如果美國宇航局耗資27億美元的旗艦移動科學實驗室“毅力號”於2月18日在火星傑澤羅隕石坑成功著陸，這一壯舉不僅將開啟紅色星球探索的新篇章，還將標誌著過去四十年在該星球上難度日益增加的著陸任務的輝煌頂點。“毅力號”的目的地——傑澤羅隕石坑乾涸的三角洲和湖泊系統——富含沉積岩，可能包含來自該行星更溫暖、更潮溼、更宜居的過去的化石生物，似乎非常適合尋找古代生命的跡象，人們可能會想，為什麼它至今仍未被訪問。答案很簡單：嘗試在這種複雜地形中著陸一直是災難的根源。至少，直到現在。
當20世紀70年代火星機器人探測開始時，當時可用的行星表面照片非常粗糙，以至於確定著陸地點就像玩矇眼飛鏢遊戲。美國宇航局最早的著陸嘗試，即1976年的“海盜1號”和“海盜2號”任務，必須先從軌道上拍攝影像，然後任務規劃人員才能選擇著陸地點，即使這樣，安全也遠未得到保證。“海盜號”任務的舊式技術只能確保每個著陸器都會降落在長300公里、寬100公里的橢圓區域內的某個位置，希望靠近科學家標記用於調查的中心點。最終，美國宇航局官員將這個“著陸橢圓”放在他們從軌道上可以看到的最安全的地方，讓每艘“海盜號”都降落在綿延一千多公里的平坦、近乎沒有特徵的平原上。
縮小橢圓
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到2004年，當美國宇航局的雙胞胎火星探測漫遊者（MER）“勇氣號”和“機遇號”著陸時，該航天機構的工程師已經學會了如何將橢圓縮小到150公里x 20公里。與“海盜號”相比，這一十倍的改進得益於對火星大氣層更好的理解以及新的航天器導航技術。到那時，美國宇航局還從其軌道飛行器獲得了更好的地圖和礦物學資料。科學家們利用這些資訊讓“機遇號”瞄準了一個存在赤鐵礦的區域，赤鐵礦是一種僅在有水的情況下才會形成的礦物，以此來研究古代外星水環境。
“結合一個區域的地貌和礦物學資料，並利用工程升級，‘機遇號’是未來我們如何選擇著陸地點的視窗，”“毅力號”任務的聯合研究員布里奧尼·霍根說。
美國宇航局曾考慮讓MER任務在蓋爾隕石坑這個更豐富的地點著陸，該機構的“好奇號”漫遊車最終於2012年在此著陸，並且至今仍在執行。但隕石坑的中心山脈——“好奇號”在那裡發現了古代適合微生物生存的淡水湖的證據——本身對MER構成著陸危險。MER細長的著陸橢圓與隕石坑本身一樣長，給數億美元的漫遊車在下降過程中撞到山脈或隕石坑壁造成了真正的風險。因此，美國宇航局的工程師讓他們的繼任者“好奇號”具備了轉向能力，以補償可能由風引起的巨大偏差，將著陸橢圓縮小到令人印象深刻的20公里x 7公里。
由於其核動力供應，“好奇號”還可以比MER行駛更遠的距離，並且任務壽命長達數年，而不是幾個月。這對於選擇蓋爾隕石坑作為“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遠離山脈後將漫遊車開到山脈。“即使MER漫遊車安全地降落在蓋爾隕石坑內，不僅任務會大不相同，而且它們都無法到達山脈，”MER的合作者和“毅力號”上的Mastcam-Z相機的聯合研究員梅麗莎·賴斯說。
瞄準傑澤羅
對於“毅力號”來說，“好奇號”之前的成功使得可以考慮更多的著陸地點。美國宇航局最新的漫遊車幾乎是“好奇號”的克隆體，並使用相同的驚人的“空中吊車”方法進行機器人的精確引導著陸。“好奇號”的進入、下降和著陸（EDL）資料幫助工程師將“毅力號”的著陸橢圓減少了約50％，“毅力號”的EDL系統工程師克洛伊·薩基爾說。“雖然‘毅力號’的EDL看起來與‘好奇號’相似，但其內部要智慧得多，”她說。“我們有一項名為‘距離觸發’的新技術，可以根據航天器認為自身所處的位置部署超音速降落傘，而不是以預定的速度部署，這導致‘好奇號’在火星大氣層中飛行的時間略長。”
在之前的任務描繪出早期火星水汪汪、宜居的景象之後，美國宇航局希望“毅力號”積極尋找過去生命的跡象。任務規劃人員也有更多的衛星資料可供使用。“在火星勘測軌道飛行器揭示了更多關於這些地點的礦物和岩石型別之後，最初為‘好奇號’提出的某些地點成為了‘毅力號’選址的有力競爭者，”賴斯說。
憑藉解析度高達每畫素30釐米的高解析度影像和詳細的礦物地圖，超過150名科學家仔細檢查了超過60個有希望的地點，在五年內對它們進行了篩選，並對最佳地點進行了排名。在2017年這場宜居性和地質靈活性競賽的總決賽篩選中，三個地點脫穎而出。
這張“好奇號”目的地蓋爾隕石坑的合成影像將該漫遊車的著陸橢圓與來自其他幾個火星任務的著陸橢圓進行了比較，揭示了過去幾十年著陸精度的顯著提高。“毅力號”的著陸橢圓甚至比“好奇號”的更小。來源：美國宇航局/加州理工學院噴氣推進實驗室/歐空局
儘管所有三個地點都代表了潛在的宜居古代地點，但傑澤羅勝出，因為其湖泊-三角洲系統獨特地提供了多種不同的環境來探測過去生命的跡象。“傑澤羅可能擁有儲存最完好的古代三角洲，代表了火星曆史上最宜居的時期，當時我們看到了河流遍佈整個星球南半球的證據，”霍根說。
然而，即使對“好奇號”的著陸橢圓進行了改進，也無法有效地瞄準傑澤羅三角洲。三角洲最引人注目的特徵——其廣闊、富含沉積物的底部——由於鄰近的高聳、寬闊的懸崖而成為著陸危險。在最好的情況下，“毅力號”可以降落在三角洲以東，並花費數月時間開車到達底部。
至少，情況在2019年之前是這樣的，當時美國宇航局透露“毅力號”將使用一種名為“地形相對導航”或TRN的新技術。配備TRN的航天器在火星上空下降時，不再是盲目的，而是可以檢視下方地形特徵，並將其與預先載入的地圖進行比較，以瞭解自身位置，從而自主、靈活地引導自身進行更精確定點的著陸。憑藉這些進步，“毅力號”的著陸橢圓現在是一個可靠的7.7公里x 6.6公里。
TRN的引入徹底改變了科學家的遊戲規則。“TRN允許我們幾乎在任何我們想要的地方的著陸區域安家落戶，”賴斯說。“直接或靠近儲存完好的傑澤羅三角洲底部著陸成為可能，河流在那裡沉積了濃縮的有機物質。TRN使任務變成了‘著陸於’而不是‘前往’。”
“我們過去不得不尋找大型、平坦的‘停車場’，以便在火星上著陸，”薩基爾說。“我們現在可以開放像傑澤羅這樣的地點，這主要歸功於TRN的加入，它使我們能夠將目標鎖定在著陸橢圓內的多個小停車場，而不是一個巨大的停車場。”
一旦著陸，“毅力號”應該在接下來的兩到三年內穿越三角洲的乾涸河床到達傑澤羅隕石坑邊緣，尋找各種生物特徵。它將收集和儲存其最有希望的發現樣本，並存放其中一些樣本，以便最終由美國宇航局-歐空局聯合樣本返回任務的“取回漫遊車”取回，該任務的發射時間不早於2026年。工程師將使用來自“毅力號”EDL的資料進一步縮小取回漫遊車的著陸橢圓，希望縮小它需要在行星表面上行駛的距離。
下一個目的地在哪裡？
即使有了這些令人印象深刻的進步，火星上的一些地點對於航天器著陸來說仍然遙不可及，並且在可預見的未來可能仍然如此。例如，科學家無法提議在高海拔特徵（如奧林匹斯山）上著陸，因為上方的大氣層過於稀薄，無法充分減慢航天器的速度。即使使用TRN，地形非常崎嶇或坡度陡峭的區域也禁止進入。此外，諸如極地冰蓋、峽谷、熔岩管和沙丘等特徵對於輪式漫遊車來說前景黯淡，並且需要替代形式的移動方式。
然而，美國宇航局幾十年來為火星開發的精確著陸技術將能夠探索太陽系中未知的地點。“例如，TRN可以使航天器在木星的衛星木衛二上著陸，同時避開其巨大的冰崖、巨石和其他障礙物，”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高效地執行航天器很長時間。我們提前三到四天向‘好奇號’發出指令，它會半自主地完成這些指令。這種經驗正在促成月球上的雄心勃勃的事情，例如即將到來的VIPER漫遊車（將於2023年發射）在很大程度上自主探索月球兩極的永久陰影區域，”霍根說。
TRN還將使美國宇航局的阿爾忒彌斯機器人和載人任務能夠在月球南極進行精確著陸，那裡缺乏大型平坦區域。未來的月球基地也將受益於TRN，因為機器人貨物任務只需要在著陸後行駛很短的距離。
由於美國宇航局雄心勃勃、歷時數十年的火星努力，整個太陽系精確定點著陸的新時代可能正在到來。