編者注：2018年5月5日，NASA“洞察號(hào)”探測(cè)器成功發(fā)射，經(jīng)歷205天的長(zhǎng)途旅行，“洞察號(hào)”將于美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2018年11月26日下午(北京時(shí)間11月27日凌晨)在火星著陸。本文深度剖析了“洞察號(hào)”將在火星完成的特殊任務(wù)及其搭載的特殊技術(shù)。

　　美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月26日，NASA最新研制的“洞察號(hào)(Insight)”探測(cè)器將完成六年來(lái)的首次火星著陸。這種形似蠕蟲(chóng)的探測(cè)器，將幫助我們首次深入觀察火星內(nèi)部，為我們揭開(kāi)太陽(yáng)系演化的新篇章。

　　自5月5日成功發(fā)射后，洞察號(hào)將于美國(guó)東部時(shí)間11月26日下午3點(diǎn)，在火星赤道上一處名為 Elysium Planitia 的大平原著陸。這是“好奇號(hào)(Curiosity)”火星車著陸后的首次地面任務(wù)，該地點(diǎn)距離其著陸點(diǎn)約600公里。NASA將在加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)直播。據(jù)悉，該實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)管理這項(xiàng)耗資8.14億美元的任務(wù)。感興趣的人可以在世界各地的著陸派對(duì)上共同見(jiàn)證這一時(shí)刻。

　　然而，與好奇號(hào)不同的是，由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的洞察號(hào)將持續(xù)正常運(yùn)行，并使用三種儀器來(lái)研究火星的地震活動(dòng)、旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)和地下溫度，從而確定火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地?zé)峄顒?dòng)，以及其流動(dòng)或?qū)嵭牡膬?nèi)核。此前，NASA宣布了繼洞察號(hào)后的下一次火星著陸，即2020火星探測(cè)任務(wù)(Mars 2020)，該著陸旨在通過(guò)收集和緩存樣本來(lái)探尋古代生命的潛力，并返回地球進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

　　洞察號(hào)要執(zhí)行哪些任務(wù)?

　　洞察號(hào)收集的數(shù)據(jù)可能有助于解釋所有包括水星、金星、地球和火星在內(nèi)的類地行星是如何形成的，以及為什么地球和火星開(kāi)始以相同的方式進(jìn)化，但是目前卻只有地球有生命活動(dòng)。與火星不同，地球在45億年前形成后，地質(zhì)流失已經(jīng)消除了數(shù)千萬(wàn)年前的結(jié)構(gòu)證據(jù)。

　　“對(duì)于太陽(yáng)系歷史，我們有一個(gè)至少是基于地球的發(fā)展歷程的假設(shè)，”火星探測(cè)計(jì)劃(Mars Exploration Program)的首席科學(xué)家Michael Meyer表示，“我們目前擁有地球的模型和絕佳的數(shù)據(jù)，能推斷出我們的星球是如何形成和演化的。現(xiàn)在我們需要來(lái)自其他星球的數(shù)據(jù)，從而證實(shí)這些模型的正確性。”

　　一個(gè)可與之相比較的例子是開(kāi)普勒任務(wù)(Kepler mission)對(duì)太陽(yáng)系其他行星的特寫(xiě)，這促使科學(xué)家重新調(diào)整我們自己的假設(shè)。Meyer說(shuō)：“我們掌握了太陽(yáng)系是如何形成的模型，每個(gè)人都為此興奮不已，直到開(kāi)普勒任務(wù)發(fā)現(xiàn)大型(氣態(tài))的木星大小的行星緊密圍繞其他恒星運(yùn)行，而不是位于遠(yuǎn)處。我們意識(shí)到這些模型可能只適用于太陽(yáng)系，而并不一定能解釋其他星系的情形。”

　　該任務(wù)一直是洞察號(hào)首席調(diào)查員Bruce Banerdt的夢(mèng)想。在2006年初次嘗試被拒絕之后，他的改進(jìn)提案在2010年被采納，并在2012年申請(qǐng)項(xiàng)目資金時(shí)擊敗了兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。洞察號(hào)是NASA探索計(jì)劃(Discovery Program)的一部分，后者是一項(xiàng)成本上限的科學(xué)任務(wù)，由位于美國(guó)亞拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center)監(jiān)管。

　　噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的洞察號(hào)儀器系統(tǒng)工程師Troy Hudson表示：“幾十年來(lái)，Bruce一直試圖將地震儀帶上火星。”

　　洞察號(hào)，或者利用地震調(diào)查、大地測(cè)量和熱傳輸進(jìn)行的內(nèi)部勘探，都將使用地震儀和火星自轉(zhuǎn)時(shí)間，來(lái)確定火星的地幔和地核的構(gòu)造以及當(dāng)前的地?zé)峄顒?dòng)。雖然這項(xiàng)技術(shù)在地球上已經(jīng)存在了幾十年，但要使其在火星上實(shí)現(xiàn)完整的著陸和運(yùn)行卻需要一種國(guó)際化思維。法國(guó)、德國(guó)、瑞士和英國(guó)的研究機(jī)構(gòu)幫助設(shè)計(jì)了部分儀器，而位于丹佛的洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin Space)則完整設(shè)計(jì)了這種航天器。

　　美國(guó)對(duì)洞察號(hào)投資了8.138億美元，其中包括用于運(yùn)載火箭及服務(wù)、航天器和操作的1.63億美元。歐洲的主要投資者法國(guó)和德國(guó)還投資了1.8億美元，主要用于地震儀和熱流儀器。 在研發(fā)一項(xiàng)獨(dú)立但互補(bǔ)的任務(wù)——Mars Cube One(MarCO)計(jì)劃上，JPL和NASA的投資也超過(guò)1800萬(wàn)美元。

　　精心策劃的著陸

　　即使沒(méi)有空中起重機(jī)，洞察號(hào)的著陸也會(huì)像好奇號(hào)一系列精確的操作那樣扣人心弦。

　　這些高難度的動(dòng)作包括在巡航階段將著陸器和后殼分離，將隔熱罩轉(zhuǎn)向大氣層，使其以12度的角度撞擊，從而防止其燃燒或反彈。在離地表113公里處，溫度將超過(guò)982攝氏度，而洞察號(hào)將從2萬(wàn)公里每小時(shí)的速度迅速降至1600公里每小時(shí)，受到的壓力相當(dāng)于12個(gè)大氣壓。在離地表16公里處，洞察號(hào)將打開(kāi)一個(gè)超音速降落傘，拋棄隔熱罩，釋放著陸腿，并將雷達(dá)傳向地面以測(cè)量其距離和速度。

　　距離地面1.6公里處，著陸器部分將與后殼和降落傘分離。其后推進(jìn)器將點(diǎn)燃，將著陸器從后殼旋轉(zhuǎn)出來(lái)，使其在地表上軟著陸，并在著陸瞬間關(guān)閉，這樣就可保證著陸過(guò)程不出現(xiàn)意外。科學(xué)家選擇這一著陸點(diǎn)是因?yàn)槠涔庹粘渥恪�巖石缺乏、海拔低，可以確保擁有足夠的空氣安全著陸，哪怕是在沙塵暴中。

　　Hudson說(shuō)：“當(dāng)你為一件如此復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的事情付出了十年的心血，而這一切的成功與否都將取決于著陸的‘恐怖7分鐘’，對(duì)于我們這些參與這項(xiàng)任務(wù)的人來(lái)說(shuō)，這是生活中最痛苦的經(jīng)歷。”

　　為了在進(jìn)入、下降和著陸過(guò)程中繼數(shù)據(jù)，洞察號(hào)還將與一個(gè)單獨(dú)的飛越任務(wù)——Mars Cube One(MarCO)配對(duì)，后者是兩顆首次發(fā)射的太空微型CubeSats衛(wèi)星，也是洞察號(hào)的伴飛衛(wèi)星。一旦成功著陸，該著陸器將展開(kāi)其太陽(yáng)能電池板并開(kāi)始充電，但在兩個(gè)月后該設(shè)備才能正常運(yùn)行。具體來(lái)說(shuō)，機(jī)械臂從甲板上解鎖需要兩天;機(jī)載攝像機(jī)需要進(jìn)行10-15天的現(xiàn)場(chǎng)勘察;另外30-40天則用于有條不紊地將地震儀和熱流儀器放置在地表上。

　　Hudson表示：“這是這項(xiàng)任務(wù)的一部分，需要同時(shí)進(jìn)行工作的人數(shù)最多，對(duì)于洞察號(hào)，這也是史無(wú)前例的。我們從未部署過(guò)如此精密的儀器，使遠(yuǎn)程操作與著陸器分離。”

　　給火星“把把脈”

　　當(dāng)火星在其軸上旋轉(zhuǎn)并繞太陽(yáng)運(yùn)行時(shí)，會(huì)像陀螺一樣擺動(dòng)，因?yàn)樘��?yáng)會(huì)將其拉離又推回其軌道(就像地球那樣)。我們目前已經(jīng)知道火星在每個(gè)火星年都會(huì)更新頻率，但我們不知道具體的規(guī)律。這種變化將幫助科學(xué)家確定火星內(nèi)核的大小和組成。如果內(nèi)核為液體，則將產(chǎn)生更大的擺動(dòng)頻率。

　　RISE(Rotation and Interior Structure Experiment，旋轉(zhuǎn)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn))包括飛行器頂部的兩個(gè)X波段天線，它們將無(wú)線電信號(hào)發(fā)送到地球上的接收站，供科學(xué)家跟蹤和測(cè)量。當(dāng)“洞察號(hào)”隨行星旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們的表觀頻率將發(fā)生變化。由多普勒效應(yīng)引起的頻率變化使得RISE團(tuán)隊(duì)能夠測(cè)量“洞察號(hào)”航天器與地球上的接收站之間的距離，通常是在幾十厘米之內(nèi)的范圍內(nèi)，但這也比十億分之一的距離要好得多。

　　觀察頻率變化并測(cè)量在洞察號(hào)執(zhí)行任務(wù)的這一個(gè)火星年(大約兩個(gè)地球年)內(nèi)的擺動(dòng)程度將最終表明火星的內(nèi)核是液體還是固體。

　　這也將成為解釋地球弱磁場(chǎng)的一步。普遍認(rèn)為，像地球一樣強(qiáng)大的磁場(chǎng)對(duì)生命有益，因?yàn)樗�偏轉(zhuǎn)了太陽(yáng)的大部分太陽(yáng)風(fēng)，降低了太陽(yáng)剝離行星大氣層的能力。地球液態(tài)鐵外核內(nèi)的旋流對(duì)流產(chǎn)生了這種“行星發(fā)電機(jī)”。火星缺乏強(qiáng)大的磁場(chǎng)，可能是由于外核較薄或缺少液體，這很可能是火星早期大氣因太陽(yáng)風(fēng)剝落而消失的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

　　SEIS監(jiān)測(cè)火星地震

　　SEIS(Seismic Experiment for Interior Structure，內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn))將通過(guò)地震波測(cè)量火星的內(nèi)部活動(dòng)和結(jié)構(gòu)，這些地震波來(lái)自于火星的地震、隕石撞擊、山崩、沙塵暴和由于火星兩個(gè)衛(wèi)星的引力引起的地殼潮汐。當(dāng)?shù)卣鹉芰看┻^(guò)火星時(shí)，地震波會(huì)在層邊界處反射，并隨著其經(jīng)過(guò)的物質(zhì)性質(zhì)的變化而彎曲。

　　Hudson說(shuō)：“地震學(xué)就像用超聲波來(lái)檢查身體。不同的震源，如地震或撞擊，會(huì)產(chǎn)生具有獨(dú)特特征的波，正如樂(lè)器的不同音色。”

　　地震儀通過(guò)彈簧和重物檢測(cè)垂直地面運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生以數(shù)字方式記錄的電壓。“海盜號(hào)(Viking)”著陸器上搭載的地震儀已有40年的歷史，與之相比，SEIS大大改進(jìn)，它甚至具有可以檢測(cè)小于氫原子寬度的振動(dòng)的靈敏度。

　　這種靈敏度需要細(xì)心保護(hù)。在地球上，科學(xué)家將地震儀埋在地下，但在火星上無(wú)法做到。著陸后，洞察號(hào)的機(jī)械手臂將SEIS放置在地面上，然后在其上方放置一個(gè)圓頂形的蓋子，這是防風(fēng)熱罩。這個(gè)“便攜式孔”將保護(hù)SEIS免受火星100華氏度的溫度波動(dòng)影響，同時(shí)配有一個(gè)堅(jiān)韌聚脂材質(zhì)的鎧甲式裙邊，垂至地面，可以防止風(fēng)的振動(dòng)影響。

　　雖然火星的構(gòu)造較地球平靜，但科學(xué)家們預(yù)計(jì)，由于大氣層變薄、沒(méi)有水源，火星會(huì)經(jīng)歷更多可探測(cè)的隕石撞擊。如果SEIS檢測(cè)到任何信息，它將與火星勘測(cè)軌道器(Mars Reconnaissance Orbiter)協(xié)調(diào)以進(jìn)行圖像確認(rèn)。

　　“如果洞察號(hào)捕獲了某些撞擊信息，而且我們認(rèn)為這些撞擊發(fā)生在火星的某個(gè)區(qū)域，就可以確認(rèn)是否新的撞擊物，”Hudson說(shuō)。科學(xué)家們非常希望能在洞察號(hào)為期兩年的任務(wù)中檢測(cè)到5至10顆流星撞擊。

　　除了這些高能量的地震事件，SEIS還能檢測(cè)到更慢的變化。他補(bǔ)充道：“我們還將看到火星在潮汐中如何彎曲和膨脹。就像衛(wèi)星的引力使地球產(chǎn)生潮汐一樣，火星的衛(wèi)星(比地球小得多，但離它們的母行星更近)會(huì)導(dǎo)致地殼的起伏。這片土地的潮汐運(yùn)動(dòng)幅度非常小，是毫米級(jí)的。地震儀可以測(cè)量它升降的速度，由此我們可以分析地殼的厚度。地殼越厚，運(yùn)動(dòng)幅度也會(huì)越小。”

　　Hudson說(shuō)，不出所料，SEIS的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性，最終導(dǎo)致探測(cè)器推遲發(fā)射。由于極高的靈敏度，SEIS需要被密封在真空中。但設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一直在跟蹤檢測(cè)是否存在緩慢的空氣泄漏情況。事實(shí)證明，真空兩側(cè)的儀器組件之間存在連接，需要完整的設(shè)計(jì)和制造加以檢修。

　　這一延誤造成約1.5億美元的成本超支，并且直接導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)了2016年的發(fā)射時(shí)機(jī)，需要再等26個(gè)月才能獲得下一次火星發(fā)射機(jī)會(huì)。但是這段額外的時(shí)間也使得Hudson的團(tuán)隊(duì)能夠?qū)θ蝿?wù)中獨(dú)一無(wú)二的熱流儀器進(jìn)行改進(jìn)。

　　HP3給火星測(cè)“體溫”：“這種儀器前所未有。”

　　最后部署的儀器是HP3(Heat Flow and Physical Properties Package，熱流和物理特性包)，用于測(cè)量火星內(nèi)部的熱量，這些熱量來(lái)自于行星形成的剩余以及放射性元素的衰變。這與形成火星表面、形成太陽(yáng)系中一些最高的山峰和高度是珠穆朗瑪峰三倍的火山所需的熱量相同。最重要的是，限制熱流將有助于解決一系列問(wèn)題，例如火星、地球和月球是否像科學(xué)家所認(rèn)為的那樣由同一物質(zhì)演變而來(lái)，以及當(dāng)前火星在地質(zhì)上的活躍程度等。

　　但HP3的具體數(shù)據(jù)采集必須發(fā)生在地表以下。為了避免地表溫度波動(dòng)，讀數(shù)必須在地下3到5米(約10到16英尺)。為此，工程師設(shè)計(jì)了一種自鉆孔圓柱形探針，或稱“鉆孔機(jī)(mole)”，將其連接在一根長(zhǎng)系繩上，內(nèi)嵌溫度傳感器，其測(cè)量精度達(dá)到百分之一度。探針內(nèi)部的一個(gè)機(jī)械裝置能使其鉆出5米的深度，這比人類在任何其他行星、衛(wèi)星或小行星上挖的都要深。 鉆孔完成后，拉動(dòng)探針后方的長(zhǎng)繩即可。

　　Hudson解釋道：“隨著鉆孔機(jī)逐漸穿入地下，它會(huì)定期停止并測(cè)量地面的導(dǎo)熱系數(shù)。一旦達(dá)到最終深度，嵌入式傳感器將反饋地下溫度隨深度的變化，這就是地?zé)崽荻取Ｎ覀冾A(yù)計(jì)5米以上的溫度增幅只有1到2度。這個(gè)變化非常小，但對(duì)于HP3的溫度傳感器來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。深入地下極具挑戰(zhàn)，但越深，獲得的數(shù)據(jù)就越真實(shí)。”

　　鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)：它必須是一個(gè)重量小于1公斤的獨(dú)立鉆井裝置，能夠在10瓦的可用功率下運(yùn)行，強(qiáng)度能夠穿透各種行星土壤類型，并且足夠堅(jiān)固，能夠承受鉆孔錘擊過(guò)程中自身施加的猛烈加速。除上述要求之外，還需包含一些精密的溫度和方向傳感器。

　　Hudson說(shuō)：“以前沒(méi)有人能夠創(chuàng)造出像這樣的裝置，能夠在資源匱乏的情況下自行穿透到行星的地下。HP3的鉆孔裝置可以同時(shí)產(chǎn)生超過(guò)10000個(gè)大氣壓的強(qiáng)烈錘擊，可以承受上萬(wàn)倍的猛烈沖擊，而且耗電比Wi-Fi路由器少，重量也只比一雙鞋重一些。”

　　該儀器還將提供一批額外數(shù)據(jù)。

　　Hudson補(bǔ)充道：“這個(gè)過(guò)程將持續(xù)30天左右，鉆孔機(jī)將每隔4天錘擊幾個(gè)小時(shí)，產(chǎn)生SEIS能夠捕獲的振動(dòng)，從而使用該信息來(lái)分析著陸探測(cè)器附近的地下情況，例如基巖層的深度。這并不是我們火星任務(wù)的要求之一，但我們希望能夠充分利用這一次來(lái)之不易的火星之旅。”

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