火星探測，是指人類通過向火星發射空間探測器，對火星進行的科學探測活動。從1960年代開始，人類使用望遠鏡觀測火星。1965年7月14日，美國水手4號探測器在火星上空掠過火星，成為第一枚掠過火星並發回探測數據的探測器。 1971年12月2日，蘇聯火星3號（Mars 3）的登陸器成功在火星軟着陸 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館），成為第一個抵達火星的探測器，並在火星表面發出共14.5秒長的信號，隨後便失去了信號。1976年9月3日，美國維京1號的登陸器在火星表面軟着陸，成為第一個向地球發回照片的探測器。2021年5月15日，祝融號登陸火星，中國成為第二個成功在火星上運行火星探測車的國家。
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現狀
在2018年6月10日，機會號火星漫遊車停止工作，留下火星科學實驗室，也就是好奇號和毅力號繼續在火星上工作。同時，在軌道上還有 2001火星奧德賽號 、火星快車號 、火星偵察軌道衛星、火星軌道探測器、 火星大氣與揮發物演化任務和火星微量氣體任務衛星等6艘太空船，它們提供了關於火星的大量資訊。固定在表面的"洞察號"正在調查火星的深層內部。沒有試圖前往火星的標本返回任務，而嘗試探測火星衛星福伯斯並攜回標本的Fobos-Grunt在2011年已經失敗[1]。
另有4個火星探測計劃正在進行，包括美國太空總署的火星2020探測車任務、中國的天問一號、阿拉伯聯合酋長國的希望號火星探測車和印度的火星軌道探測器2。而俄羅斯和歐洲太空總署合作的ExoMars羅莎琳德·富蘭克林探測車將推遲至2028年發射。
概述
火星是太陽系八大行星之一，離太陽由近至遠的次序排列為第四顆。在太陽系八大行星之中，火星也是距離地球第二近的行星（最近的是金星）。大約每隔26個月就會發生一次火星沖日，地球與火星的距離在衝日期間會達到極小值，通常不足1億公里，而在火星發生大衝時，距離甚至不足6000萬公里。火星沖日意味着，這時可以使用較小花費將探測器送往火星，火星探測通常也會利用此天文現象來運作。
目前為止，已經有超過30枚探測器到達過火星，它們對火星進行了詳細的考察，並向地球發回了大量數據。人類的火星探測之路充滿了坎坷，大約三分之二的探測器，尤其是是早期發射的探測器，都沒有能夠成功完成認為。 但是火星對於人類卻有一種特殊的吸引力，因為它是太陽系中最近似地球的天體之一。 火星赤道平面與公轉軌道平面的交角非常接近於地球，這使它也有類似地球的四季交替，同時，火星的自轉週期為24小時37分，這使火星上的一天幾乎和地球上的一樣長。
- 具有重要意義的成功發射
| 發射日期 | 國家 | 名稱 | 任務 | 特殊意義 |
|---|---|---|---|---|
| 1964年12月28日 | 美國 | 水手4號 | 掠過 | 第一枚掠過火星並發回探測數據的探測器 |
| 1971年5月28日 | 蘇聯 | 火星3號 | 着陸 | 第一個成功在火星表面軟着陸的着陸器 |
| 1971年5月30日 | 美國 | 水手9號 | 環繞 | 第一枚成功進入環繞火星軌道的探測器 |
| 1975年8月20日 | 美國 | 維京1號 | 着陸 | 第一枚在火星上着陸，並且成功向地球發回照片的探測器 |
| 1996年12月4日 | 美國 | 火星探路者號 | 着陸 | 送往火星的第一部火星車旅居者號 |
| 2013年11月5日 | 印度 | 火星軌道探測器 | 環繞 | 印度第一個火星探測任務，成為首次嘗試就成功的國家（歷年來早期火星任務失敗率很高） |
| 2020年7月23日 | 中國 | 天問一號 | 環繞+着陸 | 首個第一次嘗試即成功的火星繞落巡探測任務 |
歷史
以下列出火星探測的簡要概述，面向軌道器和飛越任務。又見登陸火星。
人類使用太空探測器進行火星探測的歷史幾乎貫穿整個人類航天史。幾乎就在人類剛剛有能力掙脫地球引力飛向太空的時候，第一個火星探測車也開始了它的旅程。最早期的探測器幾乎都失敗了，而火星探測也就是在一次又一次的失敗中不斷前進。
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1960年10月10日，蘇聯向火星發射了第一枚探測器火星1A號。緊接着就在四天以後，14日第二枚火星探測車火星1B號升空。然而這兩枚火星探測的先行者卻連地球軌道都沒能到達。
1962年10月24日，當火星又一次運行到合適的位置時，蘇聯的第三枚火星探測車火星1C號升空了，然而這次它也是僅僅到達了環繞地球的軌道而已。1962年11月1日，蘇聯向火星發射了火星1號，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1963年3月21日它飛行到距離地球1.06億公里的距離時，與地面永遠失去了通信聯繫。三天以後，蘇聯的又一枚探測器升空，這枚探測器同樣面臨失敗的命運，僅僅到達環繞地球軌道，此後火箭未能再次成功點火，兩個月後墜入地球大氣層燒毀。
1964年11月30日再次向火星發射了探測器，但是這枚探測器再次以失敗告終，它雖然最終到達了火星附近，但是卻沒有能夠向地球發回任何數據。
1969年向火星發射了兩枚探測器，然而這次甚至比此前的情況更加糟糕，第一枚探測器在發射後7分鐘因引擎故障發生爆炸，而另一枚探測器發射後不到1分鐘就墜向了地面。
1964年，美國也先後向火星發射了兩枚探測器水手3號和水手4號。水手3號於12月5日發射升空，是美國發射的第一枚火星探測車，然而探測器的保護外殼未能按預定計劃成功與探測器分離，導致太陽能板未能打開，於發射8小時後電池耗盡，與地面永遠失去了通信聯繫，並導致探測器偏離軌道，估計距火星數百萬哩處掠過，任務失敗。水手4號於12月28日發射升空，這是有史以來第一枚掠過火星並發回探測數據的探測器，於1965年7月14日在火星表面9800公里上空掠過火星，向地球發回了21張照片，此後又在環繞太陽軌道上花費三年時間對太陽風進行探測。水手4號發回的數據表明火星的大氣密度遠比此前人們認為的稀薄，也沒有發現磁場[2][3]或輻射帶[4]。這些新數據促使天文學家修改後續的火星研究設計，也顯示火星上存在生物的可能性比先前預測的還低[5][6][7][8]。1969年美國向火星發射了水手6號和水手7號。前者於2月24日發射升空，7月31日抵達火星。後者於3月27日發射升空，8月5日抵達火星。這兩枚探測器攜帶有更先進的儀器和通訊設備，它們成功掠過火星，對火星大氣成分進行分析，並傳回大量照片。
1971年蘇聯向火星發射了三枚探測器。第一枚探測器於5月10日發射，包括一個軌道器和一個着陸器，嘗試在火星表面着陸，但實際上它僅僅到達了環繞地球軌道。按照計劃，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，但是由於失誤，它的計時器要等上1.5年向火箭發出這個點火指令，這枚探測器後來被稱為宇宙419號，因為蘇聯事後否認這枚探測器將要前往火星。
火星2號和火星3號是蘇聯1971年當年發射的另外兩枚火星探測車，與宇宙419號的設計幾乎完全相同，各由一個環繞火星的軌道器和一個着陸器組成，分別於5月19日和5月28日發射升空。火星2號於11月27日到達火星，成功進入環繞火星軌道，並釋放着陸器，但着陸器降落傘未打開而在火星表面墜毀，這是有史以來第一個成功抵達火星的人造物。火星3號於12月2日到達火星，成功進入環繞火星軌道，並釋放着陸器，其着陸器成為有史以來第一個成功在火星表面軟着陸的探測器，取得了空前的成功，雖然它僅僅在火星上工作了14.5秒，甚至沒能發回一張完整的照片就永遠與地球失去了通信聯繫。火星2號和3號的軌道器在火星軌道上工作了近9個月之久，從1971年12月至1972年3月期間發回一個比較大的數據量，傳輸持續至8月22日。1972年8月22日發回數據和共有60張的照片之後，火星2號和3號結束了使命。這些圖像和數據創建了表面地形圖，並給出火星引力和磁場的資訊。[9]
蘇聯在1973年連續向火星發射了四枚探測器，但是都沒有完成它們的探測任務。除了火星7號外所有任務都發回了數據，其中火星5號是最成功的。火星4號於1973年7月21日發射升空，火星5號於1973年7月25日發射升空，它們分別於1974年2月10日和1974年2月12日到達火星附近，火星4號沒能成功進入環繞火星軌道，而火星5號則在進入環繞火星軌道不久後就丟失了。火星4號在的2200公里範圍飛過行星返回一位幅圖片和無線電掩星觀測數據，這些數據構成火星上的夜側電離層的有史以來第一個檢測。[10]在發射機外殼加壓損失結束使命之前，火星5號傳送回60幅圖像。火星6號和火星7號都攜帶有軌道器和着陸器，它們分別於1973年8月5日和1973年8月9日發射升空，然後分別於1974年3月12日和1974年3月9日到達火星附近，火星6號的着陸器成功進入了火星大氣層並打開了降落傘，然後就丟失了，而火星7號甚至還沒進入環繞火星軌道並在距離火星1300公里處就丟失了。
1971年美國向火星發射了兩枚探測器，嘗試進入火星軌道，環繞火星飛行，以獲取火星的高清晰照片。5月8日，水手8號發射升空，幾分鐘後因火箭故障墜入了大西洋。5月30日，水手9號發射升空，這是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。水手9號於1971年11月14日到達火星，在火星軌道上工作了將近一年之久，發回了7329張照片，覆蓋了火星表面超過80%的部分，同時還對火星的兩顆衛星進行了探測。
美國太空總署的維京號探測計劃是有史以來最為成功的火星探測計劃之一。它們由兩部分組成，一個軌道器和一個着陸器。維京1號於1975年8月20日發射升空，軌道器於1976年6月19日進入環繞火星軌道，着陸器於1976年7月20日在火星表面成功着陸。維京2號於1975年9月9日發射升空，軌道器於1976年8月7日進入環繞火星軌道，着陸器於1976年9月3日在火星表面成功着陸。維京1號成為第一枚在火星上着陸，並且成功向地球發回照片的探測器。維京1號的軌道器在軌道上一直工作到1980年8月17日，而着陸器使用核能作為電力來源，在火星表面正常工作超過六年，直到1982年11月13日錯誤指令導致失去通信聯繫為止。維京2號的軌道器在軌道上一直工作到1978年7月25日，而着陸器在火星表面正常工作了三年多的時間，直到1980年4月11日電池故障導致通訊聯繫中斷。維京號火星探測計劃總共向地球發回了數萬張高清晰照片。在很長一段時間內，維京1號都是在火星表面存活時間最長的紀錄保持者，直到2010年5月19日才由機會號以2246個任務日的運轉打破了維京1號2245個任務日的紀錄。
 維京1號着陸點 (1978-02-11).  維京1號着陸點 (第一張彩照, 1976-07-21).  維京2號着陸點 (第一張彩照, 1976-09-05).  維京2號着陸點 (1977-09-25).  維京2號着陸點的霜 (1979-05-18).  維京1號地點克里斯平原的火星日落 (1976-08-20). |
着陸器任務的主要科學目標是尋找生物跡象信號，觀察火星氣象學的、地震學的和磁學的性質。海盜登陸器上的生物實驗的結果仍然沒有定論，在2012年發表的一個重新分析海盜數據表明火星上有的微生物生命跡象。[11][12]
海盜軌道器揭示大洪水刻深的山谷，侵蝕溝槽進入基岩，並且旅行數千公里。在南半球支流的區域，表明曾經有過降雨落下[13][14][15]
以火衛一的名字命名的福波斯1號和福波斯2號探測器分別於1988年7月7日和1988年7月12日發射升空，這是繼1973年失敗後，蘇聯又一個火星探測計劃。然而儘管相隔15年之久，這兩顆探測器依然沒能逃脫失敗的命運，福波斯1號於1988年9月2日在飛往火星的途中失去聯繫，而福波斯2號則在1989年3月27日探測器進入環繞火星軌道後不久與地球失去了通信聯繫，它所攜帶的着陸器也沒能在火星表面着陸。
經過多次推遲，美國的火星觀察者探測器於1992年9月25日發射升空，開始了它前往火星的旅程。一切似乎進展得相當順利，然而1993年8月21日，就在它幾乎就要到達火星，準備點火進入環繞火星軌道時，與地球失去了通信聯繫。1996年11月7日火星全球勘測者探測器發射升空，這枚探測器持續運作了10年，最後在2006年11月2日失去訊號聯絡，它是最成功的火星任務之一。1997年7月4日美國的火星探路者號火星表面克里斯平原和阿瑞斯峽谷的交界附近着陸。它攜帶了名為為旅居者號的小型的10.6公斤（23英磅）輪式機械人的火星車，這是人類送往火星的第一部火星車。[16][17]1998年12月11日發射的火星氣候軌道器以失敗告終。1999年1月3日發射的火星極地登陸者和其搭載的深空2號，則以失敗告終。[18]
1998年7月3日發射的希望號探測器以失敗告終。
1996年12月16日，俄羅斯發射了火星96號探測器，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，不久後在墜入太平洋而宣告失敗。
2000年以來
2001火星奧德賽號於2001年4月7日在卡納維拉爾角空軍基地由三角洲二號運載火箭發射成功，2001年10月24日2:30 a.m. UTC到達火星軌道，進行氣阻減速以進入環繞火星軌道。2002年1月氣阻減速完成，同年2月19日開始科學任務。
NASA已經開始進行第3個為期兩年，至2010年9月為止的延伸任務以觀測火星南北極冰冠、雲、沙塵暴等現象，以了解火星表面不同時間的改變，以及對火星表面礦物的測繪能有更好的結果。2008年9月30日衛星花6分鐘點燃助推火箭改變軌道，好讓紅外線遙測有更佳的結果以測繪火星表面礦物。但是這新的軌道也將使伽馬射線光譜儀因為過熱而無法使用。這次延伸任務也延續了對其他火星任務的支持。一般認為可以繼續使用至2015年。勇氣號和機遇號這兩台火星探測車拍攝的照片和其他資料有85%是以火星奧德賽號作為通訊中繼衛星送回地球的，且火星奧德賽號每天可以各一次聯絡這兩台探測車。衛星也協助探測未來探測車和已於2008年5月登陸的鳳凰號火星探測器分析可能登陸地點的安全性。奧德賽號協助2006年3月到達的火星偵察軌道器在進行氣阻減速（aerobraking）時觀測火星大氣層的狀況。
火星快車號包括兩個部份：火星快車號衛星與小獵犬2號登陸器，不過小獵犬2號後來失去聯繫，任務失敗。火星快車號後來在火星大氣層內發現甲烷。雖然甲烷含量相當少，這對於科學家是極大的鼓舞。因為甲烷從火星大氣層逃逸的速度很快，這代表至今仍有固定的來源向火星大氣層釋放甲烷。因為甲烷的來源可能是微生物，現已計劃判定資料可靠性和探測火星特定地區，希望能找到甲烷的固定來源。
這項計劃的主要目的是將勇氣號（Spirit, MER-A）和機遇號（Opportunity, MER-B）兩輛火星車送往火星，對火星這顆紅色行星進行實地考察。火星探測漫遊者任務開始於2003年。
火星探測漫遊者科學考察任務：[19]
- 搜索和辨識岩石土壤中的水活動跡象，從而分析水導致的礦化過程，如降水、大氣中的水蒸汽、沉積岩或熱液活動。
- 探測着陸區周圍的礦物分佈。
- 探測形成當地地貌和化學成分的地質活動，類似的過程可能包括水或風侵蝕、沉積、熱液活動、火山活動以及隕石撞擊。
- 校準確認[火星勘測軌道器]的地表觀測結果。從而確認火星軌道觀測的精度和有效性。
- 搜尋含鐵礦物，確認並定量分析含水或水形成礦物，如含鐵碳酸鹽。
- 通過岩石土壤的礦物學分析和紋理測定其成因。
- 尋找液態水存在時期的環境因素導致的地質學線索。
- 評估火星環境能否支持生命的存在。
美國太空總署的火星偵察軌道器於2005年8月12日發射升空，前往火星,2006年3月10日進入火星軌道。2006年3月24日，美國太空總署下屬的噴射推進實驗室公佈了火星偵察軌道器發回的火星表面第一批由CTX與MCI所拍攝的高清晰照片。這次拍攝儘管以校準相機為目的，卻證明了飛船的探測能力。[20][21]
從2006年11月開始，火星偵察軌道器將會在兩個地球年的時間之內進行各項科學研究作業，之後的延伸任務將會包括為登陸器與探測車進行通訊與導航資訊傳遞。
美國國家航太總署的鳳凰號於2007年啟程前往火星，在經歷將近一年、6.75 億公里的旅程之後，於2008年5月25日成功登陸火星北極。主要任務是尋找火星土壤中可能存在的生命跡象。
2008年6月19日，NASA宣佈由機械人臂掘開的"渡渡鳥金髮狀毛莨"內，被切成方塊大小叢集的明亮物質，經歷四天就蒸發掉了，強烈的暗示它們是由水冰組成的，因為暴露在外而昇華了。雖然乾冰也會昇華，但在目前的條件下他會以比觀測到的更快的速度進行[22][23][24]。
2008年7月31日，NASA宣佈，就如同在2002年由火星奧德賽軌道船的預測，鳳凰號証實了火星上出現的是水冰。一個新的樣品在最初的加熱程序中，當樣品的溫度達到0 °C時，TEGA（熱與蒸發氣體分析儀）的質譜儀偵測到了水蒸氣[25]。液態的水在火星低壓的表面是不可能存在的，只有在最低海拔處可能存在很短的時間[26][27]。
科學團隊希望能確定是否有足夠的刨冰可以解凍供應生活上的需要，以及這些冰中是否含有生命所需的其他物質與化學成分。
另外，在2008年和2009年初，NASA內部曾爭論鳳凰號登陸時出現在着陸腳架上呈霧狀聚集的小滴是否是水滴[28]。由於在鳳凰號的科學項目中缺乏公眾的與論，這個問題從未出現在NASA的任何新聞報導中[28]。
一位科學家指出，登陸艇為保持平衡的鹽水袋可能在登陸時被加速器飛濺到登陸艇的腳架上，這些鹽份會吸收大氣中的水蒸氣，這可以解釋水蒸氣如何在44天的火星日當中，在火星溫度下降的過程中如何慢慢的蒸發[28]。
螢火一號探測器作為中俄航天合作項目之一，搭載在俄羅斯的「福布斯-土壤」（Фобос-грунт）探測器中，2011年11月9日凌晨發射。後因福布斯-土壤與運載火箭分離後變軌失敗，於2012年1月15日17時45分墜於太平洋海域。[29][30][31]
美國太空總署與麻省理工學院合作的火星科學實驗室好奇號火星車已經於2011年11月26日美國東部時間10時02分於從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空，啟程前往火星，它將在火星表面着陸，並且擁有六個輪子，擁有前所未有的機動性能，並且使用核能提供電力，至少在火星表面工作一個火星年的時間。[32][33]同時，火星科學實驗室還將攜帶各種先進的儀器，它將配有200萬像素的主照相機，配合10倍光學變焦鏡頭和三色真彩色感光能力，將可以拍攝到超高清晰度的全景照片，同時這部相機還將內置MPEG-2硬件影片壓縮能力，可以拍攝每秒10畫格的高清晰影片，相機本身將配有至少256MB內存和8GB閃存以暫時保存拍攝的照片和影片。好奇號成功在2012年8月6日協調世界時05:17於伊奧利亞沼着陸[34]。降落地點（名為「布拉德伯里着陸」）的坐標為：(4.5895°S 137.4417°E)[35][36]
印度的火星軌道探測器於印度標準時間2013年11月5日2:38 PM（9:08 UTC）在位於斯里赫里戈達島的薩迪什·達萬太空中心第一發射台以 PSLV-XL C25 型火箭發射[37]。該任務的發射窗口是在同年10月28日後約20日的時間內。火星軌道探測器正式發射倒數計時開始於2013年11月3日06:08 AM，發射成功後結束。本項任務是印度的首個行星際探測任務。2014年9月24日，火星軌道探測器成功進入火星軌道，印度ISRO是繼俄羅斯RSA、美國NASA、歐盟ESA之後第四個成功進行火星任務的太空機構[38][39]。
美國「火星大氣與揮發演化任務」探測器於美國東部時間2013年11月18日13時28分（北京時間19日02時28分）發射升空，它的使命是以前所未有的精度對火星的上層大氣進行研究，以幫助科學家揭開火星大氣層變得稀薄之謎。「火星大氣與揮發演化任務」探測器搭乘「擎天神Ｖ型」火箭，從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地沖天而起，踏上10個月的飛往火星之旅。「火星大氣與揮發演化任務」探測器項目的花費超過6.7億美元，旨在調查火星的上層大氣，幫助了解火星大氣層的氣體逃逸對火星氣候與環境演變所產生的影響，這也是美國發射的首個專門執行這一使命的探測器。科學家認為，遠古火星曾擁有濃厚的大氣層，且表面存在大量液態水。但隨着時間的推移，火星大氣層中的大部分氣體逃逸到太空中，表面的液態水也逐漸消失，火星從可能適合微生物生存的行星，最終變成了今天寒冷而荒涼的沙漠世界。[40][41]2014年9月22日，探測器成功進入火星軌道。
2018年發射的洞察號是一個無人登陸載具，這項任務的目標是將一個裝載有地震儀及熱流偵測器的固定式登陸載具發射到火星表面，研究火星早期的地質演變。
2020年7月20日，阿聯酋火星探測車「希望號」在日本鹿兒島縣種子島宇宙中心發射升空。2021年2月9日，希望號進入火星軌道[42]。希望號太空探測器將研究每日和季節性天氣週期，低層大氣層中的天氣事件（例如沙塵暴）以及行星上不同區域的天氣變化。 它還將試圖找出為什麼氫氣和氧氣會損失到太空中以及其劇烈的氣候變化背後的其他可能原因。 該任務由阿聯酋工程師團隊與國外研究機構合作完成，對阿聯酋基於知識型經濟做出了貢獻。
中國於2020年再次實施火星探測任務，將分成三步，繞、落、巡完成，因為除了美國，其它國家的環繞探測雖然沒有發生問題，但着陸過程都失敗了，為了保證着陸巡視器順利完成火星着陸，天問一號需要在進行多軌調整逐漸接近火星之後才能着陸，環繞2至3個月尋找一個非常好的小窗口，讓它進入到火星大氣[43][44]。 此前在2011年，中國「螢火一號」，搭乘俄羅斯「福布斯號」首次探索，因火箭沒能完成地球軌道轉移火星軌道而失敗。
」於2020年7月23日由長征五號運載火箭從文昌衛星發射中心發射升空，並於2021年抵達火星，主要為放出探測器着陸火星。中國計劃在2030年前後實施小行星探測、火星取樣、木星系探測及行星穿越等3次深空探測任務。
2021年2月10日，「天問一號」成功進入火星軌道。[45]。2021年5月15日，天問一號着陸器和祝融號火星車成功在火星烏托邦平原南部着陸。此次着陸也使中國成為繼美國後第二個完全成功登陸火星的國家。[46]
毅力號（英語：Perseverance）是由美國太空總署下屬的噴射推進實驗室製造，用於火星2020任務中的火星車。該探測器已於美國東部時間2020年7月30日上午7:50（世界協調時11:50）發射，於2021年2月18日（北京時間2月19日上午4時55分）着陸火星。毅力號的外觀與好奇號大致相同，攜帶7種科學儀器，23個攝像頭，兩個麥克風，任務計劃探測耶澤羅撞擊坑附近的火星表面。毅力號還攜帶了一台名為機智號的無人直升機，配合毅力號進行科學研究。機智號於2021年4月19日成功在火星起飛，這是人類首次實現飛行器在其他星球的受控飛行。
參見
參考文獻
外部連結
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