未来火星探测
人类对于火星的探测经历了目视探测、望远镜观测，利用航天器的望远镜探测，发射火星探测器的轨道环绕探测和着陆探测几个阶段，还有未来的载人登陆、火星移民等计划。
火星是太阳系中与地球性质最为接近、目前除地球之外人类研究最多的行星，也是除月球之外载人深空探测的首选目标。
一、火星探测情况概况
1962年11月，苏联发射了世界上第一颗火星探测器，“火星1号”探测器，是人类首次成功接近火星的飞行，揭开了人类探测火星的序幕。1971年5月19日发射的“火星3号”探测器 。
从20世纪60年代初，前苏联发射Mars1开始，火星探测技术进展经历了掠飞探测器（Fly-by）、轨道器（Orbiter）、着陆器（Lander）、巡游车（Rover）四个阶段。1960年10月，苏联发射了世界第一颗“Mars 1960A”火星掠飞探测器，未能成功；1962年11月，苏联发射的“火星1号”，是人类首次成功接近火星的飞行；1996年12月4日，美国发射的“火星探测者”航天器，于1997年7月4日成功地着陆，并于7月6日释放出火星车，是人类首次开展火星表面行走探测。
2011年11月9日，由中国自主研制，俄罗斯发射的中俄合作的“萤火一号”火星探测器，计划进入火星椭圆轨道对火星空间和大气环境进行探测，但因故障变轨失败而夭折。除了苏联/俄罗斯、美国、中国外，欧航局，日本，印度等也陆续开展了各自的火星探测计划。
2011年11月26日发射，2012年8月6日着陆的火星科学实验室（MSL），是人类探索火星的新高度，MSL成功进行了最精确的火星着陆，其击中一个只有7公里（4.3*12.4英里）的目标点着陆。MSL任务主要有四个科学目标：调查火星的可居住性，研究其气候和地质，并收集有关载人飞行任务的数据[13]。
到目前为止，人类共计发射火星探测器55颗，任务成功率53%，任务成功26颗，部分成功3颗，发射失败9颗，巡航过程中故障8颗，着陆失败9颗。各任务成功失败情况于表1所示。
表1.火星探测任务概况
二、现有火星探测计划
在对火星探测的研究中，目前已公开的火星探测计划任务主要有以下几个：
表2. 计划中的火星任务
NASA的InSight项目将在火星上建设一个固定的着陆器，研究其内部结构，理解超过40亿年前太阳系的岩石行星形成的过程。通过研究火星核心、地幔、地壳的大小、厚度、密度和总体结构，以及热量从火星内部流出的速度，以提供行星系岩石行星的演化过程；通过确定是否有地震活动，测量内部的热流量，以估计火星核心的大小以及核心是液体还是固体。其次要目标是深入研究地球物理学、构造活动以及陨石活动对火星的影响。NASA 的火星Marco计划是一个由两个微型航天器组成的火星飞行任务，计划是在2018年或者更晚与InSight项目一起发射，为InSight任务的进入、下降和着陆提供通信传输。
图1. InSight着陆器（下）和火星立方一（Marco）航天器（上）
ExoMars项目是欧航局和俄罗斯合作的由实验着陆器和火星车两部分组成的火星天体生物学项目，以寻找火星上生命存在的证据，研究火星水和环境演化，调查大气中的微量气体及其来源，并展示未来火星样品返回任务的技术。第一部分于2016年推出，将微量气体研究通讯卫星成功发射到火星轨道，地面实验着陆器在着陆过程中坠毁。第二部分计划于2020年启动，并在地面建设流动工作站（火星车）。
图2. ExoMars气体追踪轨道器（左）、Schiaparelli着陆器（中）和火星车（右）
NASA的火星2020探测车的设计基于好奇号，但将携带不同的科学试验载荷。2013年，“火星2020”科学小组重申，其目标是寻找过去生活的痕迹，收集未来可能返回地球的31个岩石和土壤样拼，并展示将对火星进行人类探索的技术；在2015年，其重新定义的科学目标为收集更多的分布在火星表面的样品。将样品返回地球需要首先将样品从火星表面发射到火星轨道，然后再通过火星轨道收集样品返回地球。
图3. 火星2020设计图
Mars Hope航天器轨道飞行器是阿联酋发起的，目的是研究火星大气层和气候的火星探测计划。其任务数据将与全世界200多个机构共享。该探测器预计飞行时间为200天抵达火星，希望探测器将携带三种科学仪器，用于高分辨率彩色图像采集的数码相机，用于测量大气中的水、气溶胶、尘埃的红外光谱仪和用于测量上层大气中的氢氧的紫外光谱仪。
中国计划将于2020年发射火星探测器，探测器将包括一个轨道器，一个着陆器和一个流动站。搭载流动站的着陆器将采用降落伞、回弹和安全气囊来实现着陆。流动站将由太阳能电池板驱动，使用雷达探测地面，对土壤进行化学分析，并寻找生物分子和生物信号。轨道飞行器将对火星进行全球调查，寻找现存和过去的生命，对星球表面和环境进行评估，并收集火星表面地形、土壤特征、物质组成、水冰、电离层场等科学依据。
Space X的 Red Dragon项目是一款使用Falcon重型火箭发射的低成本火星着陆器任务的Dragon 2胶囊，Dragon 2胶囊的主要目的是测试人类最终可以使用的穿过火星大气的设备，其第一次任务要求将一个样品返回火星探测器送到火星表面。另外，Space X近期还公布了其火星殖民计划，目的是使用可重复使用的“星际运输系统”，将人类送到火星上居住。
图4. Red Dragon火星登陆的概念设计
三、未来火星探测提案
除了已有的火星计划外，还有很多国家和机构提出了其火星探测提案，到2030年，世界上的其他火星计划提案如表3所示。从中可以看出，美国依旧将作为火星探测的主力继续投入。包括对火星表面冰进行天体生物学实验，完成私人环绕火星任务，以及从火星表面采集样品返回任务等。其他国家对于火星的探测，因起步晚，缺乏技术积累，大多数的提案还处于气象监测、生命监测的阶段。
表3. 未来火星探测提案
四、火星探测的难题
火星任务的挑战、复杂性以及距离导致许多任务失败。其中任务失败的主要原因有着陆失败和通信故障两种，且有些通信故障也是在着陆过程中发生的，此外，在着陆火星过程中，探测器穿过大气层需要经受最大的热防护考验。
着陆失败在火星探测失败任务中占据很大的比重，尤其在火星探测的前期，苏联的Mars2、Mars6、Mars7、Phobos2都是在着陆过程中发生故障而失败，欧航局的ExoMars在与地面碰撞50s之前失踪，后被证实可能是由于高速撞击地面而爆炸，美国的Mars Climate Orbiter因没有到达火星大气中80-90km的目标高度，而降落到50km的高空大气中，导致轨道器损坏。
因通信中断或者因通信、信号错误出现的问题也不少，苏联的Phobo1因前往途中指令错误而失去了与火星相遇的机会；美国的Mars Observer、Mars Global Surveyor、Mars Polar Lander、Mars Pathfinder、Deep Space2等都是因为通信故障而结束；ESA的Mars Express在降落过程中，因通信故障而导致任务失败。
火星探测器穿过整个火星大气层时，由于进入的马赫数很高，产生的气动力和气动热对探测器稳定性、着陆精度和热防护系统的影响极大。该阶段为探测器整个飞行任务最重要且最危险的环节之一。且人类对于火星的大气环境陌生，且缺乏足够的数据库作为支撑，从而更加大了火星着陆的难度。
参考文献
[1] 欧阳自远, 肖福根. 火星探测的主要科学问题[J]. 航天器环境工程, 2011, 28(3):205-217.
[2] 熊蔚明, 谢春坚, 梁显锋,等. 萤火一号深空测控设备[J]. 空间科学学报, 2009, 29(5):490-494.
[3] Exploration of Mars.
[4] 杨肖峰. 火星探测器气动力热和传热特性研究[D]. 中国空气动力研究与发展中心, 2013.
[5] 王海涛, 姚正平, 江世臣,等. 火星表面环境下着陆探测器的热状态分析[J]. 深空探测研究, 2013(1):8-15.