火星登陆

**火星登陸**（Mars landing）是指探測器降落到火星表面。在多艘嘗試著陸火星的自動探測器中，有十艘成功實現了軟著陸。也有包括著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。

## 下降和著陸方法

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。固定著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著沒有任何用途的火箭。

輕型漫遊車的著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。

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## 更重載荷的降落

對於比好奇號漫遊車（它的氣動外殼直徑達 4.5 米（15 英尺））更重的著陸器，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。

## 著陸挑戰

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

* 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、下降和著陸（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，成功將洞察號著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著陸，其著陸器應具備的一些重要因素為：

* 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

從海盜號計劃開始，火星表面的所有著陸器都使用軌道探測器作為通信衛星向地球轉發數據。著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著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。

## 火星登陸列表

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

### 火星探測器計劃

第一艘計劃成為火星撞擊著陸器的探測器是前蘇聯的「火星 1962B」，1962 年發射失敗。

1970 年，蘇聯開始設計超重型無人火星太空飛行器的「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。這兩艘太空飛行器都計劃用 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。

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著陸器。火星 2 號著陸器未能著陸並撞擊在火星。火星 3 號著陸器成為第一艘在火星上成功軟著陸的探測器，但它的數據收集不太成功。著陸 90 秒後，著陸器開始向火星 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著陸器，火星 6 和火星 7 號。火星 6 號著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著陸前，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 號著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

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著陸器，在火星表面成功實現了軟著陸。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。在著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 號著陸器尋找合適著陸點時，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

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，其著陸地點是火星北半球一處名為阿瑞斯谷的古老洪泛平原，為火星上岩石分布最多的地區之一。該著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，它在著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，火星探路者任務從著陸器發回了 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。著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

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、火星極地著陸者號和深空 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克希德・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

2003 年 6 月 2 日，歐洲太空總署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 號著陸器組成。雖然著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。但與該著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，不得不宣布「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・皮林格專案管理不善。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析度成像科學設備相機發現了「小獵犬 2 號」著陸器的蹤跡，2015 年 1 月，即皮林格去世後數月，確認了「小獵犬 2 號」的存在。著陸器似乎已成功著陸，但未打開其電源和通信設施。

### 火星探測漫遊者

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（那裡有大量赤鐵礦礦床，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，存於網際網路檔案館））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著陸點的探索。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布，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》報導稱，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。儘管兩輛著陸器都進行過消毒滅菌，但都不能保證完全不帶有細菌。

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。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。

### 鳳凰號

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（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

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，現稱為布雷德伯里著陸場的一處區域內。該著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） 。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。2012 年 8 月 22 日，美國宇航局將該著陸點命名為布雷德伯里著陸場，以紀念美國科幻作者雷・布雷德伯里。

### 火星地外生物學

斯基亞帕雷利登陸器旨在測試未來在火星表面軟著陸的技術，作為火星地外生物學探測項目的一部分。它由歐洲太空總署和俄羅斯航天國家集團在義大利建造。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 日嘗試著陸。遙測數據約在預定著陸時間前一分鐘丟失，但確認著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。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。

### 洞察號

2018 年 5 月 5 日，美國宇航局洞察號著陸器發射升空，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。

### 火星 2020 和天問一號

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・巴特勒著陸場，在部署完機智號直升機後，它於 4 月份開始了後續的飛行。另外，天問一號著陸器和祝融號火星車在烏托邦平原著陸，2021 年 5 月 22 日火星車駛離著陸平台，並在 2021 年 6 月 1 日拍攝了落地後的遠程自拍照。

### 未來任務

歐空局羅莎琳德・富蘭克林號探測車計劃於 2022 年發射，它將採集 2 米深處的土壤樣本，並進行大範圍的生命印跡和生物分子搜索。歐空局和美國航天局還提議在 2024 年或之後啟動火星取樣返回任務，這項任務將是歐洲歐若拉計劃的一部分。

## 著陸點識別

隨著火星著陸器接近地面，確定安全的著陸點是一項尤為關鍵的問題。