这些信息有助于确定火星大气被太阳风“剥离”向空间扩散的准确率。由于火星内部发电机冷却，火星磁场屏蔽作用消失导致火星大气被太阳风剥离。初步结果表明，很久以前，火星曾经有一个密度更大的大气层，它支撑着火星表面的液态水。那时，火星可能已经具备了支持微生物生存的环境条件。然而，作为剧烈气候变化的一部分，火星的大部分大气在很久以前就消失在太空中了。干涸的沟渠和通常在水中形成的矿物质等特征仍然可以提供火星过去存在水的线索，但稀薄的火星大气不再允许水在表面保持稳定。2015年11月下旬、12月初，MAVEN连续近距离飞过火卫一卫星，距离在500千米以内，并利用紫外成像光谱仪采集火卫一光谱图像。

MAVEN拍摄的火卫一紫外图像

2016年10月3日，MAVEN完成了一个火星年的科学观测任务。2017年2月28日，MAVEN进行了一次小幅轨道机动，以避免与火卫一发生撞击。

MAVEN与火卫一交会示意图

MAVEN在轨道上的第二个火星年任务期间，它所获得的探测数据将与欧空局的跟踪气体轨道器（Trace Gas Orbiter）相协调。

Maven拍摄的火星电流

本文未注明来源的图片主要引自美国国家宇航局网站

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作者简介：李成智，北京航空航天大学人文社会科学高等研究院教授、博士生导师。

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