發展背景
火星是地球的近鄰，它的特徵在很多方面都與地球極為相似。有人認為，火星的現在就是地球的未來，因而開展火星探測和研究，對於認識人類居住的地球環境，特別是認識地球的長期演化過程，是十分重要的。
軌道設計是火星探測工程總體和分系統(如測控系統、發射系統、運載系統和探測器等)的先導。火星探測器軌道設計是以太空飛行器軌道動力學理論和方法為基礎，根據飛行任務，在綜合考慮能量、飛行時間、地面測控、光照等軌道約束條件下進行的複雜而重要的科研工作。
按照不同的分類方式，可將火星探測軌道分為多種形式，如按火星探測器軌道的運行階段分類，可將其分為3個階段：繞地心(地球質心)運動階段，繞日心(太陽質心)運動階段，以及繞火心(火星質心)運動階段；若從軌道能量獲取方式劃分，可將其分為：大推力變軌，小推力變軌，利用天體引力變軌的火星探測軌道，以及按是否包含地球停泊軌道段等等劃分。
發展簡史
冷戰時期
1960年10月10日，前蘇聯向火星發射了一枚探測器。緊接著就在四天以後即1960年10月14日，向火星發射了第二枚探測器。然而這兩枚火星探測的先行者卻連地球軌道都沒能到達，這兩枚探測器後來分別被稱為“火星1A號”和“火星1B號”（前蘇聯發射成功才有正式編號）。
火星1號1962年美國開始實施“水手計畫”，在1964年先後向火星發射了兩枚探測器水手3號和水手4號。水手3號於1964年11月5日發射升空，是美國發射的第一枚火星探測器，因偏離軌道發射失敗。水手4號於1964年11月28日發射升空，於1965年7月14日在火星表面9800千米上空掠過火星，向地球發回了21張照片。這是有史以來第一枚成功到達火星並發回數據的探測器。
1964年11月前蘇聯再次向火星發射了探測器（蘇聯探測器2號），但是這枚探測器再次以失敗告終，它雖然最終到達了火星附近，但是因太陽能板損毀沒有能夠向地球發回任何數據。
1965年7月前蘇聯發射另一枚火星探測器（蘇聯探測器3號），亦遭失敗。
1969年美國向火星發射了水手6號和水手7號。這兩枚探測器攜帶有更先進的儀器和通訊設備，它們成功掠過火星，對火星大氣成分進行分析，並發回了大量照片。
1969年前蘇聯也向火星發射了兩枚探測器（火星2A號和火星2B號），然而這次比以前更加糟糕，第一枚探測器在發射後7分鐘因發動機故障發生爆炸，而另一枚探測器發射後不到1分鐘就墜向了地面。
水手9號探測器1971年，美國發射水手8號和水手9號，水手8號發射失敗。水手9號於1971年11月13日到達火星，這是有史以來第一枚成功進入環繞火星軌道的探測器，取得了空前的成功。它首次拍攝到火星全貌。
1973年前蘇聯連續向火星發射了四枚探測器火星4號~7號。火星4號沒能進入環繞火星軌道。火星5號於1974年2月12日進入環繞火星軌道，拍到世界第一張火星彩色照片，獲得60幅圖像，任務持續9天后停止工作。火星6號”和“火星7號”探測器在火星著陸失敗。
1975年美國發射海盜1號和海盜2號著陸器以探測火星生命跡象。海盜1號於1976年7月20日在火星著陸，並發回了難以置信的周景全彩色圖。科學家由此知道了原來火星的天空是略帶桃粉色的，並非是他們原先所想的暗藍色。海盜1號的軌道器拍攝到一張酷似人臉的火星表面照片。海盜2號於1976年9月3日成功著陸，它攜帶的地震檢波器的記錄了一次火星地震。
1988年前蘇聯發射以“火衛一”命名的福波斯探測器1號和2號。這是繼1973年失敗後，前蘇聯又一個火星探測計畫。福波斯1號在飛往火星途中失蹤。福波斯2號則在1989年3月27日探測器進入環繞火星軌道後不久與地球失去了通信聯繫。福波斯2號最後發回地球的圖像，竟是一個巨大的圓柱形“太空船”照片——一個估算有25公里長、直徑1.5公里的雪茄狀“母船”，它就懸浮在火星衛星“火衛一”的下方。自“福波斯2號”傳回這張令人震驚的圖像後，就和地球突然神秘地失去了聯繫。
九十年代
火星環球勘探者1996年11月7日，美國的火星全球勘測者探測器發射升空，於1997年9月11日進入繞火星運行軌道。這枚探測器持續運作了10年，最後在2006年11月5日失去訊號聯絡，成為迄今服役最長的火星探測器。它發回的信息量比之前升空的所有火星探測器的總和還要大，是最成功的火星探測任務之一。
1996年11月16日，俄羅斯發射了火星96探測器，探測器進入地球軌道後未能成功點火進入前往火星的軌道，不久後墜入太平洋而宣告失敗。
1996年12月4日，美國發射火星探路者號探測器，於1997年07月04日在火星表面著陸。它攜帶的“索傑納”號火星車，是人類送往火星的第一部火星車。它僅有微波爐大小。
1998年7月3日，日本發射希望號火星探測器，但因偏離軌道而失敗。
1998年12月11日，美國發射火星氣候探測器，在進入火星軌道的過程中失去聯絡，最終任務失敗。
1999年1月3日，美國發射火星極地著陸者探測器，在進入火星大氣層時失去聯絡而墜毀。搭載的兩個微型探測器“深空2號”也一同損毀。
二十一世紀
奧德賽號探測器2003年6月2日，歐洲發射“火星快車號”探測器，於2003年12月25日成功進入環繞火星軌道。搭載的“獵兔犬2號”著陸器在著陸過程中失去聯絡。
2003年美國實施“火星探測漫遊者”計畫，先後將勇氣號(Spirit,MER-A)和機遇號(Opportunity,MER-B)兩部火星車送往火星。勇氣號於2003年6月10日發射升空，於2004年1月3日在火星表面成功著陸。在大幅超過原本設計3個月的任務時間後於2011年3月22日失去聯絡。2011年5月25日，NASA在最後一次嘗試聯絡後結束勇氣號的任務。機遇號於2003年7月7日發射升空，於2004年1月25日成功著陸火星。大幅超出原本設計3個月的任務時間並工作至今。
2005年08月12日，美國成功發射火星偵察軌道器（火星勘測軌道飛行器），於2006年03月10日進入火星軌道，成為火星的第四個正在使用中的人造衛星（前三個是火星全球勘測者、2001火星奧德賽、火星快車）與第六個正在使用中的火星探測器（四個衛星加上兩台火星車）。
鳳凰號探測器2011年11月，俄羅斯發射福布斯－土壤號火星探測器，因主動推進裝置未能點火而變軌失敗。搭載的中國第一個火星探測器”螢火一號“也宣告失敗。
火星大氣與揮發演化探測器2013年11月5日，印度在該國東海岸的斯里赫里戈達島(Shriharikota)航天發射場，發射印度首顆火星探測器“曼加里安號火星探測器”號。2014年9月24日，印度“曼加里安”號成功進入火星軌道。
2013年11月18日，美國“火星大氣與揮發演化探測器“發射升空，於2014年9月22日成功進入火星軌道。“火星大氣探測器”旨在調查火星的上層大氣，幫助了解火星大氣層的氣體逃逸對火星氣候與環境演變所產生的影響。
各國的發展計畫
美國
機遇號火星車2014年6月，美國國家科學院公布了他們的登入火星時間表，計畫在2037年至2050年間以數百億美元和“人類生命面臨重大風險”的代價將人類送上火星。
美國目前有五個探測器在火星運行，其中包括三個衛星：火星奧德賽號、火星偵察軌道器、火星大氣與揮發演化探測器，和兩部火星車：機遇號、好奇號。
俄羅斯
歐洲火星探測任務（ExoMars）早在2001年俄羅斯太空科學研究所負責人格里戈里耶夫教授宣布，俄羅斯太空科學家已經克服了星際載人飛行的大部分難關，並且準備在2020年左右派太空人等登入火星。2007年俄聯邦航天署署長阿納托利·佩爾米諾夫曾經表示，根據俄羅斯制定的2040年前太空計畫，俄計畫在2035年後開始載人火星之旅。
2013年初俄羅斯聯邦航天局與歐洲航天局達成合作項目，將共同開展“ExoMars(ExobiologyonMars)”任務。據悉，他們計畫分別於2016年和2018年進行兩次火星發射任務，目的是為了尋找火星上現在和過去曾經存在生命的痕跡。
歐洲
ExoMars2020 火星漫遊車“極光計畫”中的任務包括：在2014年左右，對人類登入火星任務研究論證，包括軌道裝備與入塢、生命支持與人類居住等技術；在2018年左右，進行一系列技術先驅任務，包括對空中制動、太陽能電推進和軟著陸等技術進行試驗。昂加羅博士表示，按照“極光計畫”中的安排，歐洲太空局將在2024年派太空人登入月球，並在2030年到2033年之間最終展開人類探險火星的任務。
2013年“歐洲火星探測任務”（ExobiologyonMars，ExoMars）通過了一個重要的節點，進入了最終研製階段。ExoMars任務最初是由歐洲航天局和美國航空航天局聯合開展的，但由於受到經費的限制，美國於2012年退出了該計畫。在2013年年初，俄羅斯聯邦航天局開始接替美國，成為歐空局的合作者。2013年06月，歐洲航天局（ESA）和火星探測器製造商阿萊尼亞太空公司（ThalesAleniaSpace）簽署了正式的契約。這個訂單價值為3億美元，而最終完成ExoMars任務總共需要大約16億美元。
按照計畫分別於2016年和2018年進行兩次火星發射任務。
預定2016年1月發射“火星微量氣體任務”(MarsTraceGasMission,TGM)衛星，包括一個為軌道飛行器和一個為火星著陸器。著陸器主要的任務一方面是為2018年發射的ExoMars火星車選擇登入地點，另一方面也是為了將來其它的火星任務積累經驗。
計畫於2018年的發射火星車“ExoMars”，ExoMars火星車是一台六輪高自動化的越野車，重量約270公斤。可以在火星表面自動導航。一對立體攝影機讓火星車可以建立火星表面的3D地形圖，其使用的導航程式可以用來判定周圍地形讓火星車能避開阻礙與找出最有效率的路線。酬載儀器將包含一個10公斤的“巴斯德酬載”（PasteurPayload）和一個2公斤的鑽孔機。能夠在火星表面打鑽兩米深，在那樣的深度能夠禁止嚴寒、乾燥和強輻射的環境。火星車將以太陽能進行為期180個火星日（6個月）的任務。
中國
計畫於2018年發射的火星探測器模型2014年6月，有著“嫦娥之父”之稱的中科院院士、中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠在第22屆國際天文館學會大會的開幕式上透露，我國即將開展深空探測，其中預計2020年實現火星的著陸巡視，2030年實現火星採樣返回。
2013年9月23到27日北京舉行的第64屆國際宇航大會上，航天科技集團董事長許達哲在中國專場“中國航天發展與展望”的全體會議中做了中國航天的精彩報告，為我們帶來我國深空探測的最新訊息。報告中提到我國將2030年前將進行火星探測、深空太陽觀測、小行星伴飛和著陸、金星探測、木星探測和火星取樣返回等多個深空探測項目。其中：
2018年左右我國將進行第一次火星探測，探測器包括軌道器和巡視器；
2020年左右我國將發射深空太陽天文台；
2020年到2025年進行小行星伴飛和附著探測器和金星探測器的發射；
2025年到2030年先後進行木星探測器和火星取樣返回探測器的任務。
中國火星探測計畫2016年3月4日，在全國政協會議期間，衛星專家葉培建委員透露，我國準備在2020年發射火星探測器，並於2021年登入火星。
2016年4月22日國家航天局局長許達哲表示，1月份時中國首次火星探測任務已正式立項，首個火星探測器預計2020年發射。據中國航天科技集團五院火星探測器總設計師孫澤洲介紹，中國首個火星探測器將由環繞器和著陸巡視器組成，同時實現環繞和著陸巡視任務，其科學目標還未最終確定，但基本圍繞以下幾個方面：通過光學遙感探測火星形貌；通過光譜等探測火星土壤元素、礦物成分及岩石類型；探測火星空間環境，包括火星大氣；探測火星土壤結構及水冰，火星表面甚至地下淺層是否有水？
2018年3月23日，中國航天科技集團（CASIC）十一院研究員周偉江透露，我國的火星探測器計畫於2020年發射，目前已完成氣動外形設計，以及氣動力、氣動熱設計工作。
印度
2013年11月5日下午2時38分，印度首顆火星探測器“曼加里安”號在印度南部安得拉邦斯里赫里戈達發射場發射升空。2014年9月24日，印度曼加里安號火星探測器成功進入火星軌道，使印度成為首個成功向火星發射探測器的亞洲國家。印度成為全世界繼美國、俄羅斯和歐洲航天局後，第四個成功完成火星探測的國家或組織。
印度輿論稱，這標誌著印度已躋身火星探測前沿，是印度空間技術發展的里程碑事件。達成這趟“火星軌道探測器”任務(MOM)只花45億盧比(約合7400萬美元)預算，大約是美國“火星大氣與揮發演化探測器”(MAVEN)火星計畫6.71億美元花費的1/10，甚至比好萊塢電影《地心引力》的1億美元製作成本還要低。
阿聯
阿聯太空署2015年4月25日啟動國家太空戰略發展計畫，欲在2020年發射“希望”號火星探測器。
計畫包括擬於2020年發射“希望”號火星探測器，該計畫將由阿聯太空署及“希望”號火星計畫團隊等機構合作完成；阿聯太空署將在今年年內規劃國家航天產業，出台相關政策和法規，推動和保護航天產業的發展；大力提倡和鼓勵阿聯年青一代接受和學習航天科技，從今年起，每年挑選20名優秀學生，外派學習航天科技；計畫在5年內投資約2700多萬美元，建立本地區首個航天研究中心；與友好國家簽署太空合作協定等。
2016年11月2日，阿聯副總統兼總理、杜拜酋長穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆在考察穆罕默德·本·拉希德航天中心（MBRSC）時正式批覆了阿聯“希望號”火星探測器的最終設計方案，阿聯因此成為全球第九個正式開啟火星探測的國家。同時被批覆的還有阿聯衛星製造組裝綜合體二期項目。該綜合體將遵循最高國際標準規範要求，可同時安裝及裝配多個航天衛星項目。“希望號”火星探測器項目於2015年推出，將於2021年年中發射。
盤點登入外星的人類探測器
| 台北時間2009年9月26日訊息，據英國《新科學家》雜誌報導，迄今為止，人類已經向月球和其他行星發射了很多個探測器，但是只有為數不多的探測器成功地目的地著陸。 |
