Hàng tá tàu không gian, bao gồm tàu quỹ đạo, tàu đổ bộ, và robot tự hành, đã được gửi đến Sao Hỏa bởi Liên Xô, Hoa Kỳ, châu Âu, và Nhật Bản nhằm nghiên cứu bề mặt, khí hậu và địa chất hành tinh đỏ. Đến năm 2008, chi phí cho vận chuyển vật liệu từ bề mặt Trái Đất lên bề mặt Sao Hỏa có giá xấp xỉ 309.000US$ trên một kilôgam.[135]

Những tàu còn hoạt động cho đến năm 2011 bao gồm Mars Reconnaissance Orbiter (từ 2006), Mars Express (từ 2003), 2001 Mars Odyssey (từ 2001), và trên bề mặt là robot tự hành Opportunity (từ 2004). Những phi vụ kết thúc gần đây bao gồm Mars Global Surveyor (1997–2006) và Robot tự hành Spirit (2004–2010).

Gần hai phần ba số tàu không gian được thiết kế đến Sao Hỏa đã bị lỗi trong giai đoạn phóng, hành trình hoặc trước khi bắt đầu thực hiện phi vụ hoặc không hoàn tất phi vụ của chúng, chủ yếu trong giai đoạn cuối thế kỷ 20. Sang thế kỷ 21, những thất bại trong các phi vụ đã được giảm bớt nhiều.[136] Những lỗi trong các phi vụ chủ yếu là do vấn đề kĩ thuật, như mất liên lạc hoặc sai lầm trong thiết kế, và thường do hạn chế về tài chính và thiếu năng lực trong các phi vụ.[136] Số thất bại nhiều như vậy đã làm cho công chúng liên tưởng đến những điều viễn tưởng như "Tam giác Bermuda", "Lời nguyền" Sao Hỏa, hoặc "ma cà rồng" trong thiên hà đã ăn những tàu không gian này.[136] Những thất bại gần đây bao gồm phi vụ Beagle 2 (2003), Mars Climate Orbiter (1999), và Mars 96 (1996).

Các phi vụ trong quá khứ

Chuyến bay ngang qua Sao Hỏa thành công đầu tiên bởi tàu Mariner 4 của NASA vào ngày 14–15 tháng 7 năm 1965. Ngày 14 tháng 11 năm 1971 tàu Mariner 9 trở thành tàu không gian đầu tiên quay quanh một hành tinh khác khi nó đi vào quỹ đạo quanh Sao Hỏa.[137] Con tàu đầu tiên đổ bộ thành công xuống bề mặt là hai tàu của Liên Xô: Mars 2 vào ngày 27 tháng 11 và Mars 3 vào ngày 2 tháng 12 năm 1971, nhưng cả hai đã bị mất tín hiệu liên lạc chỉ vài giây sau khi đổ bộ thành công. Năm 1975 NASA triển khai chương trình Viking bao gồm hai tàu quỹ đạo, mỗi tàu có một thiết bị đổ bộ; và cả hai đã đổ bộ thành công vào năm 1976. Tàu quỹ đạo Viking 1 còn hoạt động tiếp được 6 năm, trong khi Viking 2 hoạt động được 3 năm. Các thiết bị đổ bộ đã gửi bức ảnh màu toàn cảnh tại vị trí đổ bộ về Sao Hỏa[138] và hai tàu quỹ đạo đã chụp ảnh bề mặt hành tinh mà vẫn còn được sử dụng cho tới ngày nay.

Tàu thám hiểm của Liên Xô Phobos 1 và 2 được gửi đến Sao Hỏa năm 1988 nhằm nghiên cứu hành tinh và hai vệ tinh của nó. Phobos 1 bị mất liên lạc trong hành trình đến Sao Hỏa còn Phobos 2 đã thành công khi chụp ảnh được Sao Hỏa và vệ tinh Phobos nhưng đã không thành công khi gửi thiết bị đổ bộ xuống bề mặt Phobos.[139]

Sau thất bại của tàu quỹ đạo Mars Observer vào năm 1992, tàu Mars Global Surveyor của NASA đã đi vào quỹ đạo hành tinh này năm 1997. Phi vụ này đã thành công và kết thúc nhiệm vụ chính là vẽ bản đồ vào đầu năm 2001. Trong chương trình mở rộng lần thứ 3, con tàu này đã bị mất liên lạc vào tháng 11 năm 2006, tổng cộng nó đã hoạt động tới 10 năm trong không gian. Tàu quỹ đạo Mars Pathfinder của NASA, mang theo một robot thám hiểm là Sojourner, đã đổ bộ xuống thung lũng Ares Vallis vào mùa hè năm 1997, và gửi về nhiều bức ảnh giá trị.[140]

Tàu đổ bộ Phoenix đã hạ cánh xuống vùng cực bắc Sao Hỏa vào ngày 25 tháng 5 năm 2008.[141] Cánh tay robot của nó được sử dụng để đào đất và sự có mặt của băng nước đã được xác nhận vào ngày 20 tháng 6.[142][143][143] Phi vụ này kết thúc vào ngày 10 tháng 11 năm 2008 sau khi liên lạc với tàu thất bại.[144]

Tháng 11 năm 2011, phi vụ Fobos-Grunt và Huỳnh Hỏa 1 được phóng lên trong chương trình hợp tác giữa Liên bang Nga và Trung Quốc. Nhưng tàu Fobos-Grunt đã không khởi động được động cơ đẩy sau khi nó được phóng lên quỹ đạo quanh Trái Đất. Fobos-Grunt là phi vụ gửi một tàu quỹ đạo đến Sao Hỏa đồng thời phóng một thiết bị đổ bộ xuống vệ tinh Phobos nhằm thu thập mẫu đất đá sau đó gửi về Trái Đất. Các nhà khoa học Nga đã không thể liên lạc được với tàu và khả năng con tàu sẽ rơi trở lại Trái Đất vào tháng 1 năm 2012.

Phi vụ hiện tại

Tàu Mars Odyssey của NASA đi vào quỹ đạo Hỏa Tinh năm 2001.[145] Phổ kế tia gamma trên tàu Odyssey đã phát hiện một lượng đáng kể hiđrô chỉ cách lớp phủ regolith ở bề mặt có vài mét trên Sao Hỏa. Lượng hiđrô này được chứa trong lớp băng tàng trữ ở phía dưới.[146]

Tàu quỹ đạo Mars Express của cơ quan không gian châu Âu (ESA) đến Sao Hỏa năm 2003. Nó mang theo thiết bị đổ bộ Beagle 2 nhưng đã đổ bộ không thành công trong quá trình đi vào bầu khí quyển và được coi là mất hoàn toàn vào tháng 2 năm 2004.[147] Đầu năm 2004, đội phân tích phổ kế Fourier hành tinh (Planetary Fourier Spectrometer team) đã thông báo rằng tàu quỹ đạo đã xác định được sự có mặt của mêtan trong bầu khí quyển Hỏa Tinh. Cơ quan ESA thông báo tàu của họ đã quan sát được hiện tượng cực quang trên Sao Hỏa vào tháng 6 năm 2006.[148]

Tháng 1 năm 2004, hai tàu giống nhau của NASA thuộc chương trình robot tự hành thám hiểm Sao Hỏa là Spirit (MER-A) và Opportunity (MER-B) đã đáp thành công xuống bề mặt hành tinh đỏ. Cả hai đều đã hoàn thành mục tiêu của chúng. Một trong những kết quả khoa học quan trọng nhất đó là chứng cứ thu được về sự tồn tại của nước lỏng trong quá khứ ở cả hai địa điểm đổ bộ. Bão bụi (dust devils) và gió bão đã thường xuyên làm sạch các tấm pin mặt trời ở 2 robot tự hành, do vậy hai robot có điều kiện để mở rộng thời gian tìm kiếm trên Hỏa Tinh.[149] Tháng 3 năm 2010 robot Spirit đã ngừng hoạt động sau một thời gian bị mắc kẹt trong cát.

Ngày 10 tháng 3 năm 2006, tàu Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) của NASA đi vào quỹ đạo hành tinh này để thực hiện nhiệm vụ 2 năm khảo sát khoa học. Con tàu đã vẽ bản đổ địa hình và khí hậu Sao Hỏa nhằm tìm những địa điểm phù hợp cho các phi vụ đổ bộ trong tương lai. Ngày 3 tháng 3 năm 2008, các nhà khoa học thông báo tàu MRO đã lần đầu tiên chụp được bức ảnh về một chuỗi các hoạt động sạt lở đất đá gần cực bắc hành tinh.[150]

Tàu Dawn đã bay ngang qua Sao Hỏa vào tháng 2 năm 2009 để nhận thêm lực đẩy hấp dẫn nhằm tăng tốc đến tiểu hành tinh Vesta và sau đó là hành tinh lùn Ceres.[151]

Chương trình Mars Science Laboratory, với robot tự hành mang tên Curiosity, được phóng lên ngày 26 tháng 12 năm 2011. Robot tự hành này là một phiên bản lớn hơn và hiện đại hơn so với hai robot tự hành trong chương trình Mars Exploration Rovers, với khả năng di chuyển tới 90 m/h. Nó cũng được thiết kế với khả năng thực hiện thí nghiệm với các mẫu đất đá lấy từ mũi khoan ở cánh tay robot hoặc thu được thành phần đất đá từ việc chiếu tia laser có tầm xa tới. Robot này cũng sẽ thực hiện khả năng đổ bộ chính xác trong vùng bán kính khoảng 20 km nằm trong hố Gale nhờ lần đầu tiên sử dụng thiết bị phản lực có tên "Sky crane".[152]

Năm 2008, NASA tài trợ cho chương trình MAVEN, một phi vụ gửi tàu quỹ đạo được phóng lên năm 2013 nhằm nghiên cứu bầu khí quyển của Sao Hỏa. Con tàu sẽ đi vào quỹ đạo hành tinh đỏ vào năm 2014.[153]

Các phi vụ trong tương lai

Năm 2018 cơ quan ESA có kế hoạch phóng robot tự hành đầu tiên của họ lên hành tinh này; robot ExoMars có khả năng khoan sâu 2 m vào đất nhằm tìm kiếm các phân tử hữu cơ.[154]

NASA sẽ gửi robot đổ bộ InSight dựa trên thiết kế tàu đổ bộ Phoenix nhằm nghiên cứu cấu trúc sâu bên trong Sao Hỏa vào năm 2016.[155]

Năm 2020, một robot tự hành có thiết kế tương tự như Curiosity sẽ được phóng lên nhằm mục đích tiếp tục nghiên cứu hành tinh này của cơ quan NASA.[156]

Chương trình MetNet hợp tác giữa Phần Lan-Nga sẽ gửi một tàu quỹ đạo nhằm nghiên cứu cấu trúc khí quyển, khí tượng hành tinh đồng thời nó sẽ gửi một thiết bị nhỏ xuống bề mặt hành tinh.[157][158]

Kế hoạch đưa người lên Sao Hỏa

Cơ quan ESA hi vọng đưa người đặt chân lên Sao Hỏa trong khoảng thời gian 2030 và 2035.[159] Quá trình này sẽ tiếp bước sau khi phóng những con tàu lớn một cách thành công đến hành tinh, mà bắt đầu từ tàu ExoMars[160] và phi vụ hợp tác NASA-ESA nhằm gửi về Trái Đất mẫu đất của Sao Hỏa.[161]

Quá trình thám hiểm có con người của Hoa Kỳ đã được định ra là một mục tiêu lâu dài trong chương trình Viễn cảnh thám hiểm không gian công bố năm 2004 bởi Tổng thống George W. Bush.[162] Với kế hoạch chế tạo tàu Orion nhằm đưa người trở lại Mặt Trăng trong thập niên 2020 được coi là một bước cơ bản trong quá trình đưa người lên Sao Hỏa. Ngày 28 tháng 9 năm 2007, người đứng đầu cơ quan NASA Michael D. Griffin phát biểu NASA hướng mục tiêu đưa người lên Sao Hỏa vào năm 2037.[163]

Mars Direct, một chương trình thám hiểm Hỏa Tinh có người lái với chi phí thấp được đề xuất bởi Robert Zubrin, sáng lập viên của Mars Society, sẽ sử dụng lớp tên lửa sức nâng lớn Saturn V, như Space X Falcon X, hoặc Ares V, để bỏ qua giai đoạn trên quỹ đạo quanh Trái Đất và nạp nhiên liệu trên Mặt Trăng.[164]

MARS-500 là một dự án hợp tác giữa Nga (Roskosmos, Viện Hàn lâm Khoa học Nga), Liên minh châu Âu (ESA) và Trung Quốc[165] mô phỏng các điều kiện y-sinh trên Sao Hỏa nhằm nghiên cứu khả năng thích nghi của con người với hành trình dài trên 500 ngày-thời gian tối thiểu theo tính toán để hoàn thành chuyến bay lên hành tinh đỏ và quay về. 3 mô-đun lắp đặt năm 2006, 2 mô-đun xây dựng năm 2007 và 2008[166] là nơi để 6 tình nguyện viên đã sống và làm việc cô lập trong 520 ngày.[167]

Thiên văn trên Sao Hỏa

Với những tàu quỹ đạo, tàu đổ bộ và robot tự hành đang hoạt động trên Sao Hỏa mà các nhà thiên văn học có thể nghiên cứu thiên văn học từ bầu trời Sao Hỏa. Vệ tinh Phobos hiện lên có đường kính góc chỉ bằng một phần ba so với lúc Trăng tròn trên Trái Đất, trong khi đó Deimos hiện lên như một ngôi sao, chỉ hơi sáng hơn Sao Kim một chút khi nhìn Sao Kim từ Trái Đất.[168]

Cũng có nhiều hiện tượng từng được biết trên Trái Đất mà đã được quan sát trên Sao Hỏa, như thiên thạch rơi và cực quang.[148] Sự kiện Trái Đất đi qua đĩa Mặt Trời khi quan sát từ Sao Hỏa được tiên đoán sẽ xảy ra vào ngày 10 tháng 11 năm 2084.[169] Tương tự, sự kiện Sao Thủy và Sao Kim đi qua đĩa Mặt Trời khi nhìn từ Sao Hỏa cũng được tiên đoán. Do đường kính góc của hai vệ tinh Phobos và Deimos quá nhỏ cho nên sẽ chỉ có hiện tượng nhật thực một phần (hay đi ngang qua) trên Sao Hỏa.[170][171]