火星探測器

火星是地球的近鄰，它的特徵在很多方面都與地球極為相似。有人認為，火星的現在就是地球的未來，因而開展火星探測和研究，對於認識人類居住的地球環境，特別是認識地球的長期演化過程，是十分重要的。

軌道設計是火星探測工程總體和分系統(如測控系統、發射系統、運載系統和探測器等)的先導。火星探測器軌道設計是以航天器軌道動力學理論和方法為基礎，根據飛行任務，在綜合考慮能量、飛行時間、地面測控、光照等軌道約束條件下進行的複雜而重要的科研工作。

按照不同的分類方式，可將火星探測軌道分為多種形式，如按火星探測器軌道的運行階段分類，可將其分為3個階段：繞地心(地球質心)運動階段，繞日心(太陽質心)運動階段，以及繞火心(火星質心)運動階段；若從軌道能量獲取方式劃分，可將其分為：大推力變軌，小推力變軌，利用天體引力變軌的火星探測軌道，以及按是否包含地球停泊軌道段等等劃分。 ^[3] 

1960年10月10日，前蘇聯向火星發射了一枚探測器。緊接着就在四天以後即1960年10月14日，向火星發射了第二枚探測器。然而這兩枚火星探測的先行者卻連地球軌道都沒能到達，這兩枚探測器後來分別被稱為“火星1A號”和“火星1B號”（前蘇聯發射成功才有正式編號）。

1962年11月1日，前蘇聯發射火星1號探測器，在飛離地球1億公里時與地面失去聯繫，從此下落不明，它被看作是人類火星探測的開端。同一時期發射的另外兩枚探測器（火星1962A和火星1962B）也發射失敗。

1962年美國開始實施“水手計劃”，在1964年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1964年11月5日發射升空，是美國發射的第一枚火星探測器，因偏離軌道發射失敗。水手4號於1964年11月28日發射升空，於1965年7月14日在火星表面9800千米上空掠過火星，向地球發回了21張照片。這是有史以來第一枚成功到達火星併發回數據的探測器。

1964年11月前蘇聯再次向火星發射了探測器（蘇聯探測器2號），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，但是因太陽能板損毀沒有能夠向地球發回任何數據。

1965年7月前蘇聯發射另一枚火星探測器（蘇聯探測器3號），亦遭失敗。

1969年美國向火星發射了水手6號和水手7號。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，併發回了大量照片。

1969年前蘇聯也向火星發射了兩枚探測器（火星2A號和火星2B號），然而這次比以前更加糟糕，第一枚探測器在發射後7分鐘因發動機故障發生爆炸，而另一枚探測器發射後不到1分鐘就墜向了地面。

1971年前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，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。這枚探測器後來被稱為“宇宙419”號，因為前蘇聯事後否認這枚探測器將要前往火星。火星2號於1971年11月27日在火星着陸，因遇到火星沙暴一着陸就與地面失去聯繫，但它仍然是第一個到達火星表面的人造物體。軌道器則運行到1972年8月22日並傳回了大量的數據。火星3號在1971年12月2日成功登陸火星，成為了有史以來第一個成功在火星表面着陸的探測器。但由於遭遇同一場火星沙暴，在火星上僅僅工作了大約20秒，甚至沒能發回一張完整的照片就失去了聯繫。

1971年，美國發射水手8號和水手9號，水手8號發射失敗。水手9號於1971年11月13日到達火星，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。它首次拍攝到火星全貌。

1973年前蘇聯連續向火星發射了四枚探測器火星4號~7號。火星4號沒能進入環繞火星軌道。火星5號於1974年2月12日進入環繞火星軌道，拍到世界第一張火星彩色照片，獲得60幅圖像，任務持續9天后停止工作。火星6號”和“火星7號”探測器在火星着陸失敗。

1975年美國發射海盜1號和海盜2號着陸器以探測火星生命跡象。海盜1號於1976年7月20日在火星着陸，併發回了難以置信的周景全綵色圖。科學家由此知道了原來火星的天空是略帶桃粉色的，並非是他們原先所想的暗藍色。海盜1號的軌道器拍攝到一張酷似人臉的火星表面照片。海盜2號於1976年9月3日成功着陸，它攜帶的地震檢波器的記錄了一次火星地震。

1988年前蘇聯發射以“火衞一”命名的福波斯探測器1號和2號。這是繼1973年失敗後，前蘇聯又一個火星探測計劃。福波斯1號在飛往火星途中失蹤。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。福波斯2號最後發回地球的圖像，竟是一個巨大的圓柱形“太空船”照片——一個估算有25公里長、直徑1.5公里的雪茄狀“母船”，它就懸浮在火星衞星“火衞一”的下方。自“福波斯2號”傳回這張令人震驚的圖像後，就和地球突然神秘地失去了聯繫。

1992年9月25日，美國發射火星觀察者號探測器。於1993年8月31日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，美國的火星全球勘測者探測器發射升空，於1997年9月11日進入繞火星運行軌道。這枚探測器持續運作了10年，最後在2006年11月5日失去訊號聯絡，成為迄今服役最長的火星探測器。它發回的信息量比之前升空的所有火星探測器的總和還要大，是最成功的火星探測任務之一。

1996年11月16日，俄羅斯發射了火星96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，不久後墜入太平洋而宣告失敗。

1996年12月4日，美國發射火星探路者號探測器，於1997年07月04日在火星表面着陸。它攜帶的“索傑納”號火星車，是人類送往火星的第一部火星車。它僅有微波爐大小。

1998年7月3日，日本發射希望號火星探測器，但因偏離軌道而失敗。

1998年12月11日，美國發射火星氣候探測器，在進入火星軌道的過程中失去聯絡，最終任務失敗。

1999年1月3日，美國發射火星極地着陸者探測器，在進入火星大氣層時失去聯絡而墜毀。搭載的兩個微型探測器“深空2號”也一同損毀。

2001年4月7日，美國發射”2001火星奧德賽號”探測器，於2001年10月23日到達火星軌道。發現火星表面可能有豐富的冰凍水。在勇氣號、機遇號、鳳凰號和好奇號登陸期間，“奧德賽”扮演了通信中繼站的角色並工作至今。

2003年6月2日，歐洲發射“火星快車號”探測器，於2003年12月25日成功進入環繞火星軌道。搭載的“獵兔犬2號”着陸器在着陸過程中失去聯絡。

2003年美國實施“火星探測漫遊者”計劃，先後將勇氣號(Spirit, MER-A)和機遇號(Opportunity, MER-B)兩部火星車送往火星。勇氣號於2003年6月10日發射升空，於2004年1月3日在火星表面成功着陸。在大幅超過原本設計3個月的任務時間後於2011年3月22日失去聯絡。2011年5月25日，NASA在最後一次嘗試聯絡後結束勇氣號的任務。機遇號於2003年7月7日發射升空，於2004年1月25日成功着陸火星。大幅超出原本設計3個月的任務時間並工作至今。

2005年08月12日，美國成功發射火星偵察軌道器（火星勘測軌道飛行器），於2006年03月10日進入火星軌道，成為火星的第四個正在使用中的人造衞星（前三個是火星全球勘測者、2001火星奧德賽、火星快車）與第六個正在使用中的火星探測器（四個衞星加上兩台火星車）。

2007年8月4日，美國成功發射鳳凰號火星探測器，於2008年5月25日在火星北極成功着陸。2008年6月15日，“鳳凰”號火星着陸探測器在着陸地點附近挖到的發亮物質是冰凍水，從而證實火星上的確存在水。鳳凰號還探測到來自火星雲層的降雪，而且找到了火星上曾經存在液態水的最新證據。任務完成後，隨着火星進入嚴冬，由於電量難以維持而失去聯絡。

2011年11月，俄羅斯發射福布斯－土壤號火星探測器，因主動推進裝置未能點火而變軌失敗。搭載的中國第一個火星探測器”螢火一號“也宣告失敗。

2011年11月26日，美國好奇號火星探測器成功發射，並於2012年8月6日成功登陸火星。其搭載的好奇號火星車是一個汽車大小的火星遙控設備，也是第一輛採用核動力驅動的火星車，其使命是探尋火星上的生命元素。2013年9月，美國航天局“好奇”號火星車發現，火星表面土壤按重量算約2%是水分，只需將土壤稍稍加熱，就可獲得水，這是最令人激動的結果之一。

2013年11月5日，印度在該國東海岸的斯里赫裏戈達島(Shriharikota)航天發射場，發射印度首顆火星探測器“曼加里安號火星探測器”號。2014年9月24日，印度“曼加里安”號成功進入火星軌道。 ^[4] 

2013年11月18日，美國“火星大氣與揮發演化探測器“發射升空，於2014年9月22日成功進入火星軌道。“火星大氣探測器”旨在調查火星的上層大氣，幫助瞭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。 ^[5] 

2020年3月，美國航天局宣佈選中“毅力”一詞作為下一代火星車“火星2020”的正式名稱。此後，航天局又從候選詞條中選出了火星直升機的名稱“機智”號（Ingenuity）。 ^[6] 

2021年9月下旬開始，地球、火星逐漸運行至太陽的兩側且三者近乎處於一條直線上，太陽電磁輻射干擾逐漸增強，器地通信受到干擾，出現不穩定甚至中斷，這種現象稱作“日凌”。

日凌期間探測器與地面“失聯”是預期的正常狀態，“失聯”不是“失蹤”。為安全度過日凌期，日前火星車和環繞器先後完成相關狀態設置，停止科學探測工作並持續進行狀態監視。

日凌將於10月中旬結束，探測器將恢復與地面的通信，繼續開展科學探測。 ^[28] 

2010年4月，奧巴馬在肯尼迪航天中心發表演説稱，到2025年，美國政府希望新的遠程航天器能首次把美國宇航員送到火星的小行星上。到本世紀30年代中期，美國將把人類送上火星軌道，並安全返回地球，甚至登上火星。 ^[7] 

2014年6月，美國國家科學院公佈了他們的登陸火星時間表，計劃在2037年至2050年間以數百億美元和“人類生命面臨重大風險”的代價將人類送上火星。 ^[8] 

美國目前有五個探測器在火星運行，其中包括三個衞星：火星奧德賽號、火星偵察軌道器、火星大氣與揮發演化探測器，和兩部火星車：機遇號、好奇號。

北京時間2021年2月19日4點55分（美國東部時間2月18日15點55分），美國“毅力號”火星車成功在紅色星球登陸。 ^[2] 

火星探測起步於前蘇聯。1962年蘇聯發射的“火星1號”探測器被公認為人類邁向火星的第一步。此後，雖然蘇聯和後來的俄羅斯不斷在火星探測方面進行嘗試，但終因國家財政乏力被美歐搶了先機。隨着綜合國力日益強盛，如今俄羅斯將目光再次瞄向火星，並提出了火星探測計劃。

早在2001年俄羅斯太空科學研究所負責人格里戈裏耶夫教授宣佈，俄羅斯太空科學家已經克服了星際載人飛行的大部分難關，並且準備在2020年左右派宇航員等登陸火星。2007年俄聯邦航天署署長阿納託利·佩爾米諾夫曾經表示，根據俄羅斯制定的2040年前太空計劃，俄計劃在2035年後開始載人火星之旅。 ^[9] 

2013年初俄羅斯聯邦航天局與歐洲航天局達成合作項目，將共同開展“ExoMars(Exobiology on Mars)”任務。據悉，他們計劃分別於2016年和2018年進行兩次火星發射任務，目的是為了尋找火星上現在和過去曾經存在生命的痕跡。 ^[10] 

2004年2月，歐洲航天局正式公佈了一份雄心勃勃的火星探險“路線圖”——“極光計劃”。該“路線圖”的“終極目標”，就是讓歐洲宇航員在30年之內，也就是2033年之前登陸火星。 ^[11] 

“極光計劃”中的任務包括：在2014年左右，對人類登陸火星任務研究論證，包括軌道裝備與入塢、生命支持與人類居住等技術；在2018年左右，進行一系列技術先驅任務，包括對空中制動、太陽能電推進和軟着陸等技術進行試驗。昂加羅博士表示，按照“極光計劃”中的安排，歐洲太空局將在2024年派宇航員登陸月球，並在2030年到2033年之間最終展開人類探險火星的任務。

2013年“歐洲火星探測任務”（Exobiology on Mars，ExoMars）通過了一個重要的節點，進入了最終研製階段。ExoMars任務最初是由歐洲航天局和美國航空航天局聯合開展的，但由於受到經費的限制，美國於2012年退出了該計劃。在2013年年初，俄羅斯聯邦航天局開始接替美國，成為歐空局的合作者。2013年06月，歐洲航天局（ESA）和火星探測器製造商阿萊尼亞太空公司（Thales Alenia Space）簽署了正式的合同。這個訂單價值為3億美元，而最終完成ExoMars任務總共需要大約16億美元。

按照計劃分別於2016年和2018年進行兩次火星發射任務。

預定2016年1月發射“火星微量氣體任務”(Mars Trace Gas Mission, TGM)衞星，包括一個為軌道飛行器和一個為火星着陸器。着陸器主要的任務一方面是為2018年發射的ExoMars火星車選擇登陸地點，另一方面也是為了將來其它的火星任務積累經驗。

計劃於2018年的發射火星車“ExoMars”，ExoMars火星車是一台六輪高自動化的越野車，重量約270公斤。可以在火星表面自動導航。一對立體攝影機讓火星車可以建立火星表面的3D地形圖，其使用的導航程式可以用來判定周圍地形讓火星車能避開阻礙與找出最有效率的路線。酬載儀器將包含一個10公斤的“巴斯德酬載”（Pasteur Payload）和一個2公斤的鑽孔機。能夠在火星表面打鑽兩米深，在那樣的深度能夠屏蔽嚴寒、乾燥和強輻射的環境。火星車將以太陽能進行為期180個火星日（6個月）的任務。 ^[10] 

2022年5月6日消息，歐洲ExoMars火星探測器原定於2022年9月份發射升空，由於需要更換俄羅斯製造的着陸平台，目前看火星探測器發射升空可能要推遲到2028年。 ^[29] 

火星探測項目是我國繼載人航天工程、嫦娥工程之後又一個重大空間探索項目，也是我國首次開展的地外行星空間環境探測活動。

2014年6月，有着“嫦娥之父”之稱的中科院院士、中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠在第22屆國際天文館學會大會的開幕式上透露，我國即將開展深空探測，其中預計2020年實現火星的着陸巡視，2030年實現火星採樣返回。

2013年9月23到27日北京舉行的第64屆國際宇航大會上，航天科技集團董事長許達哲在中國專場“中國航天發展與展望”的全體會議中做了中國航天的精彩報告，為我們帶來我國深空探測的最新消息。報告中提到我國將2030年前將進行火星探測、深空太陽觀測、小行星伴飛和着陸、金星探測、木星探測和火星取樣返回等多個深空探測項目。其中： ^[12] 

2018年左右我國將進行第一次火星探測，探測器包括軌道器和巡視器；

2020年左右我國將發射深空太陽天文台；

2020年到2025年進行小行星伴飛和附着探測器和金星探測器的發射；

2025年到2030年先後進行木星探測器和火星取樣返回探測器的任務。

按這個官方消息，火星探測任務基本確定，發射時間大致在2018年左右。我國的首次火星探測任務採用軌道器加巡視器的設計。日本的“MELOS”火星探測器方案和歐洲空間局的“ExoMars”火星探測項目也採用軌道器加火星車的設計，ExoMars項目和MELOS項目也都將在2018年執行，這將是人類火星探測史上前所未有的盛況。

2016年3月4日，在全國政協會議期間，衞星專家葉培建委員透露，我國準備在2020年發射火星探測器，並於2021年登陸火星。 ^[14] 

2016年4月22日國家航天局局長許達哲表示，1月份時中國首次火星探測任務已正式立項，首個火星探測器預計2020年發射。 ^[15]  據中國航天科技集團五院火星探測器總設計師孫澤洲介紹，中國首個火星探測器將由環繞器和着陸巡視器組成，同時實現環繞和着陸巡視任務，其科學目標還未最終確定，但基本圍繞以下幾個方面：通過光學遙感探測火星形貌；通過光譜等探測火星土壤元素、礦物成分及岩石類型；探測火星空間環境，包括火星大氣；探測火星土壤結構及水冰，火星表面甚至地下淺層是否有水？ ^[16] 

2018年3月23日，中國航天科技集團（CASIC）十一院研究員周偉江透露，我國的火星探測器計劃於2020年發射，目前已完成氣動外形設計，以及氣動力、氣動熱設計工作。 ^[17] 

2019年7月9日，在山東舉辦的2019軟件定義衞星高峯論壇上，中國科學院院士、中國探月工程首任首席科學家歐陽自遠在報告中透露：中國將於2020年7月通過火星衞星、火星着陸器、火星車聯合探測火星。 ^[18] 

2020年4月24日，中國航天日，中國行星探測任務被命名為“天問（Tianwen）系列” ^[19]  ，首次火星探測任務被命名為“天問一號”，後續行星任務依次編號。已於2020年7月23日成功發射 ^[20]  。

2021年5月15日，國家航天局消息，科研團隊根據“祝融號”火星車發回遙測信號確認，天問一號着陸巡視器成功着陸於火星烏托邦平原南部預選着陸區，我國首次火星探測任務着陸火星取得圓滿成功。 ^[25-26] 

2021年5月17日8時，天問一號環繞器實施第四次近火制動，順利進入週期為8.2小時中繼通信軌道。 ^[27] 

2013年11月5日下午2時38分，印度首顆火星探測器“曼加里安”號在印度南部安得拉邦斯里赫裏戈達發射場發射升空。2014年9月24日，印度曼加里安號火星探測器成功進入火星軌道，使印度成為首個成功向火星發射探測器的亞洲國家。印度成為全世界繼美國、俄羅斯和歐洲航天局後，第四個成功完成火星探測的國家或組織。

印度輿論稱，這標誌着印度已躋身火星探測前沿，是印度空間技術發展的里程碑事件。達成這趟“火星軌道探測器”任務(MOM)只花45億盧比(約合7400萬美元)預算，大約是美國“火星大氣與揮發演化探測器”(MAVEN)火星計劃6.71億美元花費的1/10，甚至比好萊塢電影《地心引力》的1億美元製作成本還要低。 ^[21] 

阿聯酋太空署2015年4月25日啓動國家太空戰略發展計劃，欲在2020年發射“希望”號火星探測器。

計劃包括擬於2020年發射“希望”號火星探測器，該計劃將由阿聯酋太空署及“希望”號火星計劃團隊等機構合作完成；阿聯酋太空署將在2015年年內規劃國家航天產業，出台相關政策和法規，推動和保護航天產業的發展；大力提倡和鼓勵阿聯酋年青一代接受和學習航天科技，從2015年起，每年挑選20名優秀學生，外派學習航天科技；計劃在5年內投資約2700多萬美元，建立本地區首個航天研究中心；與友好國家簽署太空合作協議等。 ^[22] 

2016年11月2日，阿聯酋副總統兼總理、迪拜酋長穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆在考察穆罕默德·本·拉希德航天中心（MBRSC）時正式批覆了阿聯酋“希望號”火星探測器的最終設計方案，阿聯酋因此成為全球第九個正式開啓火星探測的國家。同時被批覆的還有阿聯酋衞星製造組裝綜合體二期項目。該綜合體將遵循最高國際標準規範要求，可同時安裝及裝配多個航天衞星項目。“希望號”火星探測器項目於2015年推出，將於2021年年中發射。 ^[23] 

2020年7月20日，希望號火星探測器於2020年7月20日05時58分，日本在種子島航天中心使用H-2A運載火箭，成功將阿聯酋的希望號火星探測器發射升空，計劃2021年阿聯酋成立50週年時進入火星軌道。這是阿聯酋乃至阿拉伯世界的第一個火星探測器 ^[24]