美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）共同努力，试图将经过科学筛选的样本从火星带回地球进行研究，其实验室设备的复杂程度远远超过带到红色星球的设备。工程师们正忙于设计样品回收着陆器，以帮助将这些样品带到地球。作为这项工作的一部分，他们一直在南加州的美国宇航局喷气推进实验室（JPL）测试着陆器的腿和脚垫原型。
工程师 Abel Dizon 解释美国宇航局喷气推进实验室为火星取样返回活动设计的着陆器原型如何进行跌落测试。图片来源：NASA/JPL-Caltech
火星取样返回活动的着陆器。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院
让最重的航天器登陆火星
美国国家航空航天局（NASA）正在汲取几十年来成功登陆火星的经验，并将这些经验应用到样本回收着陆器的概念中，这将是迄今为止登陆火星的最大航天器，重达 5016 磅（2275 千克）。除了依靠下一代降落伞和 12 个火箭发动机来减缓飞船降落火星的速度外，着陆器还需要双腿来帮助吸收着陆时的冲击力。
飞船将搭载一枚火箭，把"毅力号"精心包装的样本发射到等待的轨道器上。欧空局提供的一个 8 英尺（2.5 米）长的机械臂将把这些样品管装入火箭。着陆器最多可搭载两架小型直升机作为后备，以取回存放在样本库中的样本管。因此，着陆器设计上就需要那么重。
JPL的另一位工程师摩根-蒙塔尔沃（Morgan Montalvo）在原型机下方的地板上设置护栏，以测试着陆器在火星着陆时会不会被岩石"绊倒"。图片来源：NASA/JPL-Caltech
为了了解着陆时如何吸收能量，JPL 的工程师们在今年早些时候进行了跌落测试，为设计和后续测试提供参考。其中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掉落到坚硬的地板上，而另一项测试则是将一个全尺寸的脚垫摔入模拟的火星土壤中。团队可以将测试中观察到的结果用于改进设计。
参与测试的 JPL 工程师摩根-蒙塔尔沃（Morgan Montalvo）说："这个着陆器和我们一开始的设计已经有了天壤之别。"
团队必须考虑到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"绊了一下脚趾"会发生什么。在一系列测试中，为了尝试制造这样的挑战，他们将原型机悬挂在一个钟摆上，使小型着陆器以一定角度着陆。三脚架上的摄像机环绕着着陆面，地面上是一块巨大的黑色金属板。一个低矮的护栏兼作岩石。
JPL 正在用这个装置测试未来火星着陆器的一个直径为 16 英寸（40 厘米）的脚垫。脚垫被放入一个装满10000磅（4,536千克）模拟火星土壤的试验台中，以观察它下沉的深度。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院
蒙塔尔沃喊道："3-2-1倒计时。"着陆器"砰"的一声俯冲下来，撞上了护栏。当研究小组随后研究高速视频时，他们惊讶地发现着陆器腿的一个主支柱出现了明显的晃动。如果加大着陆器的尺寸，这种晃动就会更加明显。为此，将设计更坚固的飞行支柱来承受这些力量。
研究小组还测试了着陆器的"负载限制器"--连接底盘和支腿的钢棒。在着陆过程中，腿部移动时，钢棒会被迫弯曲，吸收一些冲击力。过去的着陆器，如"洞察"号（InSight）都使用了这种限位器，但这次的原型更大，最终设计的会更大。
蒙塔尔沃说："你永远无法用手弯曲这些钢棒。看到这些钢棒受力如此之大，在掉落后几乎被折成两半，这真是令人难以置信"。
对着陆器全尺寸脚垫的测试是在一个装满10000磅（约合4,536千克）粉状火星土壤的盒子里进行的。脚垫直径约 16 英寸（41 厘米），扁圆形的脚垫连接到一个装有近半吨铁质配重板的组件上。
试验台负责人帕特里克-德格罗斯（Patrick DeGrosse）在一次试验中一直注视着着陆器的脚陷入土壤，留下一道深深的凹痕，同时掀起一阵尘土。撞击震动了大楼的墙壁。之后，高速摄影机显示了能量是如何从试验台辐射出去的。
JPL 工程师帕特里克-德格罗斯（Patrick DeGrosse）与其他工程师一起查看全尺寸着陆器脚垫的跌落测试数据。图片来源：NASA/JPL-Caltech
德格罗斯说："我们不希望着陆器的脚陷得太深，以至于着陆器的底部撞到地面。我们要确保着陆器在表面上非常平整。它必须坚固，因为着陆器也是火箭升空的平台。"
每次测试后，德格罗斯都会重建土床，每次重建4英寸，夯实材料，以确保其压缩方式符合科学家对火星的预期。试验条件也需要保持一致，这样团队才能了解脚垫与土壤的相互作用。因此，德格罗斯每个月要重复四次这个耗时的过程。他说："你必须多次重建火星，才能完成这项测试。"