好奇号的空中起重机如何改变NASA探索火星的方式
这幅艺术家的概念图展示了NASA的好奇号火星车是如何使用空中起重机机动技术降至火星表面。
影像来源: NASA/JPL-Caltech
2011年9月，在任务发射前两个月，NASA肯尼迪航天中心的技术人员引导火箭动力下降阶段将好奇号降落到火星表面。
影像来源: NASA/JPL-Caltech
十二年前，NASA使用一项大胆的新技术，利用机器人喷气背包降低火星车的高度，使六轮科学实验室降落在火星上。
NASA的好奇号火星车任务在这颗红色星球上度过了12岁的生日，这位六轮科学家在火星山麓缓慢前行，不断有重大发现。仅仅成功着陆火星就是一项壮举，但好奇号任务在2012年8月5日更进一步，以一种大胆的新技术——空中起重机机动降落。
一个俯冲式机器人喷气背包将好奇号送达着陆区，用尼龙绳将其降落到地面，然后切断绳索，飞离着陆区，在火星车范围之外安全地进行受控坠毁着陆。
当然，这一切都在好奇号工程团队的视线之外进行，他们坐在加利福尼亚州南部的NASA喷气推进实验室的任务控制中心，等待了七分钟的煎熬时间，直到收到火星车成功着陆的信号后才欢呼雀跃。
2012年8月5日，NASA的好奇号火星车在降落伞的帮助下在火星大气层中降落。这一场景是由NASA火星勘测轨道飞行器上的高分辨率成像科学实验（HiRISE）相机从高空拍摄。
影像来源: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona
这是NASA的好奇号火星车在2012年8月5日着陆后发回的首批图像之一。这张照片是由火星车左后方的一个危险规避相机拍摄。
影像来源: NASA/JPL-Caltech
空中起重机机动技术是不得已而为之：因为好奇号太大太重，无法像它的前辈们那样——用气囊包裹着在火星表面弹跳着陆。该技术还提高了精度，使着陆椭圆区域更小。
在2021年2月毅力号——NASA最新的火星车着陆过程中，空中起重机技术甚至更加精确：增加了一种叫做地形相对导航的技术，使这辆SUV大小的火星车能够安全降落在布满岩石和陨石坑的古代湖床中。
观看NASA的毅力号火星车于2021年在火星上着陆时使用的与好奇号在2012年使用的相同的空中起重机机动技术。
影像来源: NASA/JPL-Caltech
自1976年以来，喷气推进实验室一直参与NASA的火星着陆任务，当时该实验室与位于弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心合作，完成了两个固定式的海盗号探测器的着陆任务，这些探测器使用昂贵的节流下降发动机进行着陆。
我们如何登陆火星
在1997年的火星探路者任务着陆过程中，喷气推进实验室提出了一种新方法：当火星车悬挂在降落伞上时，一组巨大的气囊会在其周围充气。然后，位于气囊和降落伞之间的三枚反向火箭会将火星车在火星表面上方停止，包裹在气囊中的火星车会从约66英尺（20米）的高度落到火星表面，弹跳多次——有时高达50英尺（15米）——直到最终静止下来。
2012年8月5日，NASA好奇号火星车的切入、下降和着陆团队庆祝火星车着陆。右图为该团队成员阿尔·陈（Al Chen）。
影像来源: Curiosity Landing Team Celebrates
这一技术效果非常好，NASA在2004年用同样的技术成功地让勇气号和机遇号火星车着陆。但那一次，在火星上只有少数几个地方，工程师们确信火星车不会遇到可能刺破安全气囊或让安全气囊失控滚下山坡的地貌特征。
“我们几乎只找到三个我们可以安全考虑的地方。”喷气推进实验室的阿尔·陈说道，他在好奇号和毅力号的切入、下降和着陆团队中都扮演了关键角色。
同样也很明显，对于像好奇号这样又大又重的火星车，安全气囊显然并不可行。如果NASA想在更具科学意义的地点着陆更大的火星车，就需要更好的技术。
绳索上的火星车
2000年初，工程师们开始尝试智能着陆系统的概念。新型雷达可以实时提供速度读数——这些信息可以帮助航天器控制其下降。一种新型发动机可以用于将航天器推向特定地点，甚至提供一些升力，引导其离开危险区域。空中起重机机动技术开始成形。
喷气推进实验室研究员罗布·曼宁（Rob Manning）于2000年2月提出了最初的构想，他还记得当人们看到它把喷气背包放在火星车的上方而不是下方时，人们的反应。
“人们对此感到困惑。”他说。“他们认为推进力总是在下面，就像旧科幻小说中看到的火箭降落在一个星球上一样。”
曼宁和同事们希望地面与推进器之间的距离越远越好。着陆器的推进器除了搅起碎片，还可能挖出一个火星车无法驶出的坑。而且，过去的任务使用着陆器来容纳火星车，并延伸出一个斜坡供火星车滚落，而将推进器放在火星车上方意味着其轮子可以直接接触地面，有效地充当了起落架，并节省了携带着陆平台的额外重量。
但是，工程师们不知道如何将大型火星车悬挂在绳索上，而不会出现失控的摆动。在观察地球上的大型货运直升机（称为空中起重机）如何解决这一问题后，他们意识到好奇号的喷气背包需要能够感知并控制摆动。
“所有这些新技术让你有机会准确地到达火星表面的正确位置。”陈说。
最重要的是，这一概念可以为更大的航天器重新利用——不仅在火星上，而且在太阳系的其他地方。“在未来，如果你需要一种有效载荷运送服务，你可以轻松地使用这种架构将其降到月球或其他地方的表面，而无需接触地面。”曼宁说。
关于任务的更多信息
好奇号由NASA的喷气推进实验室建造，该实验室由位于加州帕萨迪纳的加州理工学院管理。喷气推进实验室代表位于华盛顿的NASA科学任务理事会领导这一任务。
如欲了解关于好奇号的更多信息，请访问：
science.nasa.gov/mission/msl-curiosity
参考来源：