历时十年，耗资超8亿美元​，洞察号火星探测器明日凌晨将“温柔”触地

编者注：2018年5月5日，NASA“洞察号”探测器成功发射，经历205天的长途旅行，“洞察号”将于美国当地时间2018年11月26日下午(北京时间11月27日凌晨)在火星着陆。本文深度剖析了“洞察号”将在火星完成的特殊任务及其搭载的特殊技术。

美国当地时间11月26日，NASA最新研制的“洞察号(Insight)”探测器将完成六年来的首次火星着陆。这种形似蠕虫的探测器，将帮助我们首次深入观察火星内部，为我们揭开太阳系演化的新篇章。

自5月5日成功发射后，洞察号将于美国东部时间11月26日下午3点，在火星赤道上一处名为 Elysium Planitia 的大平原着陆。这是“好奇号(Curiosity)”火星车着陆后的首次地面任务，该地点距离其着陆点约600公里。NASA将在加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)进行现场直播。据悉，该实验室负责管理这项耗资8.14亿美元的任务。感兴趣的人可以在世界各地的着陆派对上共同见证这一时刻。

然而，与好奇号不同的是，由太阳能驱动的洞察号将持续正常运行，并使用三种仪器来研究火星的地震活动、旋转摆动和地下温度，从而确定火星的内部结构和地热活动，以及其流动或实心的内核。此前，NASA宣布了继洞察号后的下一次火星着陆，即2020火星探测任务(Mars 2020)，该着陆旨在通过收集和缓存样本来探寻古代生命的潜力，并返回地球进行进一步的研究。

 

洞察号要执行哪些任务?

洞察号收集的数据可能有助于解释所有包括水星、金星、地球和火星在内的类地行星是如何形成的，以及为什么地球和火星开始以相同的方式进化，但是目前却只有地球有生命活动。与火星不同，地球在45亿年前形成后，地质流失已经消除了数千万年前的结构证据。

 

“对于太阳系历史，我们有一个至少是基于地球的发展历程的假设，”火星探测计划(Mars Exploration Program)的首席科学家Michael Meyer表示，“我们目前拥有地球的模型和绝佳的数据，能推断出我们的星球是如何形成和演化的。现在我们需要来自其他星球的数据，从而证实这些模型的正确性。”

一个可与之相比较的例子是开普勒任务(Kepler mission)对太阳系其他行星的特写，这促使科学家重新调整我们自己的假设。Meyer说：“我们掌握了太阳系是如何形成的模型，每个人都为此兴奋不已，直到开普勒任务发现大型(气态)的木星大小的行星紧密围绕其他恒星运行，而不是位于远处。我们意识到这些模型可能只适用于太阳系，而并不一定能解释其他星系的情形。”

该任务一直是洞察号首席调查员Bruce Banerdt的梦想。在2006年初次尝试被拒绝之后，他的改进提案在2010年被采纳，并在2012年申请项目资金时击败了两个竞争对手。洞察号是NASA探索计划(Discovery Program)的一部分，后者是一项成本上限的科学任务，由位于美国亚拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center)监管。

喷气推进实验室的洞察号仪器系统工程师Troy Hudson表示：“几十年来，Bruce一直试图将地震仪带上火星。”

洞察号，或者利用地震调查、大地测量和热传输进行的内部勘探，都将使用地震仪和火星自转时间，来确定火星的地幔和地核的构造以及当前的地热活动。虽然这项技术在地球上已经存在了几十年，但要使其在火星上实现完整的着陆和运行却需要一种国际化思维。法国、德国、瑞士和英国的研究机构帮助设计了部分仪器，而位于丹佛的洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin Space)则完整设计了这种航天器。

 

美国对洞察号投资了8.138亿美元，其中包括用于运载火箭及服务、航天器和操作的1.63亿美元。欧洲的主要投资者法国和德国还投资了1.8亿美元，主要用于地震仪和热流仪器。 在研发一项独立但互补的任务——Mars Cube One(MarCO)计划上，JPL和NASA的投资也超过1800万美元。

精心策划的着陆

即使没有空中起重机，洞察号的着陆也会像好奇号一系列精确的操作那样扣人心弦。

这些高难度的动作包括在巡航阶段将着陆器和后壳分离，将隔热罩转向大气层，使其以12度的角度撞击，从而防止其燃烧或反弹。在离地表113公里处，温度将超过982摄氏度，而洞察号将从2万公里每小时的速度迅速降至1600公里每小时，受到的压力相当于12个大气压。在离地表16公里处，洞察号将打开一个超音速降落伞，抛弃隔热罩，释放着陆腿，并将雷达传向地面以测量其距离和速度。

距离地面1.6公里处，着陆器部分将与后壳和降落伞分离。其后推进器将点燃，将着陆器从后壳旋转出来，使其在地表上软着陆，并在着陆瞬间关闭，这样就可保证着陆过程不出现意外。科学家选择这一着陆点是因为其光照充足、岩石缺乏、海拔低，可以确保拥有足够的空气安全着陆，哪怕是在沙尘暴中。

Hudson说：“当你为一件如此复杂和具有挑战性的事情付出了十年的心血，而这一切的成功与否都将取决于着陆的‘恐怖7分钟’，对于我们这些参与这项任务的人来说，这是生活中最痛苦的经历。”

为了在进入、下降和着陆过程中继数据，洞察号还将与一个单独的飞越任务——Mars Cube One(MarCO)配对，后者是两颗首次发射的太空微型CubeSats卫星，也是洞察号的伴飞卫星。一旦成功着陆，该着陆器将展开其太阳能电池板并开始充电，但在两个月后该设备才能正常运行。具体来说，机械臂从甲板上解锁需要两天;机载摄像机需要进行10-15天的现场勘察;另外30-40天则用于有条不紊地将地震仪和热流仪器放置在地表上。

Hudson表示：“这是这项任务的一部分，需要同时进行工作的人数最多，对于洞察号，这也是史无前例的。我们从未部署过如此精密的仪器，使远程操作与着陆器分离。”

给火星“把把脉”

当火星在其轴上旋转并绕太阳运行时，会像陀螺一样摆动，因为太阳会将其拉离又推回其轨道(就像地球那样)。我们目前已经知道火星在每个火星年都会更新频率，但我们不知道具体的规律。这种变化将帮助科学家确定火星内核的大小和组成。如果内核为液体，则将产生更大的摆动频率。

RISE(Rotation and Interior Structure Experiment，旋转与内部结构实验)包括飞行器顶部的两个X波段天线，它们将无线电信号发送到地球上的接收站，供科学家跟踪和测量。当“洞察号”随行星旋转时，它们的表观频率将发生变化。由多普勒效应引起的频率变化使得RISE团队能够测量“洞察号”航天器与地球上的接收站之间的距离，通常是在几十厘米之内的范围内，但这也比十亿分之一的距离要好得多。

观察频率变化并测量在洞察号执行任务的这一个火星年(大约两个地球年)内的摆动程度将最终表明火星的内核是液体还是固体。

这也将成为解释地球弱磁场的一步。普遍认为，像地球一样强大的磁场对生命有益，因为它偏转了太阳的大部分太阳风，降低了太阳剥离行星大气层的能力。地球液态铁外核内的旋流对流产生了这种“行星发电机”。火星缺乏强大的磁场，可能是由于外核较薄或缺少液体，这很可能是火星早期大气因太阳风剥落而消失的罪魁祸首。

SEIS监测火星地震

SEIS(Seismic Experiment for Interior Structure，内部结构地震实验)将通过地震波测量火星的内部活动和结构，这些地震波来自于火星的地震、陨石撞击、山崩、沙尘暴和由于火星两个卫星的引力引起的地壳潮汐。当地震能量穿过火星时，地震波会在层边界处反射，并随着其经过的物质性质的变化而弯曲。

Hudson说：“地震学就像用超声波来检查身体。不同的震源，如地震或撞击，会产生具有独特特征的波，正如乐器的不同音色。”

地震仪通过弹簧和重物检测垂直地面运动，其运动产生以数字方式记录的电压。“海盗号(Viking)”着陆器上搭载的地震仪已有40年的历史，与之相比，SEIS大大改进，它甚至具有可以检测小于氢原子宽度的振动的灵敏度。

这种灵敏度需要细心保护。在地球上，科学家将地震仪埋在地下，但在火星上无法做到。着陆后，洞察号的机械手臂将SEIS放置在地面上，然后在其上方放置一个圆顶形的盖子，这是防风热罩。这个“便携式孔”将保护SEIS免受火星100华氏度的温度波动影响，同时配有一个坚韧聚脂材质的铠甲式裙边，垂至地面，可以防止风的振动影响。

虽然火星的构造较地球平静，但科学家们预计，由于大气层变薄、没有水源，火星会经历更多可探测的陨石撞击。如果SEIS检测到任何信息，它将与火星勘测轨道器(Mars Reconnaissance Orbiter)协调以进行图像确认。

“如果洞察号捕获了某些撞击信息，而且我们认为这些撞击发生在火星的某个区域，就可以确认是否新的撞击物，”Hudson说。科学家们非常希望能在洞察号为期两年的任务中检测到5至10颗流星撞击。

除了这些高能量的地震事件，SEIS还能检测到更慢的变化。他补充道：“我们还将看到火星在潮汐中如何弯曲和膨胀。就像卫星的引力使地球产生潮汐一样，火星的卫星(比地球小得多，但离它们的母行星更近)会导致地壳的起伏。这片土地的潮汐运动幅度非常小，是毫米级的。地震仪可以测量它升降的速度，由此我们可以分析地壳的厚度。地壳越厚，运动幅度也会越小。”

Hudson说，不出所料，SEIS的设计极具挑战性，最终导致探测器推迟发射。由于极高的灵敏度，SEIS需要被密封在真空中。但设计团队一直在跟踪检测是否存在缓慢的空气泄漏情况。事实证明，真空两侧的仪器组件之间存在连接，需要完整的设计和制造加以检修。

这一延误造成约1.5亿美元的成本超支，并且直接导致错过了2016年的发射时机，需要再等26个月才能获得下一次火星发射机会。但是这段额外的时间也使得Hudson的团队能够对任务中独一无二的热流仪器进行改进。

HP3给火星测“体温”：“这种仪器前所未有。”

最后部署的仪器是HP3(Heat Flow and Physical Properties Package，热流和物理特性包)，用于测量火星内部的热量，这些热量来自于行星形成的剩余以及放射性元素的衰变。这与形成火星表面、形成太阳系中一些最高的山峰和高度是珠穆朗玛峰三倍的火山所需的热量相同。最重要的是，限制热流将有助于解决一系列问题，例如火星、地球和月球是否像科学家所认为的那样由同一物质演变而来，以及当前火星在地质上的活跃程度等。

但HP3的具体数据采集必须发生在地表以下。为了避免地表温度波动，读数必须在地下3到5米(约10到16英尺)。为此，工程师设计了一种自钻孔圆柱形探针，或称“钻孔机(mole)”，将其连接在一根长系绳上，内嵌温度传感器，其测量精度达到百分之一度。探针内部的一个机械装置能使其钻出5米的深度，这比人类在任何其他行星、卫星或小行星上挖的都要深。 钻孔完成后，拉动探针后方的长绳即可。

Hudson解释道：“随着钻孔机逐渐穿入地下，它会定期停止并测量地面的导热系数。一旦达到最终深度，嵌入式传感器将反馈地下温度随深度的变化，这就是地热梯度。我们预计5米以上的温度增幅只有1到2度。这个变化非常小，但对于HP3的温度传感器来说已经足够了。深入地下极具挑战，但越深，获得的数据就越真实。”

钻孔机的设计也面临着巨大的挑战：它必须是一个重量小于1公斤的独立钻井装置，能够在10瓦的可用功率下运行，强度能够穿透各种行星土壤类型，并且足够坚固，能够承受钻孔锤击过程中自身施加的猛烈加速。除上述要求之外，还需包含一些精密的温度和方向传感器。

Hudson说：“以前没有人能够创造出像这样的装置，能够在资源匮乏的情况下自行穿透到行星的地下。HP3的钻孔装置可以同时产生超过10000个大气压的强烈锤击，可以承受上万倍的猛烈冲击，而且耗电比Wi-Fi路由器少，重量也只比一双鞋重一些。”

该仪器还将提供一批额外数据。

Hudson补充道：“这个过程将持续30天左右，钻孔机将每隔4天锤击几个小时，产生SEIS能够捕获的振动，从而使用该信息来分析着陆探测器附近的地下情况，例如基岩层的深度。这并不是我们火星任务的要求之一，但我们希望能够充分利用这一次来之不易的火星之旅。”

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