話宇專欄丨「洞察號」終登陸火星！人類即將揭開火星的「內心秘密」

原標題：話宇專欄丨「洞察號」終登陸火星！人類即將揭開火星的「內心秘密」

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北京時間 2018 年 11 月 27 日 3 點 54 分，備受矚目的「洞察號」（InSight）探測器在經歷了 205 天、超過 4.84 億公里的飛行後成功著陸火星，接下來，它將在 2019 年 3 月前完成所有儀器的配置，並開始人類歷史上首次、為期一個火星年（地球上 687 天）的火星地質勘探。

著陸演示動畫

在進入到下降和著陸階段（EDL）後，「洞察號」由於在車身設計上很大一部分是繼承了鳳凰號（Phoenix）火星探測器，所以在下降過程中，成熟的「反推火箭+降落傘+隔熱盾」的組合被繼續沿用。

圖丨慶祝場景（來源：NASA）

而在此前一直被反覆提及的所謂「恐怖七分鐘」（7 Minutes of Terror）之中，「洞察號」經歷的每一秒都可以說是動人心魄：

著陸前 13 分鐘，著陸器與巡航段分離；

進入中，著陸器達到 17,300km/h 的速度，熱防護前罩啟用；

進入中，降落傘展開，著陸器速度降至 431km/h；

著陸前 5 分鐘，熱防護前罩分離；

著陸前 2 分鐘 37 秒，著陸器與熱防護背罩分離，期間著陸支腿展開；

著陸前 42s，進入最後著陸階段，速度降至 8km/h。

這幾年，雖然圍繞著火星這顆紅色星球的話題一直熱度不減，「鋼鐵俠」馬斯克更是表示自己創辦 SpaceX 的初心不會改，依舊有 70% 的可能性會親自登陸火星。但無論是從科學觀測還是探測器實地研究的角度來看，人類對於火星的認知依舊過於匱乏，尤其是對於火星內部的結構，可以說是一無所知。

圖丨「洞察號」拍攝的首張火星照片（來源：NASA）

為了「洞察」火星內部的結構，揭開太陽固態行星形成和演化之謎，2018 年 5 月 5 日，延宕 2 年的「洞察號」搭乘宇宙神 V－401 型運載火箭從范登堡空軍基地出發，踏上了探秘火星內心奧秘的冒險之旅。

InSight：可不只「洞察」這麼簡單

為什麼會被命名為「洞察號」，有的人會聯想到它的火星探測器前輩們，畢竟，「洞察」似乎是在鼓足「勇氣」、抓住「機遇」和滿足「好奇」之後最順理成章、自然而然的操作。但實際上，InSight 的命名可遠沒有這麼簡單。

「洞察號」的全稱為「通過地震調查、測地學及熱傳導研究火星內部結構的探測器」（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，簡稱 InSight）。是人類首個研究火星內部的探測任務，也是美國火星無人探測項目的重要部分。

圖丨「洞察號」探測器（來源：NASA）

「洞察號」原計劃 2016 年 3 月發射，但由於其搭載的地震測量儀主要感測器出現真空密封不嚴問題，發射被迫推遲。而這次推遲不僅直接導致「洞察號」的預算成本因為重新設計地震測量儀和任務延遲而從 6.75 億美元上漲到超過 9.93 億美元。更重要的是，發射時間錯過，「洞察號」需要再耗費兩年，等待 2018 年 5 月份的最佳「奔火」窗口。

對於「洞察號」的期待，科學家希望通過它可以了解火星內核大小、成分和物理狀態、地質構造，以及火星內部溫度、地震活動等情況。目的是想嘗試回答一個科學界最基本的問題：行星是如何形成的？

圖丨火星內部結構設想（來源：NASA）

所以，為了方便「洞察號」開展作業，經過長達四年的考察和探討，NASA 的科學家們為它選擇了一個十分平坦的著陸地點——艾利希平原（Elysium Planitia），該區域的中心位置坐標為北緯 4.5°、東經 135°，距離好奇號探索的蓋爾撞擊坑（Gale Crater）不太遠。

選擇這一區域的好處是顯而易見的，不僅緯度較低、靠近赤道，探測器有條件獲得更多的光照以確保它的太陽能板可以產生足夠多的電能來滿足「洞察號」的運行，更重要的是，該區域地勢平坦，可以確保「洞察號」安全著陸。

圖丨「洞察號」探測器著陸點（來源：NASA）

除了在登陸細節上做足功夫，NASA 也保持了其一貫的吸引粉絲的能力，為了可以讓更多的人參與到「火星探索」的任務中、滿足天文愛好者們「飛向火星」的心愿，在 2015 年、2016 年和今年，NASA 多次向外界徵集過姓名，最終，共有 240 萬名申請者（其中有 26 萬名中國人）的名字被刻在兩枚特製晶元上，隨「洞察號」一同登陸火星。

「InSight」如何洞察火星？

在了解「洞察號」是如何在火星表面開展具體工作之前，我們首先必須要提一下在這趟火星之旅過程中勞苦功高的兩顆中繼通信立方星——MarCO-A 和 MaCO-B，它們也是首批進入深空的立方星，為了展現一個更為親近可愛的形象，研發人員將其命名為經典動畫電影《機器人總動員》中的兩個主角——「瓦力」和「伊娃」。

圖丨中繼通信立方星（來源：NASA）

這兩顆立方星是由噴氣推進實驗室（JPL）研製，互為備份，成本約為 1850 萬美元，各有 8 個高壓冷氣推進器。它們在「洞察號」下降和著陸階段（EDL）承擔探測器與地球之間的通訊中繼工作，第一時間向地球傳回探測器的著陸狀況，以往火星著陸任務中「恐怖七分鐘」的信號失聯沒有再出現，因為這 7 分鐘里，「洞察號」通過兩顆立方星可向地球實時傳輸 8kbps 的數據。

當然，這次的 MarCO-A 和 MaCO-B 兩顆立方星中繼通信作為首次測試性應用，也為未來深空探索的不間斷、高效率通信提供了驗證的借鑒。

回到本次的主角，「洞察號」之所以可以實現人類首次的火星內部探測，還得益於其搭載的三部主要的科學儀器：——火星內部結構地震測量儀、熱流及物理特性探頭以及「旋轉和內部結構實驗儀」。而為了配合探頭的放置，「洞察號」上還有一支長 2.4m 的設備部署機械臂（Instrument Deployment Arm, IDA）。

圖丨「洞察號」主要儀器（來源：NASA）

作為「洞察號」的主要儀器設備，「火震儀」——火星內部結構地震測量儀（Seismic Experiment for Interior Structure, SEIS）是法國空間研究中心（CNES）提供，由兩個三軸地震儀組成，可防風的地震測量儀靈敏度極高，足以「感知」尺度為氫原子半徑的地面運動，記錄 4-5 級的「火星震」或隕石衝擊所引發的震波。此前正是由於該儀器的故障而導致任務推遲。

第二個重要的設備為「鼴鼠」——熱流及物理特性探頭（Heat Flow and Physical Properties Package, HP3），由德國航天局（DLR）提供，這台儀器能夠像「鼴鼠打洞」一樣在地面上鑽出 3 米至 5 米的深坑，測量火星內核釋放的熱流數據。

圖丨「洞察號」的機械臂（來源：NASA）

另一個設備是旋轉和內部結構實驗儀（Rotation and Interior Structure Experiment, RISE），由 JPL 研製。可以通過火星與地球間的無線電傳輸，來評估火星繞軸旋轉產生的擾動，用以提供火星內核大小的線索。

除此之外，「洞察號」還將裝備兩台進行觀測的相機——設備部署相機（Instrument Deployment Camera, IDC）和設備全景相機（Instrument Context Camera, ICC），這兩台相機的主要目的都是為了方便監測將儀器設備放置在火星表面上的操作，也能用來拍攝探測器周圍的環境景色。而生成的氣壓、溫度和風速等數據主要用於地震儀數據的噪音修正，也可以用於火星天氣研究。

即將到來的「火星探測熱潮」

偉大的目標似乎永遠是和冒險的行為緊密聯繫在一起的，在馬斯克發出「要在火星上退休」的豪言壯語之後，火星的受關注度持續上升。但實際上，NASA 和其他航天局自 20 世紀 60 年代初以來已經實施了幾十次火星無人探測任務，在 2000 年發布「火星探測計劃」（MEP）之後，NASA 已成功開展了奧德賽、勇氣號、機遇號、火星勘測軌道器、鳳凰號、好奇號和 MAVEN 等 7 個火星探測器的設計和運行。但放眼 2020 年之後，我們會發現世界各國將掀起新的一輪火星探測熱潮。

其中知名的項目包括 NASA「火星探測計劃」中的第 9 顆火星探測器——將於 2020 年 7 月發射的火星 2020（ Mars 2020）。作為一款核動力火星車，火星 2020 可以看作是「好奇號」火星車的後繼型號。不過，與好奇號等以往的火星探測任務不同，自動化程度更高的「火星 2020」新核動力火星車將收集岩石樣品，並將樣品用密封罐儲存起來，放置於火星表面，以便被未來任務的航天器帶回地球。

圖丨Mars 2020（來源：NASA）

對於以深空探測見長的歐空局來說，火星是不能落下的一站，而他們搶佔 2020 年時間點的任務就是「火星太空生物」(ExoMars) 的第二階段。在該任務中，歐空局將和俄羅斯進行合作，由俄羅斯方打造登陸平台，歐空局提供火星探測車。車上面搭載雙方的科學儀器，主要將尋找在火星上的生物生命標記。根據俄羅斯航天集團總經理德米特里·羅戈津此前的說法，「探測車將會在 2021 年 3 月 19 日登陸！」

圖丨ExoMars 探測車（來源：ESA）

而中國在經歷了 2011 年「螢火一號」的失敗之後也再次重拾起火星探索的規劃，2016 年 1 月 11 日，中國正式批複首次火星探測任務，中國火星探測任務正式立項，並將在 2020 年左右發射一顆火星探測衛星。通過一次發射，實現火星環繞和著陸巡視探測，即通過環繞探測，開展火星全球性和綜合型的探測，通過巡視探測，開展火星表面重點區域高精度、高分辨的精細探測。

除此之外，日本宇宙航空研究開發機構 (JAXA) 計劃於 2021 年向火星兩顆衛星中的「福波斯」發射探測器，在採集沙子和冰等樣品後返回地球。類似的採樣返回技術已經「隼鳥」小行星探測器上得以驗證；印度在 2014 年 9 月首個火星探測器「曼加里安」成功進入火星軌道後，也提出了新的火星探測計劃，包括與阿聯酋簽署協議，將為其發射中東國家的首顆火星探測器。

雖然時至今日，火星探測器的成功率仍然不足 50%，深空探測計劃也時常為經費和技術問題所掣肘，但各國極大的探索熱情還是預示著人類對火星的了解將上一個新的台階。

-End-

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