观看美国国家航空航天局工程师测试火星着陆器的腿

工程师Abel Dizon解释了美国国家航空航天局喷气推进实验室为火星样本返回活动设计的原型着陆器是如何进行跌落测试的。

需要坚固的腿来吸收有史以来降落在这颗红色星球上的最重航天器的撞击。

美国国家航空航天局的毅力号火星车继续为计划中的火星样本返回活动准备装满岩芯样本的管道。美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）的联合努力旨在将科学选择的样本从火星带回地球，用比带到这颗红色星球更复杂的实验室设备进行研究。工程师们正忙于设计样本回收着陆器，这将有助于将这些样本带回地球。作为这项工作的一部分，他们一直在南加州NASA喷气推进实验室测试着陆器的腿和脚垫的原型。

美国国家航空航天局正在吸取几十年来成功着陆火星的经验教训，并将这些经验教训应用于样本回收着陆器概念，这将是迄今为止登陆火星的最大航天器，重达5016磅（2275公斤）。除了依靠下一代降落伞和12个火箭发动机来减缓航天器降落火星的速度外，着陆器还需要它的腿来帮助吸收着陆的影响。

JPL的另一位工程师Morgan Montalvo在原型下方的地板上设置了护栏，以测试着陆器在着陆火星时会“用脚趾”抵住岩石的情况。

该航天器将携带一枚火箭，将“毅力号”精心包装的样本发射到等待的轨道飞行器上。欧空局将提供一个8英尺（2.5米）的机械臂，将这些样品管装载到火箭中。着陆器最多可携带两架小型直升机作为备份，以取回存放在样品库中的试管。所以着陆器需要很重。

为了了解着陆过程中能量是如何被吸收的，喷气推进实验室的工程师今年早些时候进行了跌落测试，这将为设计和后续测试提供信息。一系列测试包括将一个八分之三比例的早期概念着陆器模型扔到硬地板上，而另一系列测试则集中在将一个全尺寸的脚垫砸入模拟火星土壤中。团队可以在完善设计的过程中应用他们在测试过程中观察到的内容。

从小处开始

参与测试的喷气推进实验室工程师Morgan Montalvo说：“这个着陆器和我们开始的设计之间已经有了昼夜的差异。”

看看工程师们是如何测试有史以来降落在这颗红色星球上的最重航天器的设计的：火星样本返回活动的着陆器。

该团队必须考虑每一种可能的着陆情况，包括如果航天器以一定角度着陆并在岩石上“撞到脚趾”会发生什么。为了在一系列测试中创造这样一个挑战，他们将一个原型悬挂在钟摆上，将迷你着陆器以一定角度送至地面。三脚架上的摄像机环绕着着陆面，地板上有一块黑色的大金属板。一道低矮的护栏和岩石一样高。

蒙塔尔沃叫了一声3-2-1的倒计时，着陆器砰的一声俯冲下来，撞上了护栏。当研究小组稍后研究高速视频时，他们惊讶地发现腿的一个主要支柱有明显的摆动。增大着陆器的尺寸，这种抖动会更加明显。作为回应，将设计更强的飞行支柱来处理这些力。

JPL正在使用这种设置来测试未来火星着陆器的直径为16英寸（40厘米）的脚垫。脚垫被放入一个装满10000磅（4536公斤）模拟火星土壤的试验台中，以观察它会沉到多深。

该团队还测试了着陆器的“负载限制器”——将底盘连接到腿上的钢杆。当腿在触地时移动，杆被迫弯曲，吸收一些冲击。限制器在InSight等过去的着陆器上使用过，但在这个原型上它们更大，在最终设计中会更大。

蒙塔尔沃说：“你永远无法用手弯曲这些钢条。”“看到有多大的力作用在它们身上，让它们在跌落后几乎弯曲成两半，真是太疯狂了。”

喷气推进实验室工程师Patrick DeGrosse与一群工程师同事一起审查了全尺寸着陆器脚垫的跌落测试数据。

重型脚踏航天器

着陆器全尺寸脚垫的测试一直在一个装满10000磅（4536公斤）粉状火星状土壤的盒子里进行。直径约16英寸（41厘米）的扁平圆形脚垫连接到一个装有近半吨铁配重板的组件上。

试验台负责人帕特里克•德格罗斯（Patrick DeGrosse）在一次试验中一直在观察着着陆器的脚坠入土壤，在抛出一团灰尘时留下了一个很深的压痕。撞击震动了建筑物的墙壁。之后，高速摄像机显示了能量是如何从垫子上辐射出来的。

DeGrosse说：“我们不希望着陆器的脚沉得太深，以至于着陆器的底部碰到表面。”“我们希望确保着陆器在表面非常均匀。它需要坚固，因为着陆器也是火箭发射的平台。”

每次测试后，德格罗斯都会一次重建4英寸的土壤床，夯实材料，以确保其按照科学家预期的方式在火星上压缩。为了让团队了解脚垫如何与土壤相互作用，条件也需要一致。因此，DeGrosse每月重复四次这个耗时的过程。

“你必须多次重建火星才能进行这个测试，”他说。