編者按："浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索"，為此，中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設「Calling太空」科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。
火星可能是月球之外的人類第二關心的其他星球。它在軌道上繞太陽飛行時，相距地球最近的距離約為5500萬公里，最遠的距離則超過4億公里，兩者之間的近距離接觸大約每15年出現一次，通常是最適合登陸火星和在地面對火星觀測的時機。
2020年的中國「天問」1號（Tianwen-1）和美國「毅力」號（Perseverance）為世人所矚目。「毅力」號的發射時間一改再改，不過大體上應該與「天問」1號相近。這不由得讓人想到距今49年前的1971年，美國和蘇聯的探測器——「水手」9號、「火星」2號和「火星」3號也是在相距很近的時間發射，「比翼齊飛」前往火星，並且在相似的時間抵達火星開展探測活動。
真實色彩的火星圖像（圖片來自網絡）
更早的火星探測器——失敗是成功之母
其實人類探測火星的歷史比這要早。1964年，美國發射探測火星的「水手」3號失敗，但隨後的「水手」4號於大約1965年7月14日、7月15日飛越火星，距離火星最近的距離是9846千米，是我們人類第一個成功飛越火星的宇宙飛行器；它拍攝的一系列照片，也是人類探測器第一批靠近火星時拍攝的火星表面照片。而從1960年10月至1963年6月，蘇聯嘗試發射了5顆火星探測器，都比美國的「水手」3號發射還早，但全部失敗；1961年的「火星」1號雖然被認為飛到了火星19萬公里的附近，但它在整個飛行旅途中完全是失聯的；甚至於截止到1971年「火星」2號和「火星」3號成功之前，蘇聯已經經歷了9次的火星探測失敗。
第一個飛越火星的「水手」4號外觀（圖片來自網絡）
1971年，美蘇發射的「水手」9號、「火星」2號和「火星」3號探測器有著特殊的意義——它們是第一批環繞火星飛行的探測器。蘇聯的「火星」2號於1971年5月19日發射，「火星」3號於1971年5月28日發射，美國的「水手」9號於1971年5月30日發射，它們的發射前後只有10天左右的差距，目標都是火星。
「水手」9號——第一個繞火星飛行
猜猜是誰先到的？最晚發射的「水手」9號第一個抵達，成為了第一顆環繞火星飛行的探測器，也就是火星的人造衛星。它於1971年11月14日進入環繞火星的軌道，軌道近火點為1390千米，遠火點為17920千米，在軌349天，運行周期為12小時34分鐘。
「水手」9號外形為八面柱體，帶有4塊太陽能電池帆板，攜帶了電視攝像機以及紅外、紫外觀測設備等，可以從多種方式拍攝火星。在11月14日它進入火星軌道的時候，火星全球適逢「迄今為止觀測到的最大的風暴」，星球表面一篇模糊，「水手」9號的計算機不得不接受來自地球的重新編程，因此1972年1月中旬才開始火星的表面成像（並不是如一些資料所說1972年1月才入軌）。在這段沙塵瀰漫的時期，「水手」9號通過調整軟體，重點研究了火星那些高海拔的火山。
第一個繞火星飛行的「水手」9號外觀（圖片來自網絡）
我們可能在影視作品中聽說過火星存在非常強的沙塵暴，典型的就是科幻電影《火星救援》中主角等人遭遇火星風暴時，主角被狂風吹起的金屬天線戳破了太空衣受傷昏迷，直到風暴停止後才奮力獨自求生。火星風的特點是容易出現大規模的沙塵暴：在一塊大陸那麼大的區域持續幾周，大的風暴甚至覆蓋全球，在地球的望遠鏡都能看到，可以持續長達幾個月，讓火星表面的地形整個變得模糊了。而火星上的高山特別出名，其中最著名的奧林匹斯山，很早就被注意到，就是因為不會被沙塵暴所遮蓋；它高出火星的基準面約21229米，從山頂到山腳的高度差大約是2萬1千900餘米。
沙塵暴時火星變模糊（圖片來自網絡）
「水手」9號延續了美國之前「水手」系列的6號和7號對火星大氣的研究，並且利用它在近火點附近前所未有的低飛行高度實現了超高的拍攝解析度（1公里/像素 x 100米/像素），傳回了7329張照片，繪製了超過85%火星地表的地圖。另外，它的紅外線輻射計用來偵測熱源，作為研究火星火山活動的證據。「水手」9號甚至對火星的兩顆天然衛星也進行了探測分析。1972年10月27日，「水手」9號耗盡了控制姿態用的氣體，結束任務墜入火星大氣中。
「火星」2號——第一個硬著陸火星
而同一時期抵達火星的蘇聯探測器「火星」2號和3號，被認為因軟體無法適應沙塵暴情況而限制了探測。三顆當中最先發射的「火星」2號於1971年11月27日實現了環繞火星飛行，軌道為1380公里×24940 公里，周期為18小時。蘇聯的野心很大，「火星」2號包含著陸器和軌道器，並攜帶了一輛名為Prop-M的4.5公斤的火星車，準備一口氣完成環繞飛行、軟著陸和巡視器在火星表面的探測。這輛火星車由一根15米長的纜線與著陸器相連，可以讓它在15米範圍內每隔1.5米進行測量。然而事與願違，在沙塵暴中，降落時困難重重，減速傘未能打開，著陸器連同火星車一同墜毀。不過，雖然探測失敗，但「火星」2號的著陸器成了第一個硬著陸在火星表面的人造物體。
「火星」2號和3號探測器的外觀（圖片來自網絡）
「火星」3號——短暫的火星登陸
「火星」3號比2號僅僅晚了不到10天，同樣成功進入了環繞火星飛行的軌道。儘管火星風暴還未平息，但1971年12月2日，「火星」3號的著陸器奇蹟般的軟著陸在火星表面，成為了首個安全降落於火星的人造物體；儘管降落後與地球的通訊僅僅維持了20秒，但它傳回了地球一張灰度圖（圖中沒有任何信息）。它也攜帶了Prop-M火星車，但沒能釋放。「火星」3號全重4.65噸，繞火飛行器重3.44噸，著陸器重1.21噸。從現存的模型來看，著陸器是一個直徑1.2米的球形，頂部有4個三角形的瓣，著陸後將打開露出其中的儀器，這種設計頗具美感。
「火星」2號和3號著陸器的模型（圖片來自網絡）
結語：
幾乎50年前，蘇聯和美國在航天事業的較量中，各自獨立且幾乎同時發射了「水手」9號、「火星」2號和「火星」3號探測器。它們比翼前往火星，並幾乎同時實現了人造太空飛行器繞火星飛行。時至今日，祝願我們中國的「天問」1號和美國的「毅力」號都能圓滿成功，取得人類更進一步的成就！
來源：中國科學院國家空間科學中心