美國國家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）共同努力，試圖將經過科學篩選的樣本從火星帶回地球進行研究，其實驗室設備的複雜程度遠遠超過帶到紅色星球的設備。工程師們正忙於設計樣品回收著陸器，以幫助將這些樣品帶到地球。作為這項工作的一部分，他們一直在南加州的美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）測試著陸器的腿和腳墊原型。

工程師Abel Dizon 解釋美國宇航局噴氣推進實驗室為火星取樣返回活動設計的著陸器原型如何進行跌落測試。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

火星取樣返回活動的著陸器。圖片來源：NASA/JPL-加州理工學院

讓最重的航天器登陸火星

美國國家航空航天局（NASA）正在汲取幾十年來成功登陸火星的經驗，並將這些經驗應用到樣本回收著陸器的概念中，這將是迄今為止登陸火星的最大航天器，重達5016 磅（ 2275 千克）。除了依靠下一代降落傘和12 個火箭發動機來減緩飛船降落火星的速度外，著陸器還需要雙腿來幫助吸收著陸時的衝擊力。

飛船將搭載一枚火箭，把”毅力號”精心包裝的樣本發射到等待的軌道器上。歐空局提供的一個8 英尺（2.5 米）長的機械臂將把這些樣品管裝入火箭。著陸器最多可搭載兩架小型直升機作為後備，以取回存放在樣本庫中的樣本管。因此，著陸器設計上就需要那麼重。

JPL的另一位工程師摩根-蒙塔爾沃（Morgan Montalvo）在原型機下方的地板上設置護欄，以測試著陸器在火星著陸時會不會被岩石”絆倒”。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

為了了解著陸時如何吸收能量，JPL 的工程師們在今年早些時候進行了跌落測試，為設計和後續測試提供參考。其中一系列測試包括將一個八分之三比例的早期概念著陸器模型掉落到堅硬的地板上，而另一項測試則是將一個全尺寸的腳墊摔入模擬的火星土壤中。團隊可以將測試中觀察到的結果用於改進設計。

參與測試的JPL 工程師摩根-蒙塔爾沃（Morgan Montalvo）說：”這個著陸器和我們一開始的設計已經有了天壤之別。”

團隊必須考慮到每一種可能的著陸情況，包括如果航天器以一定角度著陸並在岩石上”絆了一下腳趾”會發生什麼。在一系列測試中，為了嘗試製造這樣的挑戰，他們將原型機懸掛在一個鐘擺上，使小型著陸器以一定角度著陸。三腳架上的攝像機環繞著著陸面，地面上是一塊巨大的黑色金屬板。一個低矮的護欄兼作岩石。

JPL 正在用這個裝置測試未來火星著陸器的一個直徑為16 英寸（40 厘米）的腳墊。腳墊被放入一個裝滿10000磅（4,536千克）模擬火星土壤的試驗台中，以觀察它下沉的深度。圖片來源：NASA/JPL-加州理工學院

蒙塔爾沃喊道：”3-2-1倒計時。”著陸器”砰”的一聲俯衝下來，撞上了護欄。當研究小組隨後研究高速視頻時，他們驚訝地發現著陸器腿的一個主支柱出現了明顯的晃動。如果加大著陸器的尺寸，這種晃動就會更加明顯。為此，將設計更堅固的飛行支柱來承受這些力量。

研究小組還測試了著陸器的”負載限制器”–連接底盤和支腿的鋼棒。在著陸過程中，腿部移動時，鋼棒會被迫彎曲，吸收一些衝擊力。過去的著陸器，如”洞察”號（InSight）都使用了這種限位器，但這次的原型更大，最終設計的會更大。

蒙塔爾沃說：”你永遠無法用手彎曲這些鋼棒。看到這些鋼棒受力如此之大，在掉落後幾乎被折成兩半，這真是令人難以置信”。

對著陸器全尺寸腳墊的測試是在一個裝滿10000磅（約合4,536千克）粉狀火星土壤的盒子裡進行的。腳墊直徑約16 英寸（41 厘米），扁圓形的腳墊連接到一個裝有近半噸鐵質配重板的組件上。

試驗台負責人帕特里克-德格羅斯（Patrick DeGrosse）在一次試驗中一直注視著著陸器的腳陷入土壤，留下一道深深的凹痕，同時掀起一陣塵土。撞擊震動了大樓的牆壁。之後，高速攝影機顯示了能量是如何從試驗台輻射出去的。

JPL 工程師帕特里克-德格羅斯（Patrick DeGrosse）與其他工程師一起查看全尺寸著陸器腳墊的跌落測試數據。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

德格羅斯說：”我們不希望著陸器的腳陷得太深，以至於著陸器的底部撞到地面。我們要確保著陸器在表面上非常平整。它必須堅固，因為著陸器也是火箭升空的平台。”

每次測試後，德格羅斯都會重建土床，每次重建4英寸，夯實材料，以確保其壓縮方式符合科學家對火星的預期。試驗條件也需要保持一致，這樣團隊才能了解腳墊與土壤的相互作用。因此，德格羅斯每個月要重複四次這個耗時的過程。他說：”你必須多次重建火星，才能完成這項測試。”