20世紀60-70年代是蘇美火星探測的第一個階段，在此階段蘇美兩國制定的目標是有限的、漸進的。
由於火箭、探測器研製與導航、控制技術不夠完善，這個階段的
第一個目標是發射探測器使之儘可能靠近火星並掠過
，用相機拍攝火星並用儀器探測火星的各類引數，這就是“掠”（Flyby）。
第二個目標
是發射探測器並透過變軌、減速等手段使之繞火星旋轉，成為火星的衛星。實現這個目標就可以在火星軌道上較長時間就近觀察、探測火星，這就是“繞”（Orbiting）。
第三個目標
是發射探測器並透過變軌、減速、下降、著陸等過程，實現在火星上軟著陸，這就是“落”（Landing）。
水手號-描繪火星面貌
在火星探測領域，美國起步比蘇聯晚了4年。1964年11月5日，
美國發射了第一顆火星探測器——水手3號
，因火箭發生故障它未能進入地球軌道，任務失敗。
11月28日美國又發射水手4號探測器，它成功地飛掠過了火星，最近距離只有
1000千米
。
水手4號探測器
在這樣近的地方發現火星上佈滿環形山，那裡沒有運河，也沒有水。它還第一次拍攝了火星表面的照片。
水手4號火星照片
水手3和4號探測器完全相同，探測器重260。8千克，由宇宙神-阿金納D型火箭發射。
水手4號組裝
探測器帶有成像系統、宇宙塵埃探測器、宇宙射線望遠鏡、電離室、氦磁強計、輻射俘獲探測器、太陽等離子體探測器等裝置。
它的探測與資料傳輸一直持續到1965年12月31日，是
早期行星探測器表現最出色的一個
。
Mariner-4拍攝的火星奧林匹克山
1969年
初，美國
發射了水手6號和7號火星探測器
。它們取得了一定成功，不但發回了一些資料，而且向地面傳送了200張火星照片。
水手6號探測器
水手6號和7號是同一組新的火星探測器，技術狀態基本一致。
它們的質量提高到381千克，主要儀器有成像系統（兩臺電視攝像機）、紅外光譜儀、紫外光譜儀、紅外輻射計、天體力學實驗、S波段掩星實驗儀和錐形輻射計。它們分別於1969年2月25日和3月27日由宇宙神-人馬座運載火箭發射。
水手7號發射
兩個探測器都計劃在近距離（大約3200千米）飛行期間研究火星表面和大氣層，還包括掩星實驗。
所有的儀器都是為了收集火星上的資料而設計的
；沒有用於研究行星際空間的實驗。
探測器由一個八面體鎂框架建造的，框架內有四塊矩形太陽能電池板，功率為449瓦。探測器核心是11。8千克重的控制計算機和定序器（CC&S）計算機，
可在不受地面控制的情況下獨立操作探測器。
水手6號
於美國東部時間7月31日飛越火星，距離
3429千米
。
在最接近火星（赤道以南）15分鐘前，兩臺電視攝像機開始以每42秒自動拍攝一次火星照片，17分鐘內拍攝了24張近景照片，這些照片被儲存在磁帶錄音機中，然後在飛行20小時後以每5分鐘一幀的速度傳回地球。
水手6號火星照片
照片顯示了
複雜的隕石坑和混亂的地區
，與月球的某些部分沒有什麼不同。南極地區的影象顯示了不規則邊界的有趣細節。科學儀器探測表明，
北極帽發出的紅外輻射與固體二氧化碳一致
。
水手6號發現火星表面大氣壓力相當於地球表面30。5千米高，大氣成分約98%是二氧化碳，溫度從夜間的-73℃到南極帽的-125℃不等。
水手6號最終進入日心軌道（1。14×1。75 AU），美國宇航直到1971年年中一直從水手6號上接收資料。
火星近景照片
水手7號飛行過程不太順利，但最終還是獲得了一些成果。它拍攝了
93張
火星的遠景和
33張
近景影象，顯示了與水手6號非常相似的複雜隕石坑地形。
最接近火星的時間是1969年8月5日，距離為3430千米。奇怪的是，儘管解析度高達300米，
水手7號卻發現南緯希臘大環形山中心沒有撞擊坑
。
水手7號在火星南緯59°，東經28°希臘平原地區測量到大氣壓力為3。5毫巴，溫度為-90°F，表明該地區比平均地形高出約6千米。
後來的分析表明，
拍攝的照片中至少有3張包括火衛一
。雖然表面特徵看不見，但照片清楚地顯示火衛一的形狀不規則。
水手7號後進入日心軌道（1。11×1。70 AU），宇航局一直保持從該探測器接收資料，直到1971年年中。
水手7號拍攝的火衛一照片
隨著探測器技術水平的提高、控制技術的增強以及火箭運載能力增大，深空探測器有可能透過安裝複雜的軌道控制與減速系統，使之進入行星軌道，成為人造行星衛星。
水手8號和9號就是第二階段計劃進入火星軌道的探測器。
1971年
5月9日，水手8號探測器發射，因火箭問題而失敗。與之相同的水手9號則取得了很大成功。它獲得了大量關於火星的探測資料，一共拍攝併發回了7000多張火星和其衛星的照片。
水手9號探測器
水手9號和8號完全相同，重997。9千克，都基於寬八角形結構，使用雙組元推進系統，固定推力為136千克，用於環繞火星的軌道進入。
安裝有成像系統、紫外光譜儀、紅外光譜儀和紅外輻射計。所有科學儀器都安裝在主體下方的可移動平臺上。延伸的太陽能電池板跨度為6。9米。
水手9號於1971年5月30日發射，1971年6月5日經中途修正後，啟動主發動機工作915。6秒，進入火星軌道，從而使之成為第一個進入繞行星軌道執行的人造物體。
水手9號發射
這次任務的主要目標是在火星軌道執行的頭3個月繪製大約70%的表面地圖
。成像任務於11月下旬開始，但由於這段時間在火星發生了嚴重的沙塵暴，1972年1月中旬之前拍攝的這顆行星的照片並沒有顯示太多細節。
沙塵暴平息後，從1972年1月2日起，水手9號開始發回
火星深坑景觀的照片
，
這是史上第一次。
發現的橫跨薩瑞南高地1700多千米的巨大平行細溝系統。這些資訊推翻了認為火星在地質學上是惰性的觀點。
水手9號火星照片
有人猜測，在早期，火星表面可能存在水，但水手9號探測資料尚不能提供任何確鑿的證據。
到1972年2月，
水手9號已確認了大約20座環形山
，其中一座後來被命名為
奧林匹斯山
，其規模遠大於地球上任何類似的特徵。
根據水手9號光譜儀的資料，確定了奧林匹斯山可能由來自行星內部的熱岩漿噴發形成的“大火山堆”。該山大約15-30千米高，底部直徑600千米。
火星上另一個主要的地表特徵是大峽谷
，長4000多千米，寬200千米，某些地區深達7千米。這個峽谷後來被命名為水手大峽谷。
水手大峽谷
水手大峽谷
1972年2月11日，宇航局宣佈水手9號完成了它的所有任務目標。到
1972年10月27日最後一次通訊聯絡後
，水手9號攜帶的用於姿態控制的氣態氮耗盡，任務結束。
水手9號火星照片
水手9號作為人類第一顆進入火星軌道的探測器，取得了突出的成就。利用它發回的資料，
科學家繪製了火星85%的地圖
，解析度為1–2千米。它拍攝併發回了7329張照片（包括至少80張火衛一和火衛二的照片）。
水手9號拍攝的火衛一照片
水手9號是航天時代早期偉大的探測器
，做出的發現和取得的成就意義深遠。在失去觀測能力後，它還一直繞火星執行。
依據水手9號資料製作的火星模型
海盜號-尋找地外生命
為了更好地搜尋地外生命，美國宇航局在
1961年
曾邀請生命與環境專家詹姆斯·拉夫洛克參與了美國的空間計劃，
規劃了尋找地外生命的方式
。
詹姆斯認為，應該擺脫“地球中心論”思想，拋棄以往直接搜尋生命體和辨認生命體內DNA等方法，轉而
利用基於細胞的生物反應來搜尋地外生命
。
他提出可以把蒐集來的火星樣本澆上水，以檢測微生物生長的痕跡。詹姆斯的想法直接定義了海盜號探測器（以下簡稱海盜號）的地外生命探測思路。
海盜號原型
由於火星大氣的主要成分是二氧化碳，只有少量水蒸氣，於是科學家們想到可以
在地球上的類似環境中對海盜號進行測試
。
他們在南極洲的幹谷、智利的阿塔卡瑪沙漠相繼開展了測試實驗，並且
成功尋找到樣本中的生命跡象
。這一結果使科學家們備受鼓舞，他們又重新燃起對火星生命的期待。
在這些研究基礎上，美國於
1975年
8-9月發射了兩個先進的海盜號火星探測器，
這是美國60-70年代火星探測三部曲的最後一部——火星軟著陸
。
它們到達火星表面後工作了3個月之久，發回了不少探測資料和照片，從而加深了人們對火星的認識。
除了搭載了用於測量火星溫度、磁場、風速等資料的儀器外，它們還攜帶了用於搜尋生命的生物學實驗裝置。
它們發回的全綵圖片揭示了一個與地球完全不同的世界，
人們首次瞭解到火星上的天空是鏽紅色的，而不是類似於地球的藍色
。
海盜號專案經理對這一歷史性的火星登陸評價道：“我們創造了歷史！火星從一個詞語、一個抽象的概念，變成了一個實實在在的地方！”
海盜1號（Viking 1）探測器質量3527千克。它由兩大部分組成，
一是軌道器
，重2339千克，由成像系統（2個攝像機，VIS）、水蒸氣測繪紅外光譜儀（MAWD）和熱成圖紅外輻射計組成。
二是著陸器
，呈六邊形，每面長0。56 米，高1。09 米，由三個腳架提供支撐，淨重576千克，由成像系統（2臺傳真攝像機）、氣相色譜質譜儀、地震計、X射線熒光光譜儀、生物實驗室、氣象儀器包（溫度、壓力、風速）、遠端取樣器臂組成，其外殼上還有緩速電位分析儀，高層大氣質譜儀，壓力、溫度和密度感測器等裝置，主要用於對火星表面的生物、化學、氣象、地震、地磁、地貌等方面進行研究。
海盜1號
海盜號著陸器由鈽-238放射性核溫差發動機提供能源，因此有較長的使用壽命。
海盜1號著陸器的熱保護殼
1975年8月20日，海盜1號由新型大力神Ⅲ-人馬座運載火箭發射
。
海盜1號發射
依靠所攜帶的推力器，經過三次中期修正（1975年8月27日、1976年6月10日和15日），海盜號於1976年6月19日進入繞火星軌道，初始軌道引數為1500×50300千米。
第二天，軌道器經變軌進入1500×32800千米的工作軌道。同一天，當軌道器開始傳送金色平原地區預定著陸地點的照片時，科學家發現該地區比預期的更粗糙。科學家們利用這些新照片，將著陸器對準了位於金色平原西部斜坡的另一個地點。
海盜1號軌道器拍攝的火星
1976年7月20日，著陸器與軌道器分離並減速下降。其過程是熱防護殼空氣動力減速、降落傘減速、著陸器反推發動機減速，在此期間著陸器還採集了火星的大氣樣本。
海盜1號著陸器軟著陸於火星表面的時間是1976年7月20日
，著陸點距離計劃目標約28千米，地理位置是北緯22。5°，東經47。94°。降落後，著陸器即開始拍攝高質量的周圍環境照片（三種顏色）。
海盜1號著陸器拍攝的火星表面圖片
除了高解析度影象外，著陸器還拍攝了360°的全景照片，不僅顯示了著陸器本身的部分，而且還顯示了環境中溫和起伏的平原。
火星全景照片
儀表記錄的溫度範圍從-86°C（黎明前）到-33°C（下午）。然而，著陸器上攜帶的地震儀無法工作。
海盜號拍攝的水手大峽谷
7月28日
，海盜1號著陸器的機械臂在火星表面挖了一個深約5釐米的坑
，採集了第一批土壤樣本
，將它們放入一個特殊的生物實驗室進行分析，其中包括一個氣相色譜質譜儀。
收集的四個樣本的累積資料可以初步解釋為火星表面存在生命（“弱陽性”）
。但使用氣相色譜儀（能夠檢測出土壤中低至億分之一到十的有機化合物）實驗對有機化合物進行的重點測試時，結果為陰性。
分析結果令人困惑，土壤樣本確確實實出現與地球上的光合作用相吻合的讀數，也被發現可能是微生物造成的氧氣和二氧化碳釋放的痕跡，但
探測器攜帶的有機物分析儀器卻檢測不到生命跡象
。
科學家們認為此次探測到的諸多現象更像是化學反應而非生物反應
。雖然海盜號並沒有在火星上發現確鑿的生命跡象，但它啟發人們深入思考生命的定義，開啟了“我們是否採用了正確方法尋找火星生命”的討論。
海盜1號照片
雖然海盜1號和2號探測器的主要任務於1976年11月結束，但由於它們的裝置良好，能源供給平穩，因此地面控制中心人員決定都它們的任務進行拓展，
分別延長任務到1978年5月和1979年7月
。隨後，海盜1號軌道器的勘測任務也從1979年7月延長到1980年7月。
海盜1號登陸器不愧是長壽命的探測器，一直工作到1982年11月11日
，而且每天（後來每週）發回探測資料。如果不是因為地面控制中心人員傳送了錯誤指令導致通訊中斷，它可能還會工作更長時間。
海盜號軌道器
在拍攝了更多高解析度的火星和它的兩顆衛星影象後，因姿態控制系統推進劑耗盡，於1980年8月7日關閉，此時它已環繞火星飛行了1489圈。
海盜1號拍攝的火星“人臉”
美國行星學家卡爾·薩根是海盜探測器科學團隊成員
海盜2號於1975年9月9日發射
。9月19日成功中途修正後，海盜2號在1976年8月7日發射近一年後進入環繞火星的軌道。初始軌道引數為1502×35728千米，傾角55。6°。
海盜2號
與海盜1號一樣，原始著陸地點的照片顯示地形崎嶇，促使任務規劃人員在極地冰蓋邊緣附近的烏托邦平原選擇一個新的地點，預計在那裡找到生命跡象的可能性更大。
海盜2號著陸器烏托邦平原照片
1976年9月3日美國東部時間20時19分，著陸器與軌道器順利分離，進入大氣層後，於22時37分50秒安全著陸，距離海盜1號的著陸點約6460千米。地理座標為北緯47。97°，西經225。71°。
海盜2號著陸器拍攝的火星表面
該地區的照片顯示，該地區的岩石比海盜1號著陸點地形更崎嶇不平，著陸器實際上向西傾斜了8。5°。
全景照片顯示這裡的地形不同於海盜1號的著陸區，很難找到清晰、精確的地平線特徵。
由於缺乏一般性地形參考系，利用海盜2號軌道器拍攝的影象無法精確定位著陸器。
海盜2號著陸器
從9月12日開始的
三次收集土壤的生物學實驗得出了與海盜1號相似的結果
，也就是說，對於火星表面是否存在或曾經存在生命的問題沒有定論。
科學家認為火星土壤中含有紫外線轟擊土壤產生的反應物，這些反應物可以產生地球土壤中生物的特徵。
1976年11月16日，宇航局宣佈，海盜1號和海盜2號任務均已成功完成任務目標，並宣佈延長任務期限至1978年5月，隨後又將任務延長到1979年7月。
海盜2號軌道器繼續執行成像任務，並於1977年5月接近火星的衛星火衛二，最近距離28千米。
海盜2號軌道器拍攝的火衛二
2001年7月，海盜2號著陸器被重新命名為傑拉爾德·索芬紀念站
，索芬是海盜計劃專案科學家，他於2000年逝世。
兩個海盜號軌道器總共發回了
52663張
火星影象。利用這些照片，科學家繪製了約
97%
的火星表面地圖，解析度達
300米
。著陸器共發回了4500張兩個著陸點附近的照片。
火衛一照片
美國火星探測的第一階段，以兩顆海盜號探測器完成其使命而宣告結束。這一階段美國完成了火星探測掠、繞、落三大成就。
海盜計劃是火星探測史上最昂貴的計劃之一，共耗資10億美元，但獲得的成果也舉世矚目。
透過軌道器拍攝的影象，人類
第一次看清火星表面分布的巨大峽谷，被液體侵蝕的火山邊緣，以及彷彿深陷在泥沼裡的環形山
，種種跡象似乎都預示著火星表面曾經有液態物質存在。
這極大地激發了人類對於火星進一步探測的好奇心。兩個著陸器拍攝了火星全景照片、火星的日落、火星上同一岩石數年間的變化。
海盜號探測器還對火星土壤、大氣、地震等進行了探測，
發現火星的成分與地球上發現的某些隕石几乎相同
。這表明地球上發現的一些隕石最初可能來自火星。
海盜1號還
進行了廣義相對論驗證實驗並取得了成功
。該計劃對火星上是否曾存在生命的問題沒有取得實質性結果，仍然需要後續計劃進一步探索。
海盜計劃結束後，蘇美兩國航天活動的重點都是研製太空梭。競賽意識的極大削弱，使兩國月球、火星乃至行星探測的熱情急劇下降。
進入80年代後，美國和蘇聯都制定了有限的深空探測計劃。由於技術和其它方面的原因，這些計劃執行的時間大大地拖延了。直到80年代末，有些計劃才逐步得以實施，下週繼續為大家分享80年代末到90年代火星探測的簡史，敬請關注。
本文圖片主要引自美國國家航天局（National Aeronautics and Space Administration，簡稱宇航局）網站
作者簡介：李成智，北京航空航天大學人文社會科學高等研究院教授、博士生導師。