“天空起重机”：NASA的“毅力号”火星车如何着陆于红色星球

当NASA的“毅力号”火星车将于今日下午着陆火星时，这个机器人将安全抵达，这要归功于自太空时代以来最不可思议的技术之一：天空起重机。这个看似科幻的系统，让火星车危险地悬挂在一个悬停的火箭动力航天器下方，然后被轻轻地降低到地面（想想汤姆·克鲁斯在《碟中谍》中从天花板上掉下来）。

尽管曾被认为是不太现实的解决方案，无法将大型探测器降落到其他星球，但如今工程师们对这种奇怪的技术充满信心。NASA已经成功部署过一次。2012年，“天空起重机”成功地将火星“好奇号”火星车降落在红色星球上。但当工程师们在近20年前首次提出这个想法时，很少有人赞同。

“天空起重机”是工程师们考虑——然后排除——所有能够想到的着陆重型火星车的方案后的结果。虽然数学上是可行的，但在地球上却无法真正测试。因此，工程师们不得不将数十亿美元的火星车寄托在一个看起来如此怪异和复杂的系统上，甚至当时负责的NASA局长也称其为疯狂。

“我们没完没了地讨论这个问题。如果出了什么差错，我们就无处可藏，因为街上的每一个普通人都说他们早就知道这行不通，” NASA喷气推进实验室的亚当·斯泰尔茨纳（Adam Steltzner）说，他是“毅力号”火星车的首席工程师，他告诉《Astronomy》杂志。他的团队构思了“天空起重机”机动，他负责确保它在“好奇号”上成功运行。

尽管该系统在2012年完美运行，但斯泰尔茨纳和他的团队这次绝不掉以轻心。

“七分钟的恐惧”

当火星“毅力号”火星车今天撞击红色星球大气层时，它的速度将超过每小时10,000英里。速度如此之快，以至于如果它没有安全地藏在一个耐高温的碳纤维胶囊中，它就会像流星一样蒸发，而这个胶囊可以承受高达1600华氏度的温度。

这些极端的高温只是“毅力号”在其冒死坠落过程中将面临的第一个挑战。接下来，它需要部署其巨大的超音速降落伞。然而，“毅力号”的降落伞只能将航天器减速到每小时约200英里。如果以这个速度着陆，火星车将造成近30亿美元的撞击坑。

火星的大气层足够浓密，给工程师们带来了巨大的问题，但它仍然太稀薄，无法让降落伞完全减缓坠落的着陆器。这就是为什么你需要着陆序列中的一个额外步骤来帮助软着陆火星车。斯泰尔茨纳喜欢开玩笑说，杀死你的是着陆，而不是坠落。

更糟糕的是，火星距离地球如此之远，以至于NASA无法实时与航天器通信。“毅力号”必须自行导航。到地球上的航天器工程师得知发生了什么时，“毅力号”已经在火星上生死未卜七分钟了。NASA称之为“七分钟的恐惧”。

火星车：从气囊到天空起重机

因此，工程师们一再想出巧妙的策略来降落火星。没有一个或两个解决方案能够完成这项任务。

“维京”号着陆器在着陆前使用降落伞和下降火箭来减速航天器，然后着陆器的腿充当减震器。此外，“维京”号的飞行任务规划者不得不设计特殊的“淋浴头”式火箭，以避免烤焦航天器下方的土壤，这会杀死他们正在寻找的任何潜在生命迹象。

但是，当NASA开始向火星发送火星车时，他们很快意识到“维京”号的策略行不通。如果反推火箭离火星尘土飞扬的表面太近，它们可能会将岩石和碎片抛到精密火星车的仪器和太阳能电池板上，使其处于危险之中。

这就是为什么NASA用气囊包裹了火星探险者号——“精神号”和“机遇号”。这些气囊让火星车安全地在火星表面弹跳，直到它们耗尽最后的动量。就像“天空起重机”机动一样，这个大胆的想法在理论上是可行的，但当时看起来很疯狂。

在火星探险者号火星车即将抵达红色星球的这些年里，世界航天机构们从一系列痛苦的教训中认识到了星际太空旅行的危险。（阅读更多：“火星地下”：一群乌合之众的学生是如何激发重返红色星球的。）俄罗斯、日本、欧洲空间局和英国都在火星任务中遭遇失败。NASA自己也在20世纪90年代末遭遇了两次高调的火星任务失败：火星气候轨道器在进入时烧毁，火星极地着陆器在着陆过程中被摧毁。

世纪之交，NASA渴望取得一次胜利。在2003年，其工程师通过大胆的气囊系统成功实现了两次着陆——“精神号”和“机遇号”火星车。

“我们成功了两辆火星探险者号火星车的着陆，完成之后，我们觉得自己是傲慢的小伙子们，”斯泰尔茨纳回忆道。有了这些成功，斯泰尔茨纳和NASA其他从事进入、下降和着陆工作的工程师们士气高涨。

当他们展望最终将成为火星“好奇号”火星车——一辆小汽车大小的火星车——时，他们不得不重新思考着陆火星的最佳方式。他们的计算表明气囊行不通；火星车太笨重了。如果采用像“精神号”和“机遇号”上使用的气囊，没有已知的材料足够坚固来承受“好奇号”的重量。这项技术根本无法扩展。

另一种策略是将火星车降落在一个平台上，然后让它开下来，就像1996年微小的“探路者号”火星车那样。但这种方法也差点让“探路者号”丧命。而且，正如NASA在火星极地着陆器上学到的那样，依赖腿部也有其自身的问题。不幸的极地着陆器很可能因为航天器误解了腿部的振动而失败。

因此，早在21世纪初，NASA的工程师们决定集思广益，列出他们能想到的所有关于将一辆沉重的火星车降落到火星上的主意的清单。他们逐一审查，因为各种原因将每个主意排除。这就是“好奇号”最终采用“天空起重机”的原因——没有其他方案看起来更有可能成功。事实证明，这是最不疯狂的想法。

“好奇号”天空起重机：“恰到好处的疯狂”

“天空起重机”的工作原理很像重型直升机（没有螺旋桨），利用绳索将火星车降低到地面，同时起重机依靠火箭推进在上方悬停。事实上，该团队甚至咨询了西科斯基“天空起重机”的工程师和飞行员，这是一种使用非常相似技术从森林中拖运原木以及其他重型货物（的直升机）。但与地球上的直升机不同的是，一旦火星车的车轮触碰到火星土壤，“飞行起重机”就会自行射离着陆区域，以一次炽烈的爆炸完成任务。

不幸的是，在地球上无法测试火箭驱动的“天空起重机”在火星上的表现。工程师们可以一遍又一遍地运行模拟和验证他们的计算。但他们永远无法确切知道“好奇号”是否真的能在这大胆的机动中幸存下来。而这使得它很难被接受，即使在NASA内部。

一度，当时的局长迈克·格里芬（Mike Griffin）邀请斯泰尔茨纳到NASA总部，为全国各地航天中心的管理人员做一次演讲。当斯泰尔茨纳站在讲台上时，格里芬 late 穿着高领毛衣和双排扣西装走进来，然后转过身对观众说：“当我听到这些家伙在做什么时，我对自己说，这些人疯了，”根据斯泰尔茨纳的说法，格里芬说。“所以，我请他们来这里解释他们在做什么。”

在斯泰尔茨纳结束演讲后，局长和工程师们争论了一段时间，然后格里芬说道：“我仍然觉得这很疯狂，但这可能是足够疯狂到能奏效的。这可能是恰到好处的疯狂。”

“天空起重机”成为NASA的常态

据斯泰尔茨纳说，在他在NASA总部演讲后，围绕“天空起重机”的普遍怀疑明显改变了。此前，其他工程师和航天中心不愿认真支持这个疯狂的想法。**但随着局长的评论，这种犹豫消失了。随着“好奇号”任务计划的推进，NASA全力支持这项工作，包括“天空起重机”。

“如果你要在火星上着陆火星车，毫无疑问这是正确的方式，”斯泰尔茨纳说。

这些火星车能够应对崎岖的地形。所以，当“天空起重机”以速度将其放下时，与从一块大石头上绊倒并没有太大区别。事实上，“好奇号”和“毅力号”都足够坚固，即使“天空起重机”将它们直接放在一块小巨石上，它们也能幸存下来。“天空起重机”让NASA的机器人工程师设计出能够在不担心需要为着陆妥协的情况下进行导航的火星车。

这项技术还被证明与雷达传感器配合得很好，这些传感器可以帮助航天器观察周围环境并自主导航到安全区域。这使得“好奇号”火星车能够精确地瞄准火星上相对较小的着陆点，而“毅力号”将采用类似但更精确的方法。

但据斯泰尔茨纳说，这并不意味着七分钟的恐惧这次会不那么可怕。

“上次，我们确实怀疑这是否是一个疯狂的尝试，”他说。“我们是不是错过了什么大事？是不是完全错了？所有的零件真的都组合在一起并且奏效了吗？我们回答了这些问题，但仍然有数十万个细节需要正确才能再次奏效。我们的工作是这次把它做好。我将一直感到害怕。”