好奇号空中起重机如何改变NASA探索火星的方式

十二年前，美国宇航局采用一项大胆的新技术降落了它的六轮科学实验室，即利用机器人喷气背包降低火星车。

美国宇航局的“好奇号”火星车正在庆祝登陆火星十二周年，六轮车在火星山脚下缓慢前行，不断取得重大发现。成功登陆火星本身就是一项壮举，但“好奇号”任务在2012年8月5日又迈进了一步，采用了一项大胆的新技术：空中起重机机动。

一个俯冲的机器人喷气背包将好奇号送到其着陆区，并用尼龙绳将其放到地面上，然后切断绳索并飞走，在火星车的安全范围之外进行受控紧急着陆。

当然，这一切好奇号的工程团队是看不到的，他们坐在位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室的任务控制中心，焦急地等待了七分钟，直到收到火星车成功着陆的信号，才欢呼雀跃。

空中起重机机动是出于必要：好奇号太大太重，无法像其前辈那样着陆——被包裹在气囊中，在火星表面弹跳。该技术还提高了精度，使着陆椭圆形更小。

在美国宇航局最新的火星探测器毅力号于2021年2月着陆期间，空中起重机技术更加精确：增加了一种称为地形相对导航的技术，使这辆SUV大小的火星车能够安全着陆在布满岩石和陨石坑的古老湖床中。

2011年9月，即任务发射前两个月，NASA肯尼迪航天中心的技术人员操纵火箭驱动的下降级将好奇号探测器降落到火星表面。图片来源：NASA/KimShiflett

火星登陆的演变

喷气推进实验室(JPL)自1976年起就参与了美国宇航局的火星登陆计划，当时该实验室与该机构位于弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心合作研发了两台固定式维京号着陆器，它们使用昂贵的节流下降发动机着陆。

对于1997年火星探路者号的着陆任务，JPL提出了一项新方案：当着陆器悬挂在降落伞上时，一组巨大的气囊会在其周围充气。然后，位于气囊和降落伞中间的三枚制动火箭将使航天器在火星表面上方停下来，气囊包裹的航天器将下降约66英尺(20米)到火星，弹跳多次——有时高达50英尺(15米)——然后停下来。

该技术效果非常好，以至于美国宇航局在2004年也采用了同样的技术来着陆勇气号和机遇号火星车。但当时，火星上只有少数几个地方工程师们有信心航天器不会遇到可能刺破安全气囊或使包裹物不受控制地滚下山坡的地貌特征。

“我们在火星上几乎找不到三个可以安全考虑的地方，”喷气推进实验室的艾尔·陈(AlChen)说道，他在好奇号和毅力号的进入、下降和着陆团队中都扮演了关键角色。

显然，对于像好奇号这样又大又重的探测车来说，使用气囊根本不可行。如果NASA想让更大的航天器降落在更具科学意义的地点，就需要更好的技术。

绳索上的流浪者

2000年初，工程师们开始研究“智能”着陆系统的概念。新型雷达已经面世，可以提供实时速度读数——这些信息可以帮助航天器控制其下降。一种新型发动机可用于推动航天器向特定位置飞行，甚至提供一些升力，使其远离危险。空中起重机的机动性正在成型。

喷气推进实验室(JPL)研究员罗伯·曼宁(RobManning)于2000年2月研究了这一初始概念，他记得当人们看到将喷气背包放在火星车上方而不是下方时，人们的反响如何。

“人们对此感到困惑，”他说。“他们认为推进力永远在你下方，就像你在老科幻小说中看到的火箭降落在行星上一样。”

曼宁和同事们希望尽可能拉开地面和推进器之间的距离。除了搅动碎屑之外，着陆器的推进器还会挖出一个坑，让火星车无法驶出。虽然过去的任务使用的是着陆器来容纳火星车，并延伸出一个坡道让它们滚下来，但将推进器放在火星车上方意味着它的轮子可以直接降落在地面上，有效地充当起落架，并节省了携带着陆平台的额外重量。

但工程师们不确定如何用绳索悬挂大型探测车，而不会使其不受控制地摆动。通过研究地球上大型货运直升机(称为空中起重机)的这个问题是如何解决的，他们意识到好奇号的喷气背包需要能够感知摆动并控制它。

陈说：“所有这些新技术都为你提供了到达地面正确位置的机会。”

最棒的是，这一概念可以重新用于更大的航天器——不仅在火星，而且在太阳系的其他地方。“未来，如果你想要有效载荷运送服务，你可以轻松地使用该架构降低到月球表面或其他地方，而无需接触地面，”曼宁说。

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