本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
美国国家航空航天局于2011年11月26日15:02发射了火星科学实验室任务。
火星科学实验室是该组织在红色星球上近四十年机器人探索的最新成果。它的有效载荷，“好奇号”漫游车，将探索并告诉我们更多关于我们宇宙邻居的信息。但好奇号不是任务中最有趣的部分。漫游车着陆的方式才是壮观之处。着陆器不会将好奇号送到火星表面；一个名为“天空起重机”的下降模块将通过系绳放下漫游车。好奇号将直接用轮子着陆，准备开始漫游。有风险吗？也许。精巧吗？绝对是。天空起重机完美运行也至关重要。该系统的失败可能会使未来十年计划中的火星探测倒退数年。
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火星着陆的挑战
在火星上着陆并非易事；它实际上是一个机器人坟场。所有发送到那里的着陆器中有三分之二坠毁或与地球失去联系，发射的任务中有一半根本没有到达火星。在火星上成功进入、下降和着陆（或 EDL）对工程师来说是一个真正的挑战。
火星的整个表面积仅相当于地球陆地面积的总和。它的小尺寸赋予了该行星较弱的引力，仅约为地球引力的三分之一。火星确实有大气层。它主要由二氧化碳组成，含有微量的氮气和氩气，厚度仅为地球的百分之一。
火星稀薄的大气层使着陆更加困难，比在像月球这样没有大气层的天体上着陆困难得多。当航天器穿过火星稀薄的大气层时，它会产生摩擦和热量，但不足以显着减慢航天器的速度。稀薄的大气层也意味着空气分子较少，无法为降落伞充气，使得另一种制动方法的效果仅为中等。
地球上的工程师与其在火星上的航天器之间的通信延迟是另一个挑战。无线电信号在两个行星之间单程传播大约需要 20 分钟。航天器从首次接触火星大气层到到达地表只有六分钟的时间，因此实时调整着陆顺序是不可能的。无论 EDL 工程师设计出什么，它都只有六分钟的时间自主运行。
最后一个障碍是，无法在地球上模拟火星着陆。没有办法在三分之一重力下测试着陆器，没有简单的方法在百分之一大气层中测试降落伞，而且对于火星地形（就着陆危险而言）的了解也有限。EDL 技术会完整地执行一次，而且必须成功。
幸运的是，美国国家航空航天局在其早期火星探测中找到了一种有效的 EDL 系统。
美国国家航空航天局如何在火星上着陆
美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）于 1968 年开始研究火星问题，当时约翰逊总统呼吁在红色星球上着陆，以纪念美国的二百周年诞辰。当时，美国国家航空航天局正享受着阿波罗计划带来的预算膨胀，并能够投入大量资金来开发和测试火星 EDL 系统。最终出现的是“海盗”计划——双轨道飞行器和着陆器将前往火星，以增加成功着陆的几率。
“海盗 1 号”着陆器在星际旅行期间被存储在一个保护壳内。在内部，着陆器被夹在顶部装有降落伞的背壳和底部装有烧蚀隔热罩之间。航天器于 1976 年 7 月 19 日抵达火星并进入轨道，然后在 7 月 20 日点燃推进器进入火星大气层。
隔热罩在与火星大气层摩擦产生的热量中烧毁，减缓了着陆器的下降速度。在地面上方四英里处，背壳释放，展开了一个 52 英尺宽的降落伞。它展开并充气，稳定并进一步减缓了“海盗 1 号”的下降速度，而此时已耗尽的隔热罩被抛弃。着陆器底部的着陆雷达启动，确定了 EDL 顺序的其余部分。在地面上方不到一英里处，着陆器从背壳和降落伞上脱落，触发了其底部反推火箭的点火。在其自身动力下，着陆速度减慢至每秒仅 7 英尺的下降速度。腿部的传感器在接触地面时触发了反推火箭的关闭。“海盗 1 号”平稳地降落在火星上。“海盗 2 号”于 1976 年 9 月 3 日紧随其后。这种公式成功地将“火星凤凰号”着陆器于 2008 年送到了地表。
相同的进入和下降顺序将“旅居者号”、“勇气号”和“机遇号”漫游车分别于 1997 年和 2004 年送到了地表。但着陆方式略有不同。所有漫游车都装在气囊中抵达火星。该设计是为“火星探路者”任务的有效载荷“旅居者号”漫游车开发的，这是一种以更快的速度撞击更广泛目标区域，同时花费更少资金的方法。
气囊将允许着陆器自由落体完成最后的下降——无需笨重且难以操作的反推火箭——并在地表弹跳后停在最终静止点——从而无需昂贵且精确的着陆仪器。
“旅居者号”被存储在一个金字塔形的箱子中。在隔热罩在上层大气中烧毁并脱落后，在距离地表四到六英里处，金字塔从背壳上掉落，由一根 65 英尺长的系绳连接。气囊从其侧面爆炸性地充气，同时背壳上的反推火箭点火。反推火箭进一步减慢了有效载荷的速度，然后切断了吊索，让它在剩下的路程中坠落到地表。
气囊在地表弹跳和滚动，然后停止。当车载传感器检测到没有移动时，气囊放气，金字塔的面板像花瓣一样展开。一个面板首先打开，以在着陆器侧向着陆的情况下扶正漫游车。面板打开，露出了健康的“旅居者号”，准备驶下由面板形成的坡道之一，探索它的新家。
相同的 EDL 将“火星探测漫游者”勇气号和机遇号于 2004 年送到了地表，但漫游车将该系统推向了极限。“旅居者号”的大小与微波炉差不多，重量略超过 23 磅。“勇气号”和“机遇号”比它们的前辈大得多，重量约为 408 磅。MER 漫游车的大小取决于可以装入金字塔箱子内的尺寸，以及气囊可以在潜在崎岖着陆区域安全承载的重量。
气囊着陆系统不适用于“好奇号”。它的重量高达 1,654 磅（相当于四分之三吨），大小相当于一辆 SUV。足够缓冲其着陆的气囊对于宇宙神号运载火箭来说太重了，并且可能会在充气所需空气的重量下失效。
同样，更大的降落伞来减缓“好奇号”的初始下降速度——或尝试完全由降落伞控制的着陆——也是不可能的。足够大的降落伞对于运载火箭来说太重了，并且不太可能在有效载荷到达火星表面之前完全充气。对于漫游车来说，海盗式着陆也不是一个好的选择。反推火箭不仅会增加漫游车在表面上行驶时需要携带的重量，而且底部突出的火箭还会造成潜在的卡住危险。
喷气推进实验室也渴望摆脱像之前的漫游车那样将漫游车从着陆平台上开下来的必然性。这是一个微妙的操作，始终存在坡道会被岩石卡住的可能性。到达火星却无法将健康的漫游车从着陆器上开下来，这将是任务的一个糟糕结局。
很明显，为了让美国国家航空航天局交付更大更重的有效载荷，并减少故障空间，它需要一种新的着陆系统。这就是天空起重机的诞生。
天空起重机将如何将好奇号送到地表
“好奇号”将像它的前辈一样开始进入和下降：轮式腿折叠并存储在顶部装有降落伞的背壳和底部装有烧蚀隔热罩之间。
在地面上方四英里处，火星大气层将对圆形隔热罩产生足够的阻力，使“好奇号”减速至每小时 1,000 英里，大约是该大气层中的 2 马赫。烧毁后，隔热罩将抛弃，降落伞将展开。直径为 65 英尺，它是有史以来发送到火星的最大降落伞。在垂直距离略超过三英里的地方，降落伞会将“好奇号”从每小时 1,000 英里减速到相对平静的每小时 187 英里，然后与背壳一起抛弃。
降落伞的释放还将触发隔热罩的抛弃，露出“好奇号”的底部并露出地面传感雷达，该雷达将确定着陆顺序的其余部分。
在地面上方略多于半英里的地方，下降飞行器的反推火箭将点火，爆炸螺栓将使其与背壳分离。这些反推火箭将控制“好奇号”的下降。当雷达感应到它在地面上方约 115 英尺处时，下降飞行器将通过 65 英尺的系绳释放“好奇号”。它将减慢其下降速度至每小时不到一英里，因为它将悬挂的漫游车降低到地表。
一旦“好奇号”的轮子接触地面，爆炸螺栓将点火，将系绳与漫游车分离。下降飞行器的反推火箭将把它带走，坠毁在远离漫游车的安全距离处。“好奇号”将可以自由地开始其火星探索之旅。
如果失败会怎样？
该系统有很多移动部件，并且有很多事情必须在精确的时间发生。降落伞或隔热罩的缺陷可能会导致任务提前结束并坠毁，这种情况不太可能但仍然有可能发生。更成问题的是着陆雷达。
任何错误信息都可能导致“好奇号”从无法恢复的高度坠落，损坏其轮子并在其可操作寿命内停留在原地。同样，如果系绳在释放“好奇号”时断裂也是如此。如果将“好奇号”连接到下降模块的爆炸螺栓在“好奇号”安全着陆后失效，下降飞行器可能会在不知不觉中将漫游车拉回离开轮子，并将其拖到坠毁着陆处。
这些情况是可能发生的，但不太可能发生。像喷气推进实验室和美国国家航空航天局建造的每个系统一样，“天空起重机”的设计目的是在火星上完美运行。但如果“天空起重机”失败，火星科学实验室和“好奇号”将不会是唯一的受害者。美国国家航空航天局与欧洲航天局（ESA）合作，制定了一个雄心勃勃的十年火星探测计划，其中大部分取决于“天空起重机”。
“好奇号”于 2012 年夏季在火星上着陆只是第一步。2014 年，一颗轨道飞行器将抵达火星，以测量火星大气层的逃逸率。这将为科学家提供反向工程火星大气层所需的数据，确定其早期成分，并弄清楚火星历史上何时可能存在生命。
美国国家航空航天局和欧洲航天局将共同参与 2016 年和 2018 年的 ExoMars 任务。2016 年，美国国家航空航天局将发射欧洲航天局的轨道飞行器和一个进入、下降和着陆模块（EDM）。轨道飞行器将使用机载仪器探测和研究大气中的痕量气体，而 EDM 将使用传感器评估着陆有效载荷的 EDL 性能并研究着陆点。2018 年，美国国家航空航天局将向火星发射两辆漫游车——一辆美国漫游车和一辆欧洲漫游车。两者将携带不同的有效载荷在同一地点一起着陆。欧洲航天局的漫游车将携带钻头和一套用于天体生物学和地球化学研究的仪器。
美国国家航空航天局的漫游车由“天空起重机”运送，将是美国国家航空航天局样本返回任务的第一步。它将前往已知的有趣区域并收集样本，每个样本的体积大约相当于一支圆珠笔，并将它们存储起来。第二着陆器携带“取回”漫游车将跟随样本收集漫游车，也将通过“天空起重机”抵达火星。它将收集样本并将它们转移到上升飞行器，该飞行器将发射进入火星轨道。第三个任务将发射以收集轨道样本并将它们带回地球。
样本返回任务的潜在回报令人兴奋。在地球上拥有火星样本，特别是那些没有在不受保护的情况下穿过我们大气层的样本，将使科学家们能够以全新的方式接触火星。样本将在手边，随着新测试的开发和技术的出现。后续的火星任务可能会更有针对性，揭示丰富的知识，不仅关于红色星球，而且关于我们太阳系的历史。