凤凰号火星探测器

概述

鳳凰號任務的目的是尋找火星北極土壤中可能存在的生命特徵，對淺層地下的水冰以及火星極地的氣候進行研究。鳳凰號在美國東部時間2007年8月4日5點26分於佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地使用德爾塔2型運載火箭成功發射，並於2008年5月25日成功著陸火星。
2008年5月25日，鳳凰號成功著陸，不久後它在火星上直接發現了水冰。
2008年11月2日，由於電力不足，鳳凰號與地面控制中心失去聯絡。但在失聯之前，鳳凰號已經完成了所有的任務目標。
2010年5月24日，由於在鳳凰號著陸的第二個春季和夏季沒有收到來自它的信號，而且來自MRO的圖像顯示了損毀，NASA宣布鳳凰號任務結束。

著陸

由於火星極地著陸者在1999年底的災難性失敗，NASA未在之後的火星探險漫遊者（MER）任務中使用動力下降進行著陸，鳳凰號是繼海盜二號在1976年之後，第三個動力下降而成功登陸火星的探測器，這也是NASA在1999年的失敗後第一次使用動力下降技術。
2008年5月25日，美國東部時間下午6點46分（UTC：2008年5月25日 23:46） ，鳳凰號完成「關鍵7分鐘」（亦被稱為「恐怖7分鐘」）降落程序，成功降落火星北極區，成為人類第一個降落在火星北極區的航天探測器，事前太空總署評估只有五成成功率。
所謂「關鍵7分鐘」是指需時約7分鐘的一系列降落程序，讓鳳凰號以時速 21,000公里（13,049英里）進入火星大氣層後，把飛行時速降到約每小時 8公里每小時（5英里每小時），然後再打開著陸推進器，以便進行軟著陸。

科學成果

在2008年5月25日成功著陸之後，鳳凰號發回大量數據，這些數據揭示了火星的水和氣候循環，火星表面土壤的成分和特性，以及火星北極的自然環境，取得了一系列的科學成果。

火星表面的水

在2008年6月19日，NASA宣布由機械臂掘開的"渡渡鳥金髮狀毛莨"內，有方塊大小叢集的明亮物質，四後天就蒸發掉了，者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，但在火星北極的夏季，乾冰的升華速度比水冰要快得多。
在2008年7月31日，NASA宣布，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。
除去2015年在火星中緯度地區發現的含有高氯酸鹽的液態水之外，液態的純淨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，其他大部分的水都以固體形式存在於火星極蓋和地下的冰層中。
2008年9月底，鳳凰號的主要任務結束，但鑑於鳳凰號的狀況良好，NASA決定在2008年9月30日之後繼續資助它運作。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（註：2015年九月底，NASA的好奇號火星車發現一體積的火星土壤中的水含量高達1.5％-3％，由此發現火星表面儲水量遠超之前的想像），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著陸腳架上呈霧狀聚集的小滴是否是水滴。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。
一位科學家指出，鳳凰號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天的火星日中，在火星溫度下降的過程中如何慢慢的蒸發。

任務結束

鳳凰號火星著陸器設計在火星表面工作90個火星日，雖然NASA在設計之初沒有考慮讓鳳凰號在火星北極的冬天存活，但它的實際工作時間超出預期，從世界協調時2008年5月25日著陸成功到2008年11月2日失去聯繫，鳳凰號工作了超過150個火星日。

與地面失去聯繫（2008年）

早在世界協調時10月28日（第152個火星日），鳳凰號就因太陽高度角過低和嚴重的沙塵暴所造成的供電不足而進入安全模式，隨後著陸器關閉了四個加熱器以節約電源，這造成鳳凰號的機械臂和大氣分析儀無法使用。而早在之前一個星期，鳳凰號的電力供應限制就使得任務變得困難，許多儀器不得不共享電力以保持運轉。
在世界協調時2008年11月2日，NASA收到了鳳凰號發送的最後的訊號：
"01010100 01110010 01101001 01110101 01101101 01110000 01101000       <3,"
使用美國信息交換標準代碼（ASCII）將其翻譯，結果為："Triumph"
發送這條訊息後，鳳凰號著陸器再也沒有向地球發回任何數據。

嘗試重新聯繫（2010年）

雖然鳳凰號在2008年11月2日因電力不足而停止運行，但NASA期望它可以在火星北極的下一個春季或夏季（大約兩個地球年後）恢復工作，所以保留了鳳凰號上通信天線的通信信道，並於2010年1月18日起嘗試與鳳凰號聯繫，但並沒有成功，後來在2月和4月的進一步嘗試也沒有成功。
NASA通過火星偵察軌道器（MRO）使用其搭載的HiRISE拍攝的圖像分析後發現鳳凰號的兩個太陽能電池板已經完全損毀。鑑於鳳凰號著陸在火星的北極圈內，處在火星北極冬季處於火星北極的極蓋中，NASA估計鳳凰號在冬季很可能被二氧化碳凝華形成的乾冰所覆蓋，據測算，覆蓋在鳳凰號太陽能電池板上的稠密的乾冰層最厚時可達19厘米（約合7.5英寸），而且每平方厘米的乾冰可重達30克，這顯然是鳳凰號的太陽能電池板所無法承受的。

由於數次嘗試重新聯繫失敗，且發現了無法挽救的損毀，NASA於2010年5月24日正式宣布鳳凰號任務結束。

科學儀器

鳳凰號主要搭載的科學和工程儀器如下：

機械臂和機械臂相機（Robotic arm and camera）

鳳凰號的機械臂可以從著陸器底部伸出2.35米，能夠在挖掘到沙地表面以下0.5米處。它可以將泥土和冰的樣本送入鳳凰號上的其他儀器中進行分析。在鏟子後面有一個用來切割堅硬的永久凍土的旋轉摩擦裝置，這個摩擦裝置可旋轉至前方以便開展作業。
世界協調時2008年5月28日，鳳凰號展開了機械臂，為了預防火星土壤被地球生命污染，它會首先展開一層防護罩。在之後的數次挖掘中，鳳凰號的機械臂先後挖到了位於土壤下方的高純度水冰以及摻雜在土壤中的水冰，並且拍攝了著陸器下方的冰層，還拍攝到了陽光下水冰的升華。直接挖掘到水也被認為是鳳凰號任務最大的科學成果之一。
此外，還有一個連接到機械臂上方的機械臂相機（RAC），能夠拍攝彩色照片，以確認採集的樣本是否被送回到探測器，並拍攝被挖掘區域的圖像。

著陸相機（Mars Descent Imager）

鳳凰號上搭載的著陸相機（MARDI）被設計用於在鳳凰號著陸的最後階段拍攝圖像，用於準確地探查著陸器著陸的位置，並幫助找到潛在的科學目標，但在發射前的最後測試中，任務團隊發現一個重大由於軟體設計和快閃記憶體卡的兼容問題，如果MARDI在下降的最後階段採集圖像，那麼控制下降和著陸的慣性導航單元的數據就有可能被清除。這顯然是一個不可被接受的風險，所以NASA的團隊決定不啟用MARDI，雖然這會導致部分資料的丟失。
有趣的是，MARDI最初是為2001火星勘測者著陸器設計和建造的，在該著陸任務因資金不足被取消之後，MARDI被封存了好幾年，直到最後被用在鳳凰號上面。

立體相機（Surface stereo imager）

立體相機（SSI）是鳳凰號上的主攝像機，由火星探路者和火星極地著陸者的主攝像機改良而來，與前兩者相比解析度更高。主要用於獲取鳳凰號周邊的立體圖像，以及監視各種儀器的運行。
以太陽作為參考，SSI還可用於檢測大氣中的灰塵含量，以及大氣特徵。

高溫氣體分析儀（Thermal and evolved gas analyzer）

高溫氣體分析儀（TEGA）可將試管中的樣品加熱至汽化，通過檢測氣體中的水，二氧化碳和其他氣體，來測定樣品的化學成分。
TEGA中一共有八根原子筆大小的試管，每根試管都可進行一次成分分析。

顯微、電化學和導電率分析儀（Microscopy, electrochemistry, and conductivity analyzer）

顯微、電化學和導電率分析儀（MECA）最初是為2001火星勘測者著陸器設計和建造的，在該任務取消後，這個儀器包被用在了鳳凰號上，它也是鳳凰號上最重的一組科學儀器。
MECA的組成如下：

樣品入口（Sample wheel and translation stage）

樣品入口可將69支樣品試管中的6支移動至開口處以接收機械臂送來的樣品，這些樣品將進入下方的儀器中進行分析和檢測。

光學顯微鏡（Optical microscope）

光學顯微鏡能夠以256像素/毫米或16微米/像素的解析度拍攝區域為2×2毫米範圍內的樣品的顯微圖像，由機械臂送來的樣品被多個LED（9個紅色，綠色和藍色LED或3個發出紫外光的LED）照亮後由CCD陣列採集樣品的圖像以進行分析。

原子力顯微鏡（Atomic force microscope）

鳳凰號搭載的原子力顯微鏡可以掃描送至光學顯微鏡的樣品，它具有原子級的解析度（約0.1微米），可以提供樣品表面詳細的三維圖像。

濕化學實驗室（Wet Chemistry Laboratory）

濕化學實驗室（WCL）通過將樣品放入盛有特殊試劑的試管中，可以通過電化學傳感器分析溶解在溶劑中的離子，WCL還可以分析樣品中的有機物，以檢測土壤中是否有生命（微生物）或生命物質（如胺基酸，蛋白質等）。WCL一共有四個（四支試管），可以進行四次分析。

熱和導電率探頭（Thermal and Electrical Conductivity Probe）

熱和導電率探頭（TECP）是顯微、電化學和導電率分析儀（MECA）上的一個儀器，它被安裝在機械臂的末端，TECP由四個探頭組成，可以對火星土壤的溫度、相對濕度、熱導率、電導率、介電常數、風速和大氣溫度進行測量。
TECP的四個探頭中的三個內部有微小的加熱元件和溫度傳感器。其中一個探頭使用內部加熱元件發出熱脈衝，記錄熱脈衝發送的時間，並監測熱量從探頭消散的速率。熱脈衝到達相鄰的探頭，就可以測量熱量從探頭傳播的速度以及探頭之間傳播的速度，使得科學家們可以測量土壤的熱傳導率，比熱容和熱擴散係數。
TECP還可以測量介電常數和電導率，這些數據可以用來計算風化層水分和鹽度。探頭1和2一起工作來測量風化石中的鹽，加熱土壤以測量風化石的熱性質（熱導率，比熱容和熱擴散率），並測量土壤溫度。

氣象站（Meteorological Station）

鳳凰號搭載的氣象站（MET）由溫度和壓力傳感器以及雷射測距儀（LIDAR）組成，MET會記錄火星北極的每日天氣，測量有關火星北極大氣大氣以及北極火星中固態和氣態之間的循環的信息。

雷射雷達（LIDAR）

MET的雷射雷達（LIDAR）的工作原理與雷達相同，使用強大的雷射脈衝將光線垂直傳輸到大氣中，從而反射出灰塵和冰粒。分析這些反射的光脈衝及其返回到雷射雷達儀器的時間，可以採集有關大氣顆粒大小及其位置的信息。
通過採集塵埃和冰粒的分布信息，科學家可以對極地大氣中的能量流動情況做出重要推斷。這些粒子還揭示了雲，霧和塵埃的形成，持續時間和運動情況，提高了對火星大氣的科學認識。

溫度計（Temperature Analyzer）

MET上的溫度計是一種熱電偶傳感器，這項技術之前曾成功地用於海盜號和探路者號任務。有三個熱電偶傳感器將位於1.2米的垂直立柱上，這樣可以測量火星表面不同高度的氣溫。

氣壓計（Air Pressure Sensors）

由於火星上的氣壓非常低，所以MET搭載的氣壓計必須非常敏感和精確，MET搭載的氣壓計之前曾經成功地用於海盜號和探路者號任務。

鳳凰號DVD

鳳凰號上的美國國旗旁搭載了一張「鳳凰號DVD」，包含了一些火星的照片以及一些書籍和文獻資料，這也使這張DVD成為了第一個「火星圖書館」，除此之外，這張DVD上還搭載了通過網際網路收集到的25萬份簽名。
鳳凰號搭載的DVD的大小和普通的DVD-ROM一樣，可以放在個人電腦的光碟機中直接讀取，但是這張DVD由專門用於抵禦火星環境的特殊矽玻璃製成，可以在火星北極的惡劣環境中保存數千年甚至更久。
附在這張DVD表面的文字如下：
「This archive, provided to the NASA Phoenix mission by The Planetary Society, contains literature and art (Visions of Mars), greetings from Mars visionaries of our day, and names of 21st century Earthlings who wanted to send their names to Mars. This DVD-ROM is designed to be read on personal computers in 2007. Information is stored in a spiral groove on the disc. A laser beam can scan the groove when metallized or a microscope can be used. Very small bumps and holes represent the zeroes and ones of digital information. The groove is about 0.74 micrometres wide. For more information refer to the standards document ECMA-268 (80 mm DVD Read-Only Disk).」

後續發展

鳳凰號的平台最早是由失敗的火星極地著陸者和被取消的2001火星勘測者著陸器平台發展而來（包括平台太陽能電池板的設計，動力下降推進器等），設計上節約了不少成本。由於鳳凰號的平台可以執行多種多樣的任務，NASA考慮將鳳凰號的設計用於之後的一些火星著陸器上。
在2010年，NASA啟動了旨在調查火星內部結構的洞察號（InSight）任務，之後NASA確認洞察號將使用鳳凰號的平台，以節約數億美元的成本和提高可靠性。洞察號已經在2016年建造完成，將在2018年5月初使用宇宙神5火箭發射，在2018年11月底在火星的埃律西昂平原著陸。
NASA未來的月球南極採樣返回任務以及計劃在2030年之前執行的火星採樣返回任務，都將使用鳳凰號或者類似的平台。