火星登陸

火星登陸（Mars landing）是指探測器降落到火星表面。在多艘嘗試着陸火星的自動探測器中，有十艘成功實現了軟着陸。也有包括着陸在內的未來載人火星任務研究，但至今仍未進行過嘗試。1971年前蘇聯火星3號為首次成功登陸火星的探測器。截至2021年5月，前蘇聯、美國和中國都已成功登陸火星。

下降和着陸方法[編輯]

截至2021年，所有登陸火星的方法都使用到了氣動外殼和一系列的降落傘來進入火星大氣層和降落，但在降落傘分離後，有三種選擇。固定着陸器可從降落傘後罩上落下，並通過反推火箭一路下降，但漫遊車則不能在觸地後仍載着沒有任何用途的火箭。

輕型漫遊車的着陸方法是將漫遊車封閉在一座被安全氣囊包裹的四面體結構中，當氣動外殼拋離後，四面體通過繫繩從降落傘後罩中放下，以便安全氣囊充氣。後罩上的反推火箭則可減緩下降速度。當它接近地面時四面體被釋放，以氣囊為減震器降落到地表上。在氣囊停止滾動後，四面體打開，露出漫遊車。

如果漫遊車太重，無法使用安全氣囊，則可將反推火箭安裝在「空中吊車」上。空中吊車從降落傘後罩中落下，在它接近地面時，通過系統放下漫遊車。一旦漫遊車觸地，繫繩就被切斷，空中起重機（火箭仍在噴射）則會飛離到遠處墜毀^[1]。

安全氣囊方式着陸。
火星科學實驗室好奇號漫遊車從「空中起重機」上降落的藝術想像圖。
正在地球上建造的火星科學實驗室下降段。
執行垂直起飛和着陸的機智號直升機。

更重載荷的降落[編輯]

對於比好奇號漫遊車（它的氣動外殼直徑達4.5米（15英尺））更重的着陸器，工程師們正在開發一種直徑8米（28英尺）的組合式剛性充氣的低密度超音速減速器，它必須配有一具按比例增大的降落傘^[2]。

着陸挑戰[編輯]

無人探測器以及未來的人類登陸火星，是一項技術挑戰。為實現順利着陸，着陸器必須解決以下問題^[3]^[4]：

稀薄的火星大氣層；
與表面距離的測量；
彈道俘獲技術不足；
下降段反推動力技術不足；
任務設計不足；
進入、下降和着陸（EDL）過程時間更短。

2018年，美國航天局重新使用海盜號時代的技術^[5]，成功將洞察號着陸器降落在火星表面。但這項技術無法應對在不久將來的載人火星任務中起降大量貨物、棲息裝備、上升載具及人類的需求。為改進和實現這一目標，需要升級技術和運載火箭。對於使用當前技術相繼成功的軟着陸，其着陸器應具備的一些重要因素為^[6]^[3]：

質量一般不超過0.6噸（1000磅）；
彈道係數小於35千克/米²（7.2磅/英尺²）；
氣動外殼直徑應小於4.6米（15英尺）；
氣動外殼幾何形狀一般為70度圓錐罩；
降落傘直徑應小於30米；
需要使用超音速反推動力下降；
需要執行軌道進入（即從火星軌道進入）。

與地球的通信[編輯]

從海盜號計劃開始，火星表面的所有着陸器都使用軌道探測器作為通信衛星向地球轉發數據。着陸器使用特高頻發射器將數據發送到軌道器，然後軌道器使用X波段或Ka波段頻率將數據中繼到地球。這些更高的頻率，以及更強的發射器和更大的天線，使軌道器發送數據的速度比着陸器直接向地球傳輸的速度快得多，從而節省了接收天線的寶貴時間^[7]。

火星登陸列表[編輯]

20世紀70年代，前蘇聯數艘探測器試圖着陸火星，但均未成功。1971年成功火星3號着陸，但不久就產生了故障。而美國海盜號着陸器在成功着陸後提供了數年之久的圖像和數據。然而，直到1997年火星探路者着陸，才有了另一次成功的火星登陸^[8]。二十一世紀，有數次成功的着陸，但也有很多次墜毀事件^[8]。

火星探測器計劃[編輯]

第一艘計劃成為火星撞擊着陸器的探測器是前蘇聯的「火星1962B」，1962年發射失敗^[9]。

1970年，蘇聯開始設計超重型無人火星航天器的「火星4NM」和「火星5NM」號任務，第一艘為計劃於1973年初發射的「火星探索飛行器」（Marsokhod），第二艘是計劃於1975年進行的火星取樣返回任務。這兩艘航天器都計劃用N1運載火箭發射，但由於該型火箭從未成功飛行過，火星4NM和火星5NM項目後被取消^[10]。

1971年，作為火星探測器計劃M-71的一部分，蘇聯發射了火星2號和火星3號探測器，每艘探測器都攜帶有一架着陸器。火星2號着陸器未能着陸並撞擊在火星。火星3號着陸器成為第一艘在火星上成功軟着陸的探測器，但它的數據收集不太成功。着陸90秒後，着陸器開始向火星3號軌道器發射信號，但14.5秒後，由於不明原因傳輸停止。故障原因可能與當時發生的極強火星沙塵暴有關。這些太空探測器都帶有一輛火星探測車，雖然從未部署過。

1973年，蘇聯又向火星發射了兩架着陸器，火星6和火星7號。火星6號着陸器在下降過程中傳輸224秒的數據，但在即將啟動減速火箭準備着陸前，所有聯繫中斷。由於設計缺陷，探測器上的晶片在任務執行期間退化，發回的大量數據無法使用。火星7號着陸器由於其中一項機載系統（姿態控制或減速火箭）出現操作問題而過早地與運載平台分離，並在1300公里（810英里）處掠過火星。

成對發射的火星5M（火星79號）採樣返回任務計劃於1979年進行，但後因複雜性和技術問題而取消。

海盜號計劃[編輯]

1976年，兩艘美國海盜號探測器進入火星軌道並各發射了一台着陸器，在火星表面成功實現了軟着陸。隨後，它們首次成功傳回了大量數據，包括首張彩色圖片和廣泛的科學信息。在着陸點測得的溫度範圍為150-250K(攝氏-123度到-23度；華氏-190度至-10度），一天內的變化為攝氏35到50度（華氏95度至122度）之間。觀測到了季節性沙塵暴、氣壓變化和兩極極冠之間的大氣運動。一項生物探測實驗提供了可能的生命證據，但並未得到其他探測器實驗的證實。 1976年7月25日，海盜1號軌道器在為海盜2號着陸器尋找合適着陸點時，拍攝到了構成所謂火星人臉的地形。

海盜號計劃是被取消的旅行者計劃的後繼任務，旅行者的名稱後來被用於二艘太陽系外探測器。

火星探路者號[編輯]

美國宇航局的火星探路者號探測器在火星全球探勘者號軌道器協助下於1997年7月4日登陸火星，其着陸地點是火星北半球一處名為阿瑞斯谷的古老洪泛平原，為火星上岩石分佈最多的地區之一。該着陸器攜帶了一輛名為旅居者號的微型遙控漫遊車，這是第一輛成功的火星漫遊車，它在着陸點周圍行駛了數米，探索周邊環境並採集岩石樣本。世界各地的報紙都刊登了登陸器部署漫遊車以前所未有的方式探索火星表面的圖片。

截止1997年9月27日最後一次數據傳輸前，火星探路者任務從着陸器發回了16500幅圖像，從漫遊車發回了550幅圖像，以及超過15份岩石和土壤化學分析和有關火星風及其他天氣因素的大量數據。着陸器和漫遊車上探測儀器調查的結果表明，過去的火星環境曾經溫暖潮濕，有液態水和較厚的大氣層。火星探路者任務網站一度成為當時訪問量最大的網站。

一連串的失敗[編輯]

1988年-1999年發射的火星探測器
探測器	評價	是否有着陸器
福波斯1號	失敗	火衛一
福波斯2號	成功	火衛一
火星觀察者號	失敗	否
火星96	失敗	是
火星探路者	成功	是
火星全球探勘者號	成功	否
火星氣候探測者號	失敗	否
火星極地着陸者號	失敗	是
深空2號	失敗	是
希望號探測器	失敗	否

1996年11月16日，俄羅斯發射的軌道飛行器「火星96」，因第四級D-2火箭未能按計劃二次點火而失敗。繼全球探勘者號和火星探路者項目取得成功後，1998年和1999年又發生了一系列的發射失敗，日本的希望號探測器和美國宇航局的火星氣候探測者號、火星極地着陸者號和深空2號穿透器等都在最後階段出現各種錯誤。火星氣候探測者號器因洛歇·馬丁公司工程師混淆了美制單位與公制單位，導致軌道器在進入火星大氣層時燒毀。20世紀90年代，美國宇航局共執行了5-6次任務，其中只有火星探路者號和火星全球勘測者2次成功，使火星探路者及其漫遊車成為20世紀90年代唯一成功火星登陸任務。

火星快車號和小獵犬2號[編輯]

小獵犬2號在2003年12月與火星快車號分離後失蹤11年，2015年被重新找到。

2003年6月2日，歐洲空間局火星快車號探測器從拜科努爾航天發射場升空前往火星。火星快車號探測器由火星快車號軌道飛行器和小獵犬2號着陸器組成。雖然着陸探測器設計為固定式平台，但它的機械臂上攜帶有挖掘裝置和迄今為止質量最小的光譜儀，以及一系列其他裝置，以便準確分析塵埃表面下的土壤。

軌道飛行器於2003年12月25日進入火星軌道，小獵犬2號也應於同一天進入火星大氣層。但與該着陸器的聯繫一直得不到響應，整個1月份都在不斷嘗試與它連接，直到2月中旬，不得不宣佈「小獵犬2號」丟失。英國和歐空局發起了一項聯合調查，指責首席研究員科林·皮林格項目管理不善。儘管如此，火星快車號軌道飛行器證實了火星南極存在水冰和二氧化碳冰，美國宇航局此前已證實它們也存在於火星北極。

2013年，美國宇航局火星勘測軌道飛行器上的高解像度成像科學設備相機發現了「小獵犬2號」着陸器的蹤跡，2015年1月，即皮林格去世後數月，確認了「小獵犬2號」的存在。着陸器似乎已成功着陸，但未打開其電源和通信設施。

火星探測漫遊者[編輯]

火星快車號發射不久，作為火星探測漫遊者任務的一部分，美國宇航局也向該行星派出了二艘孿生探測器。2003年6月10日，美國宇航局的火星探測漫遊者-A「勇氣號」發射升空。它於2004年1月3日成功降落在古瑟夫撞擊坑（據信曾經是一座隕坑湖）。它勘查了該地區的岩石和土壤，以尋找曾經有過水的證據。2003年7月7日，第二輛漫遊車火星探測漫遊者-B「機遇號」升空，它於2004年1月24日降落在子午線高原（那裏有大量赤鐵礦礦床，表明過去存在過水）進行了類似的地質勘測工作。

儘管勇氣號漫遊車出現的短暫通信中斷（由文件系統異常所引起[1] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館））使探測活動被推遲了數天，但兩輛漫遊者最終都開始了對其着陸點的探索。機遇號漫遊車降落在一處特別有趣的地點，一座有基岩露頭的隕石坑。3月2日，任務小組成員接連地宣佈，漫遊車發回的數據顯示，這些岩石曾「浸沒在水中」，並在3月23日得出進一步結論，它們曾位於鹹海水底。這是首個代表過去某個時期火星上存在液態水的有力直接證據。

2005年7月末，《星期日泰晤士報》報道稱，這些漫遊車可能將「沙福芽孢桿菌」（Bacillus safensis）帶到了火星。據美國宇航局一位微生物學家說，這種細菌可在飛行途中及火星環境中存活下來。含有這一主張的書籍，艾倫.柏狄克（Alan Burdick）撰寫的《回不去的伊甸園》（Out of Eden）將在英國出版。儘管兩輛着陸器都進行過消毒滅菌，但都不能保證完全不帶有細菌^[12]。

這兩輛漫遊車原設計均僅執行為期三個月任務，但實際運行時間比計劃要長得多。勇氣號直到2010年3月，也即探索74個月後才與地球失去聯繫，而機遇號運行時間則更是長達173個月，截止2018年6月與它的通訊中斷時，其行駛里程已超過45公里^[13]^[14]。兩輛漫遊車發現了許多新的東西，如隔熱罩岩，這是在另一顆行星上發現的第一塊隕石。

這是火星漫遊車觀察到着陸時所產生的一些碎片，顯示了隔熱罩周邊區域及由此形成的隔熱罩撞擊坑。在下降過程中，被拋棄的隔熱罩沿自身軌跡撞擊在火星表面，而探測器則繼續降落漫遊車。

鳳凰號[編輯]

鳳凰號火星探測器於2007年8月4日發射升空，並於2008年5月25日降落在火星北極地區，它以被拍攝到的降陸時照片而聞名，因為這是首次一艘探測器捕捉到另一艘正降落到行星上的探測器^[15]（月球不是一顆行星，而是一顆天然衛星）。

鳳凰號之後是火星科學實驗室，這是一艘比勇氣號和機遇號能力更強的漫遊車。火星科學實驗室原本計劃於2009年發射，後來推遲至2011年11月26日才發射。

2011年11月，俄羅斯發射了福布斯-土壤探測器，這是一項到火衛一採樣返回的任務，還搭載有與中國的螢火一號火星軌道飛行器，這次發射成功進入地球軌道，但未能飛往火星。

火星科學實驗室[編輯]

2011年11月發射的火星科學實驗室（和好奇號漫遊車）於2012年8月6日協調世界時5時17分，降落在火星蓋爾撞擊坑內埃俄利斯山（夏普山）與皮斯谷之間的埃俄利斯沼中，現稱為布雷德伯里着陸場的一處區域內^[16]^[17]。該着陸點位於靠近埃俄利斯山底的埃俄利斯沼「51方格區」（黃刀灣）^[18]^[19] ^[20]^[21]^[22]。在經過3.5億英里的旅程後，漫遊車降落在距計劃的目標位置中心不到2.4公里處^[23]。2012年8月22日，美國宇航局將該着陸點命名為布雷德伯里着陸場，以紀念美國科幻作者雷·布雷德伯里^[22]。

火星地外生物學[編輯]

斯基亞帕雷利登陸器旨在測試未來在火星表面軟着陸的技術，作為火星地外生物學探測項目的一部分。它由歐洲空間局和俄羅斯航天國家集團在意大利建造。2016年3月14日，與火星微量氣體任務衛星一道發射，並於2016年10月19日嘗試着陸。遙測數據約在預定着陸時間前一分鐘丟失^[24]，但確認着陸設定的大部分操作，包括隔熱罩拋離、降落傘打開和火箭啟動等都已成功^[25]。火星勘測軌道飛行器後來拍攝到的圖像顯示了似乎是斯基亞帕雷利墜毀處的地點^[26]。

洞察號[編輯]

2018年5月5日，美國宇航局洞察號着陸器發射升空，該登陸器旨在研究火星內部深處的地震學和熱流。2018年11月26日，它成功降落在火星的埃律西昂平原^[27]。

火星2020和天問一號[編輯]

美國宇航局的火星2020和中國的天問一號均於2020年7月窗口期發射。 2021年2月18日，火星2020毅力號漫遊車成功降落在耶澤羅撞擊坑內，該地點現被稱為奧克塔維婭·埃·巴特勒着陸場^[28]，在部署完機智號直升機後，它於4月份開始了後續的飛行^[29]。另外，天問一號着陸器和祝融號火星車在烏托邦平原着陸，2021年5月22日火星車駛離着陸平台，並在2021年6月1日拍攝了落地後的遠程自拍照^[30]。