美國宇航局打算如何實現持之以恆的火星登陸？

漫遊者的著陸意味著是有史以來在這顆紅色星球上最精確的著陸，為未來在整個太陽系精確著陸開闢了道路

這張軌道圖片中央的白色橢圓顯示了美國宇航局毅力號火星車的著陸橢圓，它位於火星上的 Jezero 隕石坑，預計將於2021年2月18日著陸。

美國宇航局耗資27億美元的旗艦移動科學實驗室毅力號於2月18日成功降落在火星上的 Jezero 隕石坑，這一壯舉不僅開啟探索火星的新篇章，也標誌著四十年來火星著陸日益艱難的勝利高潮。沉積岩充滿了可能包含來自地球溫暖、潮溼、更適宜居住的過去的化石生物，毅力的目的地—— Jezero 乾涸的三角洲和湖泊系統——似乎是嗅出遠古生命跡象的理想之地，人們可能會想，為什麼它至今仍未被發現。答案很簡單: 試圖在如此複雜的地形上著陸會導致災難。至少到目前為止是這樣。

20世紀70年代，當機器人探索火星的活動開始時，能夠獲得的最好的火星表面照片是非常粗糙的，以至於確定要去的地方就像蒙著眼睛玩飛鏢遊戲一樣。美國國家航空和宇宙航行局的第一次著陸，1976年的海盜1號和2號任務，在任務規劃者選擇著陸點之前，必須在軌道上拍攝照片，即使那時，任何表面上的安全都很難得到保證。維京任務的復古技術只能確保每個著陸器停留在一個長300公里，寬100公里的橢圓形的某個地方，希望靠近科學家標記的一箇中心點進行調查。最終，美國宇航局的官員將這個“著陸橢圓”放置在他們從軌道上能看到的最安全的地方

SHRINKING THE ELLIPSE縮小橢圓

當美國宇航局的雙子火星探測車勇氣號和機遇號（MER任務）於2004年著陸時，宇航局的工程師們已經學會了如何將橢圓縮小到150 * 20千米。得益於對火星大氣層的更好的瞭解，以及航天器導航的新技術，這種改善比維京任務要好十倍。此時，美國宇航局也從其軌道器獲得了更好的地圖和礦物學資料。科學家利用這些資訊讓“機遇號”瞄準一個有赤鐵礦的地區，作為研究遠古外星水環境的一種方法。

“機遇號”將一個地區的地貌和礦物學資料結合起來，並利用工程升級的優勢，成為我們選擇著陸點的未來之窗,”毅力號任務的聯合研究員布里奧尼•胡根表示。

美國宇航局曾考慮將 MER 任務降落在一個更豐富的地點，蓋爾隕石坑，該機構的好奇號探測器最終於2012年在那裡著陸，至今仍在執行。但是火山口的中央山脈——好奇號在附近發現了古老的、對微生物有利的淡水湖泊的證據——但這本身就是在火山口登陸的危險。這些細長的橢圓形機器人和隕石坑本身一樣長，可能會造成數億美元的漫遊者在下降過程中撞擊山體或隕石坑壁的巨大風險。因此，NASA 的工程師們給他們的繼任者“好奇號”賦予了操縱能力，以彌補可能由風引起的大偏差，將著陸橢圓縮小到令人印象深刻的20乘7公里。

由於其核動力供應，好奇號還可以比 MERs 驅動更長的距離，並且任務壽命為數年，而不是幾個月。對於選擇蓋爾隕石坑，好奇號的著陸地點至關重要，因為工程師現在可以在安全著陸後駕駛好奇號到山上。“即使 MER 漫遊者安全降落在蓋爾隕石坑裡面，但因為任務會有很大不同，所以他們都不可能去山上,”MERs 合作者、毅力號上 Mastcam-Z 相機的聯合研究員梅麗莎 · 賴斯(Melissa Rice)說。

AIMING FOR JEZERO瞄準 JEZERO

對於毅力號來說，好奇號之前的成功使得更多的著陸點得以考慮。美國宇航局最新的漫遊者是好奇號的近乎克隆體，在機器人的精確制導降落中使用了同樣驚人的“天空起重機”方法。來自好奇號進入、下降和著陸(EDL)的資料幫助工程師們將毅力的著陸橢圓減少了約50% ，毅力公司的 EDL 系統工程師克洛伊 · 薩克爾說。“雖然 毅力號看起來和好奇號很相似，但它的內部要聰明得多,”她說。“我們有一種名為射程觸發器的新技術，可以根據航天器認為的位置開啟超音速降落傘，而不是以預定的速度開啟，這使得好奇號在火星大氣層空間站的飛行時間略長。”

在先前的任務描繪了早期火星的有水的、可居住的圖景之後，NASA 希望毅力積極地尋找前生命的跡象。任務規劃者也有更多的衛星資料可以利用。“一些最初為好奇號提出的地點成為了毅力選擇的有力競爭者，因為美國火星勘測軌道飛行器調查局揭示了這些地點更多的礦物和岩石型別,”Rice 說。

150多名科學家利用每畫素30釐米的高解析度影象和詳細的礦產地圖，仔細檢查了60多個有希望的地點，用5年時間對它們進行篩選，並對最佳地點進行排名。在2017年這場可居住性和地質變化競賽的壓軸戲中，有三個地點上升到了榜首。

這張好奇號目的地蓋爾隕石坑的合成圖片將探測器的著陸橢圓形與其他幾個火星任務的著陸橢圓形進行了比較，揭示了過去幾十年中著陸精度的顯著提高。毅力的著陸橢圓甚至比好奇號的還要小

儘管這三個地點都代表了可能適宜居住的古代地點，但 Jezero 勝出的原因是其湖泊-三角洲系統獨特地提供了多種多樣的環境來探索過去生命的跡象。“ Jezero 可能擁有儲存最完好的古代三角洲，代表著火星曆史上最適宜居住的時期，當我們看到河流流經火星南半球的證據時,”Horgan 說。

然而，即使在好奇號的著陸橢圓上做了改進，Jezero 的三角洲也不能有效地被瞄準。這個三角洲最有前途的特徵——其龐大、沉積物豐富的基礎——是一個著陸危險，因為附近有又高又窄的懸崖。最好的情況下，毅力可以降落在三角洲的東部，然後花費數月的時間驅車前往基地。

至少，直到2019年，美國宇航局透露，毅力將使用一種新技術稱為“地形相對導航”，或 TRN。攜帶 TRN 的航天器可以觀察火星下面的地形特徵，並將其與預載地圖進行比較，以確定火星的位置，而不是睜著一隻眼睛降落在火星上，這樣就可以自動靈活地引導自己進行更精確的著陸。隨著這些進步，毅力著陸橢圓現在是一個堅實的7.7乘6.6公里。

TRN 的引入徹底改變了科學家們的火星著陸游戲規則。“ TRN 允許在我們想要的幾乎任何地方著陸,”賴斯說。“在 Jezero 三角洲基地或附近著陸是可能的，那裡的河流沉積著濃縮的有機物質。TRN 將任務定為“登陸”而不是“前往”。

“從歷史上看，我們必須尋找大型、平穩的‘停車場’，以便在火星上著陸,”薩克爾說。“我們現在可以準確停到像 Jezero 這樣的隕石坑，主要是因為加入了 TRN，這使我們能夠瞄準著陸橢圓形區域內的多個小停車場，而不是一個大停車場。”

WHERE TO NEXT?下一步去哪裡？

即使有了這些令人印象深刻的進展，火星上的一些地點仍然無法進行航天器著陸，而且在可預見的未來很可能繼續如此。例如，科學家不能提議在 Olympus Mons 等高空特徵上著陸，因為頭頂的大氣太稀薄，不足以使航天器減速。具有非常粗糙的地形或陡峭的斜坡的地區也是禁區，即使使用 TRN。此外，諸如極地冰冠、峽谷、熔岩管和沙丘等地貌特徵，對於輪式探測車來說，前景並不樂觀，因此需要其他形式的機動性。

儘管如此，美國宇航局在過去幾十年裡為火星開發的精確著陸技術將使探索太陽系中未知的地方成為可能。“例如，TRN 可以使航天器在木星的衛星歐羅巴上著陸，同時避開其巨大的冰崖、巨石和其他障礙,”賴斯說。

美國宇航局火星計劃的回報不僅僅是技術上的。“我們學會了如何在另一個星球上長時間有效地操作航天器。我們提前三到四天給好奇號發出命令，它會半自主地完成它們。這種經歷使得在月球上實現雄心勃勃的事情成為可能，比如讓即將到來的 VIPER 漫遊者(2023年發射)在很大程度上自主探索月球兩極永久陰影區域。”。

TRN 也將使美國宇航局的阿爾特彌斯機器人和載人任務，以執行精確登陸月球的南極，缺乏大，平坦的領域。未來的月球基地也將受益於 TRN，因為機器人貨運任務只需要在著陸後進行短距離的驅動。

由於美國宇航局雄心勃勃的，數十年的火星努力，一個新時代的精確登陸整個太陽系可能正在進行。