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美國國家航空航天局於2011年11月26日15:02發射了火星科學實驗室任務。
火星科學實驗室是該組織在紅色星球上近四十年機器人探索的最新成果。它的有效載荷，“好奇號”漫遊車，將探索並告訴我們更多關於我們宇宙鄰居的資訊。但好奇號不是任務中最有趣的部分。漫遊車著陸的方式才是壯觀之處。著陸器不會將好奇號送到火星表面；一個名為“天空起重機”的下降模組將透過繫繩放下漫遊車。好奇號將直接用輪子著陸，準備開始漫遊。有風險嗎？也許。精巧嗎？絕對是。天空起重機完美執行也至關重要。該系統的失敗可能會使未來十年計劃中的火星探測倒退數年。
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火星著陸的挑戰
在火星上著陸並非易事；它實際上是一個機器人墳場。所有傳送到那裡的著陸器中有三分之二墜毀或與地球失去聯絡，發射的任務中有一半根本沒有到達火星。在火星上成功進入、下降和著陸（或 EDL）對工程師來說是一個真正的挑戰。
火星的整個表面積僅相當於地球陸地面積的總和。它的小尺寸賦予了該行星較弱的引力，僅約為地球引力的三分之一。火星確實有大氣層。它主要由二氧化碳組成，含有微量的氮氣和氬氣，厚度僅為地球的百分之一。
火星稀薄的大氣層使著陸更加困難，比在像月球這樣沒有大氣層的天體上著陸困難得多。當航天器穿過火星稀薄的大氣層時，它會產生摩擦和熱量，但不足以顯著減慢航天器的速度。稀薄的大氣層也意味著空氣分子較少，無法為降落傘充氣，使得另一種制動方法的效果僅為中等。
地球上的工程師與其在火星上的航天器之間的通訊延遲是另一個挑戰。無線電訊號在兩個行星之間單程傳播大約需要 20 分鐘。航天器從首次接觸火星大氣層到到達地表只有六分鐘的時間，因此即時調整著陸順序是不可能的。無論 EDL 工程師設計出什麼，它都只有六分鐘的時間自主執行。
最後一個障礙是，無法在地球上模擬火星著陸。沒有辦法在三分之一重力下測試著陸器，沒有簡單的方法在百分之一大氣層中測試降落傘，而且對於火星地形（就著陸危險而言）的瞭解也有限。EDL 技術會完整地執行一次，而且必須成功。
幸運的是，美國國家航空航天局在其早期火星探測中找到了一種有效的 EDL 系統。
美國國家航空航天局如何在火星上著陸
美國國家航空航天局噴氣推進實驗室（JPL）於 1968 年開始研究火星問題，當時約翰遜總統呼籲在紅色星球上著陸，以紀念美國的二百週年誕辰。當時，美國國家航空航天局正享受著阿波羅計劃帶來的預算膨脹，並能夠投入大量資金來開發和測試火星 EDL 系統。最終出現的是“海盜”計劃——雙軌道飛行器和著陸器將前往火星，以增加成功著陸的機率。
“海盜 1 號”著陸器在星際旅行期間被儲存在一個保護殼內。在內部，著陸器被夾在頂部裝有降落傘的背殼和底部裝有燒蝕隔熱罩之間。航天器於 1976 年 7 月 19 日抵達火星並進入軌道，然後在 7 月 20 日點燃推進器進入火星大氣層。
隔熱罩在與火星大氣層摩擦產生的熱量中燒燬，減緩了著陸器的下降速度。在地面上方四英里處，背殼釋放，展開了一個 52 英尺寬的降落傘。它展開並充氣，穩定並進一步減緩了“海盜 1 號”的下降速度，而此時已耗盡的隔熱罩被拋棄。著陸器底部的著陸雷達啟動，確定了 EDL 順序的其餘部分。在地面上方不到一英里處，著陸器從背殼和降落傘上脫落，觸發了其底部反推火箭的點火。在其自身動力下，著陸速度減慢至每秒僅 7 英尺的下降速度。腿部的感測器在接觸地面時觸發了反推火箭的關閉。“海盜 1 號”平穩地降落在火星上。“海盜 2 號”於 1976 年 9 月 3 日緊隨其後。這種公式成功地將“火星鳳凰號”著陸器於 2008 年送到了地表。
相同的進入和下降順序將“旅居者號”、“勇氣號”和“機遇號”漫遊車分別於 1997 年和 2004 年送到了地表。但著陸方式略有不同。所有漫遊車都裝在氣囊中抵達火星。該設計是為“火星探路者”任務的有效載荷“旅居者號”漫遊車開發的，這是一種以更快的速度撞擊更廣泛目標區域，同時花費更少資金的方法。
氣囊將允許著陸器自由落體完成最後的下降——無需笨重且難以操作的反推火箭——並在地表彈跳後停在最終靜止點——從而無需昂貴且精確的著陸儀器。
“旅居者號”被儲存在一個金字塔形的箱子中。在隔熱罩在上層大氣中燒燬並脫落後，在距離地表四到六英里處，金字塔從背殼上掉落，由一根 65 英尺長的繫繩連線。氣囊從其側面爆炸性地充氣，同時背殼上的反推火箭點火。反推火箭進一步減慢了有效載荷的速度，然後切斷了吊索，讓它在剩下的路程中墜落到地表。
氣囊在地表彈跳和滾動，然後停止。當車載感測器檢測到沒有移動時，氣囊放氣，金字塔的面板像花瓣一樣展開。一個面板首先開啟，以在著陸器側向著陸的情況下扶正漫遊車。面板開啟，露出了健康的“旅居者號”，準備駛下由面板形成的坡道之一，探索它的新家。
相同的 EDL 將“火星探測漫遊者”勇氣號和機遇號於 2004 年送到了地表，但漫遊車將該系統推向了極限。“旅居者號”的大小與微波爐差不多，重量略超過 23 磅。“勇氣號”和“機遇號”比它們的前輩大得多，重量約為 408 磅。MER 漫遊車的大小取決於可以裝入金字塔箱子內的尺寸，以及氣囊可以在潛在崎嶇著陸區域安全承載的重量。
氣囊著陸系統不適用於“好奇號”。它的重量高達 1,654 磅（相當於四分之三噸），大小相當於一輛 SUV。足夠緩衝其著陸的氣囊對於宇宙神號運載火箭來說太重了，並且可能會在充氣所需空氣的重量下失效。
同樣，更大的降落傘來減緩“好奇號”的初始下降速度——或嘗試完全由降落傘控制的著陸——也是不可能的。足夠大的降落傘對於運載火箭來說太重了，並且不太可能在有效載荷到達火星表面之前完全充氣。對於漫遊車來說，海盜式著陸也不是一個好的選擇。反推火箭不僅會增加漫遊車在表面上行駛時需要攜帶的重量，而且底部突出的火箭還會造成潛在的卡住危險。
噴氣推進實驗室也渴望擺脫像之前的漫遊車那樣將漫遊車從著陸平臺上開下來的必然性。這是一個微妙的操作，始終存在坡道會被岩石卡住的可能性。到達火星卻無法將健康的漫遊車從著陸器上開下來，這將是任務的一個糟糕結局。
很明顯，為了讓美國國家航空航天局交付更大更重的有效載荷，並減少故障空間，它需要一種新的著陸系統。這就是天空起重機的誕生。
天空起重機將如何將好奇號送到地表
“好奇號”將像它的前輩一樣開始進入和下降：輪式腿摺疊並存儲在頂部裝有降落傘的背殼和底部裝有燒蝕隔熱罩之間。
在地面上方四英里處，火星大氣層將對圓形隔熱罩產生足夠的阻力，使“好奇號”減速至每小時 1,000 英里，大約是該大氣層中的 2 馬赫。燒燬後，隔熱罩將拋棄，降落傘將展開。直徑為 65 英尺，它是有史以來發送到火星的最大降落傘。在垂直距離略超過三英里的地方，降落傘會將“好奇號”從每小時 1,000 英里減速到相對平靜的每小時 187 英里，然後與背殼一起拋棄。
降落傘的釋放還將觸發隔熱罩的拋棄，露出“好奇號”的底部並露出地面感測雷達，該雷達將確定著陸順序的其餘部分。
在地面上方略多於半英里的地方，下降飛行器的反推火箭將點火，爆炸螺栓將使其與背殼分離。這些反推火箭將控制“好奇號”的下降。當雷達感應到它在地面上方約 115 英尺處時，下降飛行器將透過 65 英尺的繫繩釋放“好奇號”。它將減慢其下降速度至每小時不到一英里，因為它將懸掛的漫遊車降低到地表。
一旦“好奇號”的輪子接觸地面，爆炸螺栓將點火，將繫繩與漫遊車分離。下降飛行器的反推火箭將把它帶走，墜毀在遠離漫遊車的安全距離處。“好奇號”將可以自由地開始其火星探索之旅。
如果失敗會怎樣？
該系統有很多移動部件，並且有很多事情必須在精確的時間發生。降落傘或隔熱罩的缺陷可能會導致任務提前結束並墜毀，這種情況不太可能但仍然有可能發生。更成問題的是著陸雷達。
任何錯誤資訊都可能導致“好奇號”從無法恢復的高度墜落，損壞其輪子並在其可操作壽命內停留在原地。同樣，如果繫繩在釋放“好奇號”時斷裂也是如此。如果將“好奇號”連線到下降模組的爆炸螺栓在“好奇號”安全著陸後失效，下降飛行器可能會在不知不覺中將漫遊車拉回離開輪子，並將其拖到墜毀著陸處。
這些情況是可能發生的，但不太可能發生。像噴氣推進實驗室和美國國家航空航天局建造的每個系統一樣，“天空起重機”的設計目的是在火星上完美執行。但如果“天空起重機”失敗，火星科學實驗室和“好奇號”將不會是唯一的受害者。美國國家航空航天局與歐洲航天局（ESA）合作，制定了一個雄心勃勃的十年火星探測計劃，其中大部分取決於“天空起重機”。
“好奇號”於 2012 年夏季在火星上著陸只是第一步。2014 年，一顆軌道飛行器將抵達火星，以測量火星大氣層的逃逸率。這將為科學家提供反向工程火星大氣層所需的資料，確定其早期成分，並弄清楚火星曆史上何時可能存在生命。
美國國家航空航天局和歐洲航天局將共同參與 2016 年和 2018 年的 ExoMars 任務。2016 年，美國國家航空航天局將發射歐洲航天局的軌道飛行器和一個進入、下降和著陸模組（EDM）。軌道飛行器將使用機載儀器探測和研究大氣中的痕量氣體，而 EDM 將使用感測器評估著陸有效載荷的 EDL 效能並研究著陸點。2018 年，美國國家航空航天局將向火星發射兩輛漫遊車——一輛美國漫遊車和一輛歐洲漫遊車。兩者將攜帶不同的有效載荷在同一地點一起著陸。歐洲航天局的漫遊車將攜帶鑽頭和一套用於天體生物學和地球化學研究的儀器。
美國國家航空航天局的漫遊車由“天空起重機”運送，將是美國國家航空航天局樣本返回任務的第一步。它將前往已知的有趣區域並收集樣本，每個樣本的體積大約相當於一支圓珠筆，並將它們儲存起來。第二著陸器攜帶“取回”漫遊車將跟隨樣本收集漫遊車，也將透過“天空起重機”抵達火星。它將收集樣本並將它們轉移到上升飛行器，該飛行器將發射進入火星軌道。第三個任務將發射以收集軌道樣本並將它們帶回地球。
樣本返回任務的潛在回報令人興奮。在地球上擁有火星樣本，特別是那些沒有在不受保護的情況下穿過我們大氣層的樣本，將使科學家們能夠以全新的方式接觸火星。樣本將在手邊，隨著新測試的開發和技術的出現。後續的火星任務可能會更有針對性，揭示豐富的知識，不僅關於紅色星球，而且關於我們太陽系的歷史。