火星侦察轨道器

發射與航向火星

火星偵察軌道器於2005年8月12日發射升空。在8月10日到8月30日之間，幾乎每天都有一個長度約兩小時的發射窗口。軌道器是由卡那維爾角空軍基地的41號太空發射台發射發射進入太空，載具由擎天神五號運載火箭火箭與人馬座上段推進器所組成。發射五十六分鐘之後人馬座上段推進器燃燒完畢，將火星偵察軌道器送入前往火星的軌道中。
在到達火星之前，火星偵察軌道器在行星間航行了七個半月，而在這段期間內NASA對其所搭載的科學儀器與預計進行的實驗進行了多項測試與校正工作；同時在這段期間內，為了確保火星偵察軌道器可以正確進入繞行火星的軌道，原本預計進行四次軌道修正，但最後僅實施三次軌道修正，科學家認為不需要進行第四次修正；同時，原本被視為緊急應變方案的第五次軌道修正最後也沒有實施。

科學研究作業與延伸任務

2006年3月24日，美國國家航空暨太空總署下屬的噴氣推進實驗室公布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。
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。
2007年2月7日，美國宇航局說，火星偵察軌道衛星的高清晰成像科學實驗照相機和火星氣候探測器出現技術故障。

HiRISE（高解析度成像科學設備）

HiRISE攝影機包含一台0.5公尺的反射望遠鏡，這是深太空任務中使用過最大的望遠鏡。在300公里高度的軌道上，它的火星地表解析度將可以達到0.3公尺。(Google Maps的解析度約為1公尺，一般的衛星照片可達到0.1公尺)。這台攝影機將可擷取三個彩色頻段的影像：藍-綠（400至600nm）、紅（550至850nm）與近紅外線（800至1000nm）。
紅頻段的影像可以達到20264像素寬（在300公里的高空中約可擷取6公里寬的地表影像），藍-綠與近紅外線的頻段則是4048像素寬。HiRISE上的電腦將根據軌道器的對地速度進行即時自動攝影，因此所照出來的影像在理論上是沒有高度限制的；而在實務上影像大小的限制為HiRISE電腦上的記憶體容量（約有28Gb），因此紅頻段的最大影像約為20000 × 40000像素，藍-綠與近紅外線頻段為4000 × 40000 像素。單一未壓縮影像約會佔用16.4Gb的儲存空間。
為了尋找合適的登陸地點，HiRISE亦可產生成對的立體影像，讓地形的解析度準確率達到0.25公尺。

CTX （背景攝影機）

CTX攝影機將會提供灰階影像（500至800nm），最高可拍攝40公里寬的影像，影像中每個像素的解析度約為8公尺。CTX主要將與其他兩個攝影裝備配合，以提供觀測地點的背景地圖。
攝影機的光學裝置包括了一台焦長350公釐的Maksutov望遠鏡以及一台5064像素寬的線性陣列CCD。攝影機上的記憶體將可容納160公里長的影像。

MARCI （火星彩色成像機）

MARCI將以五個可見光頻段與兩個紫外線頻段拍攝火星影像以組成火星全球影像，以幫助研究人員描繪火星每天、每季與每年氣候的特徵，並且為火星提供每天的天氣預報。

CRISM （火星專用小型偵察影像頻譜儀）

CRISM為一個紅外線/可見光頻譜儀，提供科學家關於火星礦藏的詳細地圖。CRISM在300公里的高空中解析度約為18公尺，並且在450至4050nm的頻段工作，分析頻譜中的560頻道。

MCS （火星氣候探測器）

MCS為一個九個頻道的頻譜儀，一個為可見光/近紅外線，剩下八個為遠紅外線，這些頻段可以用來觀測氣溫、壓力、水蒸氣與沙塵等級。MCS將會觀測火星地平面上的大氣，並且將大氣以五公里為一單位垂直分層，針對每一層的大氣進行測量。
這些測量值將會組成火星的每日全球天氣圖，讓科學家瞭解火星天氣的基本變數：氣溫、壓力、濕度與沙塵密度。

SHARAD （淺地層雷達）

淺地層雷達主要為探測火星極地冰冠的內部結構，並且收集火星地層下的冰、岩石甚或是地下水的結構。淺地層雷達將會在15至25MHz的高頻無線電波工作，垂直解析度將可達到7公尺，並且探測火星地表下一公里深的地層；水平解析度為0.3公里，探測3公里寬的地表。淺地層雷達將會與火星快車號上的MARSIS雷達一起工作，因為MARSIS雷達的解析度較低，但可深入地表下較深之處。這兩個雷達均由義大利太空總署操作。

Gravity Field Investigation Package （重力場探測套件）

火星重力場的變化可以由火星偵察軌道器的速度變化推導而來，而火星偵察軌道器的速度變化可以由軌道器接收地球無線電訊號時的而得知。

Atmospheric Structure Investigation Accelerometers  （大氣層結構探測加速儀）

軌道器上靈敏的加速器可以用來偵測軌道器所在位置的大氣密度。這項實驗僅會在準備進入火星軌道時的空氣煞車階段，且當軌道器進入火星大氣層較密的高度時進行。

Electra UHF Communications and Navigation Package  （Electra超高頻通訊與導航套件）

Electra為一超高頻天線，將與為未來的火星計畫進行通訊，並且幫助這些計畫的登陸器導航、登陸與定位。

Optical Navigation Camera （光學導航攝影機）

光學導航攝影機將會拍攝火星的兩個衛星（火衛一與火衛二）在背景星象上的移動，以精確偵測火星偵察軌道器的軌道。本任務並不是必須達成的重要任務，主要是測試該系統，讓未來的火星計畫可以更加精確的進入火星軌道與登陸火星。本設備已在2006年二月與三月成功測試完成。

動力系統

火星偵察軌道器的主要電力來源為兩片太陽能板，兩片太陽能板能夠獨立進行上下左右的移動。每片太陽能板的大小為5.35×2.53公尺，而在太陽能板表面共9.5平方公尺的範圍內包含了3744個光電電池。這些太陽能電池的轉換效率非常高，約可將26%的太陽能量轉換為電力，並且可以提供絕大多數儀器運作所需的32V電力。這兩片太陽能板在火星約可提供2000瓦特的電力。
除了太陽能板之外，軌道器還使用了兩個可充電式鎳氫電池，當太陽能板無法面對太陽，或是火星將太陽光遮住時便會使用電池供給電力。每個電池約可提供50安培小時的電力，但軌道器無法使用全部的電力，因電池放電時連帶的電壓也會跟著降低，當電壓低於20V時電腦便會停止工作，因此在設計上將只會使用約40%的電池電力。

電腦系統

軌道器的主電腦為一133MHz的RAD750處理器，這顆處理器為強化輻射防護的PowerPC處理器，可以在太陽風肆虐的深太空中提供可靠的運算處理。探測資料則是存放在20GB的快閃記憶體中，記憶體的量雖然似乎很充足，但是跟儀器所收集到的各項資料相比就不見得有多大了，比如說HiRISE的火星地表影像每張最高就可以達到28Gb。
電腦的作業系統則是VxWorks，並另外加上許多的防護與監測協定。

通訊系統

通訊系統將使用大型天線，利用一般深太空所使用的頻段（X-band，8GHz）傳送資料，也將會使用可以高速傳輸的Ka-Band（32 GHz）傳送各項資料。預計從火星傳送到地球的最大傳輸速度為6Mb/s，軌道器飛到白天與夜晚的交界處傳輸速度為666.70Kb/s，約為以往火星任務的10倍。
此外，軌道器另外有兩個小型低增益天線，在緊急與特殊事件時提供低速通訊，比如說發射與進入火星軌道時。

冰塊

根據2009年雷達的測量報告顯示，火星北極地區冰蓋下的冰塊的體積有821,000立方千米(197,000 立方英里), 這等於地球上格陵蘭島冰塊的30%。

撞擊坑的冰

2009年9月發表的一篇科學文章 揭示，在一些新的撞擊坑周圍有純淨的水冰。這個事實暴光後，這些冰後來似乎逐漸隨著升華而消失了。新的撞擊坑由CTX攝象機發現，CRISM後來證實冰在五個位置的存在：三個位於Cebrenia quadrangle，具體地點分別是55.57°N 150.62°E;43.28°N 176.9°E;和 45°N 164.5°E。其他兩處位於Diacria quadrangle: 46.7°N 176.8°E和46.33°N 176.9°E。

氯化物礦藏

根據MRO和其他一些火星探測器的數據顯示，科學家已經發現火星上分布著廣泛的氯化物。這些氯化物是由富含水分的礦物蒸發形成的。其中的碳酸鹽，硫酸鹽，二氧化矽應該都會率先沉澱下來。而且火星車已經在火星表面上發現了硫酸鹽和二氧化矽。有氯化物的地方過去可能存在著各種生命形式，因此，這是人類探索火星是否存在生命遺蹟的理想地區。

雪崩

MRO的CTX和HiRISE攝象機已經拍攝到，在火星北極蓋附近陡峭的山地發生的大量雪崩的照片。

流動的水

2011年8月4日，NASA宣布MRO偵察到火星在溫暖的月份里，其表面似乎存在流動的液態水。