如果美国宇航局耗资27亿美元的旗舰移动科学实验室“毅力号”于2月18日在火星杰泽罗陨石坑成功着陆，这一壮举不仅将开启红色星球探索的新篇章，还将标志着过去四十年在该星球上难度日益增加的着陆任务的辉煌顶点。“毅力号”的目的地——杰泽罗陨石坑干涸的三角洲和湖泊系统——富含沉积岩，可能包含来自该行星更温暖、更潮湿、更宜居的过去的化石生物，似乎非常适合寻找古代生命的迹象，人们可能会想，为什么它至今仍未被访问。答案很简单：尝试在这种复杂地形中着陆一直是灾难的根源。至少，直到现在。
当20世纪70年代火星机器人探测开始时，当时可用的行星表面照片非常粗糙，以至于确定着陆地点就像玩蒙眼飞镖游戏。美国宇航局最早的着陆尝试，即1976年的“海盗1号”和“海盗2号”任务，必须先从轨道上拍摄图像，然后任务规划人员才能选择着陆地点，即使这样，安全也远未得到保证。“海盗号”任务的旧式技术只能确保每个着陆器都会降落在长300公里、宽100公里的椭圆区域内的某个位置，希望靠近科学家标记用于调查的中心点。最终，美国宇航局官员将这个“着陆椭圆”放在他们从轨道上可以看到的最安全的地方，让每艘“海盗号”都降落在绵延一千多公里的平坦、近乎没有特征的平原上。
缩小椭圆
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到2004年，当美国宇航局的双胞胎火星探测漫游者（MER）“勇气号”和“机遇号”着陆时，该航天机构的工程师已经学会了如何将椭圆缩小到150公里x 20公里。与“海盗号”相比，这一十倍的改进得益于对火星大气层更好的理解以及新的航天器导航技术。到那时，美国宇航局还从其轨道飞行器获得了更好的地图和矿物学数据。科学家们利用这些信息让“机遇号”瞄准了一个存在赤铁矿的区域，赤铁矿是一种仅在有水的情况下才会形成的矿物，以此来研究古代外星水环境。
“结合一个区域的地貌和矿物学数据，并利用工程升级，‘机遇号’是未来我们如何选择着陆地点的窗口，”“毅力号”任务的联合研究员布里奥尼·霍根说。
美国宇航局曾考虑让MER任务在盖尔陨石坑这个更丰富的地点着陆，该机构的“好奇号”漫游车最终于2012年在此着陆，并且至今仍在运行。但陨石坑的中心山脉——“好奇号”在那里发现了古代适合微生物生存的淡水湖的证据——本身对MER构成着陆危险。MER细长的着陆椭圆与陨石坑本身一样长，给数亿美元的漫游车在下降过程中撞到山脉或陨石坑壁造成了真正的风险。因此，美国宇航局的工程师让他们的继任者“好奇号”具备了转向能力，以补偿可能由风引起的巨大偏差，将着陆椭圆缩小到令人印象深刻的20公里x 7公里。
由于其核动力供应，“好奇号”还可以比MER行驶更远的距离，并且任务寿命长达数年，而不是几个月。这对于选择盖尔陨石坑作为“好奇号”的着陆地点至关重要，因为工程师现在可以在安全着陆远离山脉后将漫游车开到山脉。“即使MER漫游车安全地降落在盖尔陨石坑内，不仅任务会大不相同，而且它们都无法到达山脉，”MER的合作者和“毅力号”上的Mastcam-Z相机的联合研究员梅丽莎·赖斯说。
瞄准杰泽罗
对于“毅力号”来说，“好奇号”之前的成功使得可以考虑更多的着陆地点。美国宇航局最新的漫游车几乎是“好奇号”的克隆体，并使用相同的惊人的“空中吊车”方法进行机器人的精确引导着陆。“好奇号”的进入、下降和着陆（EDL）数据帮助工程师将“毅力号”的着陆椭圆减少了约50％，“毅力号”的EDL系统工程师克洛伊·萨基尔说。“虽然‘毅力号’的EDL看起来与‘好奇号’相似，但其内部要智能得多，”她说。“我们有一项名为‘距离触发’的新技术，可以根据航天器认为自身所处的位置部署超音速降落伞，而不是以预定的速度部署，这导致‘好奇号’在火星大气层中飞行的时间略长。”
在之前的任务描绘出早期火星水汪汪、宜居的景象之后，美国宇航局希望“毅力号”积极寻找过去生命的迹象。任务规划人员也有更多的卫星数据可供使用。“在火星勘测轨道飞行器揭示了更多关于这些地点的矿物和岩石类型之后，最初为‘好奇号’提出的某些地点成为了‘毅力号’选址的有力竞争者，”赖斯说。
凭借分辨率高达每像素30厘米的高分辨率图像和详细的矿物地图，超过150名科学家仔细检查了超过60个有希望的地点，在五年内对它们进行了筛选，并对最佳地点进行了排名。在2017年这场宜居性和地质灵活性竞赛的总决赛筛选中，三个地点脱颖而出。
这张“好奇号”目的地盖尔陨石坑的合成图像将该漫游车的着陆椭圆与来自其他几个火星任务的着陆椭圆进行了比较，揭示了过去几十年着陆精度的显着提高。“毅力号”的着陆椭圆甚至比“好奇号”的更小。来源：美国宇航局/加州理工学院喷气推进实验室/欧空局
尽管所有三个地点都代表了潜在的宜居古代地点，但杰泽罗胜出，因为其湖泊-三角洲系统独特地提供了多种不同的环境来探测过去生命的迹象。“杰泽罗可能拥有保存最完好的古代三角洲，代表了火星历史上最宜居的时期，当时我们看到了河流遍布整个星球南半球的证据，”霍根说。
然而，即使对“好奇号”的着陆椭圆进行了改进，也无法有效地瞄准杰泽罗三角洲。三角洲最引人注目的特征——其广阔、富含沉积物的底部——由于邻近的高耸、宽阔的悬崖而成为着陆危险。在最好的情况下，“毅力号”可以降落在三角洲以东，并花费数月时间开车到达底部。
至少，情况在2019年之前是这样的，当时美国宇航局透露“毅力号”将使用一种名为“地形相对导航”或TRN的新技术。配备TRN的航天器在火星上空下降时，不再是盲目的，而是可以查看下方地形特征，并将其与预先加载的地图进行比较，以了解自身位置，从而自主、灵活地引导自身进行更精确定点的着陆。凭借这些进步，“毅力号”的着陆椭圆现在是一个可靠的7.7公里x 6.6公里。
TRN的引入彻底改变了科学家的游戏规则。“TRN允许我们几乎在任何我们想要的地方的着陆区域安家落户，”赖斯说。“直接或靠近保存完好的杰泽罗三角洲底部着陆成为可能，河流在那里沉积了浓缩的有机物质。TRN使任务变成了‘着陆于’而不是‘前往’。”
“我们过去不得不寻找大型、平坦的‘停车场’，以便在火星上着陆，”萨基尔说。“我们现在可以开放像杰泽罗这样的地点，这主要归功于TRN的加入，它使我们能够将目标锁定在着陆椭圆内的多个小停车场，而不是一个巨大的停车场。”
一旦着陆，“毅力号”应该在接下来的两到三年内穿越三角洲的干涸河床到达杰泽罗陨石坑边缘，寻找各种生物特征。它将收集和存储其最有希望的发现样本，并存放其中一些样本，以便最终由美国宇航局-欧空局联合样本返回任务的“取回漫游车”取回，该任务的发射时间不早于2026年。工程师将使用来自“毅力号”EDL的数据进一步缩小取回漫游车的着陆椭圆，希望缩小它需要在行星表面上行驶的距离。
下一个目的地在哪里？
即使有了这些令人印象深刻的进步，火星上的一些地点对于航天器着陆来说仍然遥不可及，并且在可预见的未来可能仍然如此。例如，科学家无法提议在高海拔特征（如奥林匹斯山）上着陆，因为上方的大气层过于稀薄，无法充分减慢航天器的速度。即使使用TRN，地形非常崎岖或坡度陡峭的区域也禁止进入。此外，诸如极地冰盖、峡谷、熔岩管和沙丘等特征对于轮式漫游车来说前景黯淡，并且需要替代形式的移动方式。
然而，美国宇航局几十年来为火星开发的精确着陆技术将能够探索太阳系中未知的地点。“例如，TRN可以使航天器在木星的卫星木卫二上着陆，同时避开其巨大的冰崖、巨石和其他障碍物，”赖斯说。
美国宇航局火星计划的回报不仅仅是技术上的。“我们学会了如何在另一个星球上高效地运行航天器很长时间。我们提前三到四天向‘好奇号’发出指令，它会半自主地完成这些指令。这种经验正在促成月球上的雄心勃勃的事情，例如即将到来的VIPER漫游车（将于2023年发射）在很大程度上自主探索月球两极的永久阴影区域，”霍根说。
TRN还将使美国宇航局的阿尔忒弥斯机器人和载人任务能够在月球南极进行精确着陆，那里缺乏大型平坦区域。未来的月球基地也将受益于TRN，因为机器人货物任务只需要在着陆后行驶很短的距离。
由于美国宇航局雄心勃勃、历时数十年的火星努力，整个太阳系精确定点着陆的新时代可能正在到来。