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

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

　　自5月5日成功發(fā)射后，洞察號將于美國東部時間11月26日下午3點，在火星赤道上一處名為 Elysium Planitia 的大平原著陸。這是“好奇號(Curiosity)”火星車著陸后的首次地面任務(wù)，該地點距離其著陸點約600公里。NASA將在加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)進行現(xiàn)場直播。據(jù)悉，該實驗室負責(zé)管理這項耗資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上共同見證這一時刻。

　　然而，與好奇號不同的是，由太陽能驅(qū)動的洞察號將持續(xù)正常運行，并使用三種儀器來研究火星的地震活動、旋轉(zhuǎn)擺動和地下溫度，從而確定火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地?zé)峄顒樱�以及其流動或�(qū)嵭牡膬?nèi)核。此前，NASA宣布了繼洞察號后的下一次火星著陸，即2020火星探測任務(wù)(Mars 2020)，該著陸旨在通過收集和緩存樣本來探尋古代生命的潛力，并返回地球進行進一步的研究。

　　

 

　　洞察號要執(zhí)行哪些任務(wù)?

　　洞察號收集的數(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始以相同的方式進化，但是目前卻只有地球有生命活動。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)千萬年前的結(jié)構(gòu)證據(jù)。

　　

 

　　“對于太陽系歷史，我們有一個至少是基于地球的發(fā)展歷程的假設(shè)，”火星探測計劃(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)在我們需要來自其他星球的數(shù)據(jù)，從而證實這些模型的正確性。”

　　一個可與之相比較的例子是開普勒任務(wù)(Kepler mission)對太陽系其他行星的特寫，這促使科學(xué)家重新調(diào)整我們自己的假設(shè)。Meyer說：“我們掌握了太陽系是如何形成的模型，每個人都為此興奮不已，直到開普勒任務(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行，而不是位于遠處。我們意識到這些模型可能只適用于太陽系，而并不一定能解釋其他星系的情形。”

　　該任務(wù)一直是洞察號首席調(diào)查員Bruce Banerdt的夢想。在2006年初次嘗試被拒絕之后，他的改進提案在2010年被采納，并在2012年申請項目資金時擊敗了兩個競爭對手。洞察號是NASA探索計劃(Discovery Program)的一部分，后者是一項成本上限的科學(xué)任務(wù)，由位于美國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。

　　噴氣推進實驗室的洞察號儀器系統(tǒng)工程師Troy Hudson表示：“幾十年來，Bruce一直試圖將地震儀帶上火星。”

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

　　

 

　　美國對洞察號投資了8.138億美元，其中包括用于運載火箭及服務(wù)、航天器和操作的1.63億美元。歐洲的主要投資者法國和德國還投資了1.8億美元，主要用于地震儀和熱流儀器。 在研發(fā)一項獨立但互補的任務(wù)——Mars Cube One(MarCO)計劃上，JPL和NASA的投資也超過1800萬美元。

　　精心策劃的著陸

　　即使沒有空中起重機，洞察號的著陸也會像好奇號一系列精確的操作那樣扣人心弦。

　　這些高難度的動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982攝氏度，而洞察號將從2萬公里每小時的速度迅速降至1600公里每小時，受到的壓力相當(dāng)于12個大氣壓。在離地表16公里處，洞察號將打開一個超音速降落傘，拋棄隔熱罩，釋放著陸腿，并將雷達傳向地面以測量其距離和速度。

　　距離地面1.6公里處，著陸器部分將與后殼和降落傘分離。其后推進器將點燃，將著陸器從后殼旋轉(zhuǎn)出來，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程不出現(xiàn)意外。科學(xué)家選擇這一著陸點是因為其光照充足、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：“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’，對于我們這些參與這項任務(wù)的人來說，這是生活中最痛苦的經(jīng)歷。”

　　為了在進入、下降和著陸過程中繼數(shù)據(jù)，洞察號還將與一個單獨的飛越任務(wù)——Mars Cube One(MarCO)配對，后者是兩顆首次發(fā)射的太空微型CubeSats衛(wèi)星，也是洞察號的伴飛衛(wèi)星。一旦成功著陸，該著陸器將展開其太陽能電池板并開始充電，但在兩個月后該設(shè)備才能正常運行。具體來說，機械臂從甲板上解鎖需要兩天;機載攝像機需要進行10-15天的現(xiàn)場勘察;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：“這是這項任務(wù)的一部分，需要同時進行工作的人數(shù)最多，對于洞察號，這也是史無前例的。我們從未部署過如此精密的儀器，使遠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)并繞太陽運行時，會像陀螺一樣擺動，因為太陽會將其拉離又推回其軌道(就像地球那樣)。我們目前已經(jīng)知道火星在每個火星年都會更新頻率，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)生更大的擺動頻率。

　　RISE(Rotation and Interior Structure Experiment，旋轉(zhuǎn)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)實驗)包括飛行器頂部的兩個X波段天線，它們將無線電信號發(fā)送到地球上的接收站，供科學(xué)家跟蹤和測量。當(dāng)“洞察號”隨行星旋轉(zhuǎn)時，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團隊能夠測量“洞察號”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。

　　觀察頻率變化并測量在洞察號執(zhí)行任務(wù)的這一個火星年(大約兩個地球年)內(nèi)的擺動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的一步。普遍認為，像地球一樣強大的磁場對生命有益，因為它偏轉(zhuǎn)了太陽的大部分太陽風(fēng)，降低了太陽剝離行星大氣層的能力。地球液態(tài)鐵外核內(nèi)的旋流對流產(chǎn)生了這種“行星發(fā)電機”�；鹦侨狈�強大的磁場，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風(fēng)剝落而消失的罪魁禍首。

　　SEIS監(jiān)測火星地震

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

　　Hudson說：“地震學(xué)就像用超聲波來檢查身體。不同的震源，如地震或撞擊，會產(chǎn)生具有獨特特征的波，正如樂器的不同音色。”

　　地震儀通過彈簧和重物檢測垂直地面運動，其運動產(chǎn)生以數(shù)字方式記錄的電壓。“海盜號(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，它甚至具有可以檢測小于氫原子寬度的振動的靈敏度。

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

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

　　“如果洞察號捕獲了某些撞擊信息，而且我們認為這些撞擊發(fā)生在火星的某個區(qū)域，就可以確認是否新的撞擊物，”Hudson說�？茖W(xué)家們非常希望能在洞察號為期兩年的任務(wù)中檢測到5至10顆流星撞擊。

　　除了這些高能量的地震事件，SEIS還能檢測到更慢的變化。他補充道：“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)會導(dǎo)致地殼的起伏。這片土地的潮汐運動幅度非常小，是毫米級的。地震儀可以測量它升降的速度，由此我們可以分析地殼的厚度。地殼越厚，運動幅度也會越小。”

　　Hudson說，不出所料，SEIS的設(shè)計極具挑戰(zhàn)性，最終導(dǎo)致探測器推遲發(fā)射。由于極高的靈敏度，SEIS需要被密封在真空中。但設(shè)計團隊一直在跟蹤檢測是否存在緩慢的空氣泄漏情況。事實證明，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)致錯過了2016年的發(fā)射時機，需要再等26個月才能獲得下一次火星發(fā)射機會。但是這段額外的時間也使得Hudson的團隊能夠?qū)θ蝿?wù)中獨一無二的熱流儀器進行改進。

　　HP3給火星測“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)，用于測量火星內(nèi)部的熱量，這些熱量來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題，例如火星、地球和月球是否像科學(xué)家所認為的那樣由同一物質(zhì)演變而來，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，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)計了一種自鉆孔圓柱形探針，或稱“鉆孔機(mole)”，將其連接在一根長系繩上，內(nèi)嵌溫度傳感器，其測量精度達到百分之一度。探針內(nèi)部的一個機械裝置能使其鉆出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，拉動探針后方的長繩即可。

　　Hudson解釋道：“隨著鉆孔機逐漸穿入地下，它會定期停止并測量地面的導(dǎo)熱系數(shù)。一旦達到最終深度，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5米以上的溫度增幅只有1到2度。這個變化非常小，但對于HP3的溫度傳感器來說已經(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。”

　　鉆孔機的設(shè)計也面臨著巨大的挑戰(zhàn)：它必須是一個重量小于1公斤的獨立鉆井裝置，能夠在10瓦的可用功率下運行，強度能夠穿透各種行星土壤類型，并且足夠堅固，能夠承受鉆孔錘擊過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：“以前沒有人能夠創(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產(chǎn)生超過10000個大氣壓的強烈錘擊，可以承受上萬倍的猛烈沖擊，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補充道：“這個過程將持續(xù)30天左右，鉆孔機將每隔4天錘擊幾個小時，產(chǎn)生SEIS能夠捕獲的振動，從而使用該信息來分析著陸探測器附近的地下情況，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之不易的火星之旅。”

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本文標題：歷時十年，耗資超8億美元​，洞察號火星探測器明日凌晨將“溫柔”觸地

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