美国“洞察号”探测器登陆火星

天の川

经过逾6个月的飞行，美国洞察号火星探测器终于在北京时间2018年11月27日03:56在火星安全着陆。洞察号是2018年5月5日由宇宙神5号火箭发射升空的。这是美国首次从西海岸的范登堡空军基由西向东发射空间探测器，原因是宇宙神5号的推力足够大，发射窗也更为适宜。


洞察号在火星着陆示意图
整个任务分为发射、巡航、进入下降和着陆（EDL）、表面操作等四个阶段。它是第一个探测火星深层的航天器，将通过倾听火星地震和测量它的热量输出来研究火星的内部结构，揭示岩质行星的形成，填补火星地球物理空白，更好地了解其他岩石行星（包括地球）是如何诞生的。

1、探测火星不容易

至今，人类已发射了40多个火星探测器，成功率约50%，所以火星被称为“探测器坟场”或“死亡星球”。其主要原因是火星距地球遥远，探测器要飞几亿千米才能到达火星，所以对轨道、控制、通信和电源等技术都提出了很高要求。

例如，探测器进入火星轨道的难度被比喻为从巴黎打一个高尔夫球，正好落到东京的某个球洞里。这是由于通信延时很长，所有数据都要提前注入。在探测器切入火星轨道过程中，如果切入点离火星过远，则不能被火星的引力捕获而掠过火星；如果切入点离火星太近，则可能坠毁于火星大气层。

火星环境复杂、恶劣也是造成火星探测器经常“阵亡”的主要原因。火星大气密度只有地球大气密度的1%，因而辐射严重。火星上的沙尘暴也很大，有时是地球上12级台风的6倍，时间可达半年，今年机遇号就是因沙尘暴而“牺牲”（最新消息：还有可能复活）。


今年因沙尘暴而停止工作的美国机遇号火星车
2、在火星着陆更难

探测器在火星表面着陆的难度更大。因为在探测器进入火星大气时离地球很远，遥测和遥控信号比较微弱；另外，当探测器运动到火星背面时，地球上无法准确地确定其轨道参数，这就给再入高度的选择带来困难。

进入火星大气层后，探测器防热措施如何？降落伞、气囊和缓冲火箭能否按程序工作，都至关重要，必须非常精确，整个过程要经历所谓的“恐怖7分钟”。一名美国科学家曾形容火星探测器着陆时的心情，就好像丈夫在产房外等待妻子分娩一样。所以，探测器在火星着陆的技术十分复杂，每个环节都不能有闪失。许多探测器都因此功亏一篑。

例如，1999年9月23日，美国“火星气候轨道器”在即将进入预定轨道前烧毁后，原因是在轨道切入操作中，由于英制和公制单位的混淆而造成导航误差，使其飞离火星太近而烧毁。


功亏一篑的美国“火星气候轨道器”
2016年10月20，欧洲“火星生物学-2016”中的“夏帕雷利”进入、降落和着陆演示器在着陆前与地面失去了联系，原因由一个仅一秒的计算失误所致，提前将降落伞与防热罩分离，导致“夏帕雷利”硬着陆而撞毁。


“夏帕雷利”着陆火星过程示意图
3、三种方式如何选

目前，探测器在火星软着陆方式主要有三种，每种方案都各有优缺点。

一是气囊弹跳式。这种方式比较简单，成本低，但只能满足重量小的探测器软着陆要求，且着陆精度不高。美国“火星探路者”、“火星漫游者”（勇气号和机遇号火星车）都采用降落伞＋气囊弹跳方式。


气囊弹跳式
二是反推着陆腿式。这种方式复杂一些，成本高，可满足重量较大的探测器软着陆要求，着陆精度较高。美国海盗号、凤凰号、洞察号和欧洲的猎兔犬2号、“夏帕雷利”都采用降落伞＋缓冲发动机反推＋着陆腿方式。


洞察号采用反推着陆腿式在火星着陆示意图
三是空中起重机式。这种方式最为复杂，成本最高，技术最先进，可满足重量更大的探测器软着陆要求，能精确着陆。美国“火星科学实验室”采用降落伞＋缓冲发动机反推＋空中起重机方式。


好奇号通过降落伞和空中起重机方式在火星表面着陆
为了载人登火星，美国还在研制“低密度超声速减速器”(LDSD)。它可用于大型航天器在火星着陆登，也能为大型载荷安全返回地球提供保障的突破性技术,但十分复杂,试验多次失败，所以还需要走较长的路。

4、洞察号采用反推式

洞察号与之前在火星北极着陆的凤凰号的着陆方式一样，采用反推着陆腿式，具体过程如下。

E－6.3分钟，开始执行进入程序（E代表进入大气层时刻）；

E－0.5分钟，完成进入姿态调整；

E－0秒，高度128千米，速度5.9千米/秒，进入角α=－12°；

E＋99秒，最大受热点，高度44.2千米；

E＋117秒，最大减速度7.9g；

E＋223秒，张开降落伞，高度12千米，速度415米/秒；

E＋238秒，抛防热屏蔽壳，高度10.3千米，速度132米/秒；

E＋300秒，雷达开始工作，高度5.5千米；

L－43秒，着陆器与钟形罩分离，高度1.1千米，速度61米/秒（L表示着陆时刻）；

L－40秒，重力调整，高度0.9千米；

L－16秒，恒速下降，高度51米，速度7.8米/秒；

L＋0秒~L＋15分钟，等待降尘；

L＋7秒，各种展开用火工品开始点火；

L＋25分钟，太阳电池翼展开。


洞察号进入、下降和着陆时序图
5、着陆在极乐净土

洞察号在升空后飞行4.85亿千米，于2018年11月26日在火星北半球赤道附近的埃律西昂平原（Elysium Planitia）着陆，这是传说中的极乐净土。


洞察号着陆的椭圆区域，大约130千米长，27千米宽
埃律西昂平原位于火星赤道附近（北纬3.0°，东经154.7°），是一片平坦的熔岩平原，着陆场是位于平原的西边缘长130千米、宽27千米的椭圆区域。在着陆安全性、热控、光照、测控通信等方面具有较为有利的条件和较强的工程可实现性。它靠近火星的赤道，阳光充足，这对采用太阳能电源的洞察号有利；其海拔较低、地势平坦，这对着陆来讲相对安全。


美国各火星着陆器着陆点的火星地形图，红区代表高处，蓝区代表低处
其着陆点的选址花了4年时间。由于洞察号是研究火星内部的结构，因此需要选择“表皮”比较薄的地方。二是洞察号是原位式探测器，因此着陆点必须平坦。三是为了钻开火星地表浅层往下埋放探针，因此还要找个平坦松软的地方。四是着陆点要足够明亮和温暖，为探测器提供充分的太阳能。

为了使洞察号能够获得足够的太阳能，刚开始着陆点选在南纬15°~北纬5°，后来缩小到北纬3~5°，具体着落坐标点为：北纬4.5°、东经135.0°。因为这里地势平坦，没有沟壑，阳光充足，能为太阳能电池板充电。另外，该着陆点离好奇号火星车600千米，并且能跟目前运行的几个火星轨道器通信。为了在着陆过程中有足够厚的大气层来保证降落伞的缓冲需要，着陆点要低于火星大地水准面以下2.5千米，地形坡度要小于15°，石头不能太多，风化层较松软，方便着陆和钻5米深的孔。


火星的埃律西昂平原
6、由三大部分组成

洞察号器主要包含巡航级，进入、下降和着陆系统，以及着陆器三大部分，巡航级将携带着陆器和着陆系统完成地球到火星的旅程，进入、下降和着陆系统包括保护罩、降落伞和下降级，着陆器则是在火星表面开展探测工作的核心部件。

其重量为360千克，最大宽度约6米，有两块能像纸扇一样展开的圆形太阳能电池板提供电源，各太阳电池板直径为2.2米，携带了更先进的科学探测仪器。


能像纸扇一样展开的圆形太阳能电池板
着陆后，洞察号展开为期2年的原位勘测，首次探索火星深处的内部。在此之前人类总计开展的47次火星探测都是研究火星全球、地表、大气和磁场等。执行任务期间，洞察号将总共发回超过30GB的数据。

由于洞察号可探寻太阳系内除地球外的岩石星球内部构造，所以可为是否在其上建造永久建筑物提供参考；还能帮助科学家拼凑40多亿年前陆地世界的形成过程；也可了解火星内部温度信息，研究火星天气，揭示太阳风、宇宙射线和带电粒子如何通过大气传播冲击火星表面。其获得的所有信息对未来人类登陆火星具有重要参考价值。


洞察号着陆视图的艺术画
7、将聆听火星之音

洞察号像一台科学的时间机器，为火星做CT，能带回关于45亿年前火星形成的最早阶段的信息。它将通过观测火星地震来研究火星的地壳、地幔和地核结构，获得火星构造和太阳系中其他岩石星球的研究数据，了解多岩石天体是如何形成的，包括地球，月球，甚至其他太阳系中的行星，将帮助科学家们理解火星在亿万年间的变化，即通过火星了解太阳系中包括地球在内的类地行星的起源与演化过程。


洞察号内部设备
它有两大科学任务：一是通过探测火星内部地震活动的规模、频率和地理分布以及陨石撞击火星表面的频率，来确定目前火星地质构造活动的级别以及陨石撞击火星的频率；二是通过调查火星内部结构和活动过程，研究类地行星的形成和演化过程，它包括确定火星内部的热状态、火星地幔的成分和结构、火星地壳的厚度和结构以及火星地核的尺寸、成分和物理状态（液体/固体）。


打造完毕洞察号火星着陆器
8、六个具体调查项目

为了窥视火星内部深层结构的奥秘，美国航空航天局为洞察号设定了6个具体调查项目：确定火星地核的大小、组成和物理状态；确定火星地壳的厚度和结构；确定火星地幔的组成和结构；确定火星内部的热态；测量火星内部地震活动的幅度、速率和地理分布；测量火星表面的陨石撞击率。

与其“前辈”不同的是，洞察号的考察不再“浮于表面”，而要探测火星内部，获得火星地质和内部结构方面的全新数据，提高很多火星参数的精度，并且研究内太阳系所有岩态行星演化的过程。


洞察号是首个专用于火星内部结构考察的探测器
其探头将钻入火星地下5米深处进行考察，测量温度和重力波动等，帮助科学家弄清火星的内核究竟是由液体还是固体构成的，由此研究火星及其他行星的构造及演化。它还将探测红色星球的旋转、地核厚度、地壳地幔结构、内部热能、构造运动、地震活动以及陨石对火星的撞击等多种情况。


洞察号着陆火星工作示意图，左下角的半圆形设备是地震仪
通过人类近50年的火星探测，现已对于火星的气候环境、表面物质、地形地貌、地质结构等有了比较全面的了解。为此，火星探测已由环绕全面普查朝着陆和巡视区域详查的方向发展，从探测火星环境向在火星上找水乃至生命的方向发展。

9、更注重科学探究

洞察号任务的特点是偏重科学研究，瞄准岩质行星形成过程；首次探测火星内部，深度研究火星内部活动。

它是一个纯火星地球物理探测器，主要目标是了解火星的内部结构，研究火星形成过程的早期发展历史。科学家将用它解决行星和太阳系科学众多基本问题之一，也就是40多亿年以前内太阳系岩态行星（包括地球在内）的形成过程。

由于洞察号将能探测火星地核、地幔和地壳的尺寸、厚度、密度和整体结构，以及热量从火星内部逃离的速度，所以可研究内太阳系的所有岩质行星演化过程，提高对这一过程的理解。


洞察号标识
以美国为主研制洞察号火星着陆器其实是一项国际合作项目。其中洞察号的管理、平台、组装、发射和运行以及部分科学探测仪器等由美国航空航天局的喷气推进实验室和洛马公司（研制巡航级和着陆器）等负责。

洞察号着陆器的3个主要科学载荷是法国的“内部结构地震实验仪”（SEIS，以下简称地震仪或火震仪）、德国的“热流和物理特性模块”（HP3，以下简称热流探头）和美国的“旋转和内部结构实验”（RISE）天线。


洞察号火星探测器结构图
10、探测火星的地震

地震仪是洞察号上最主要的科学探测仪器，由法国国家太空研究中心研制。该仪器的核心是装在钛合金球形真空容器内的3个高精度宽频带地震传感器，非常灵敏，能测量不到1/4氢原子直径（1-10米）的地面运动，记录火震或者陨石碰撞，精确掌握火震和其他火星内部活动，研究火星地壳和地幔对陨石撞击影响的响应，为了解行星的内部结构提供线索。因此，技术难度很大。

洞察号首席科学家布鲁斯?班纳特（BruceBanerdt）说，地震学揭示了地球数十亿年来的地质运动历史，作为岩石星球，火星也一定保存着其诞生时期的早期历史痕迹。“就像毛毛虫一定会变成蝴蝶，我们希望利用地震学了解整个行星是如何形成的。”


测试用机械臂部署的地震仪
地震仪用于精确地测量震动和火星内部其他活动，以更好地了解火星的历史和构造。它就像拍快照的相机一样，能拍下星球内部的影像，相当于给行星做CT扫描。火星上岩石开裂或发生相对移动时，产生的地震波会在整个星球内回荡。这些地震波的传播速度取决于它们的传播过程中通过的介质性质，因此速度会产生差异。地震仪可以检测这些地震波的强度、频率和传播速度，获知地震波所穿过的地质介质的信息。


地震仪的内部结构示意图。它就好比听诊器能监测火星地震信息
火星上每发生一次地震，洞察号就可对火星内部拍一张快照。在洞察号执行任务期间，它可以记录数十至数百次地震。火星的大气层稀薄，时常有小陨石穿过火星大气落在火星地表上，带来震动，这也会被地震仪记录。不过，这次只能在洞察号的着陆地点来测量火星地震，而不能像在地球上设置多个台站进行测量。


洞察号火星探测器结构图
其实，早在美国“阿波罗”载人登月时，航天员就在月球上放置过4台地震仪。在20世纪70年代末，美国海盗号火星着陆器也曾携带了地震仪，但这些地震仪没有接触火星表面，因为它们被装在着陆器顶部，且着陆器底部有减震器，所以没能有效记录到火星的地震信息。

11、将为火星量体温

热流探头是自穿透热流探针，用于把温度传感器打入风化层内，由德国航空航天中心研制，探测至地表下5米来自火星地核的热量，并帮助揭露火星的热历史。它要比以前火星车上的小铲子等工具厉害得多，能够深入火星地表以下更深处，测量火星内部的能量。


热流探头好比是一个温度计测量火星的热传导

左下角的热流探投能深入地表下5米，测量火星内部散逸的热量，并帮助揭露火星的热历史
“旋转和内部结构实验”（RISE）天线好比是一个小榔头测试火星的“膝跳反应”。它使利用探测器通信系统对行星旋转进行精确测量，即通过火星与地球之间的无线电传输来评估火星绕轴自转产生的扰动,从而更好的了解火星内部，为研究火星内核大小提供线索。

其上的风和大气温度传感器（TWINS）及高分辨率压力传感器由西班牙天体生物学中心研制，用于对着陆地点的天气进行监控，有助于科学家们排除火星天气环境对测量带来的扰动。所以，这次洞察号将允许科学家排除由天气引起的震动“噪音”，并综合这些真实数据，提供出最全面的地质“快照”。

12、机械臂用途广泛

洞察号的仪器部署机械臂（IDA）长2.4米，用于选择适合位置，部署地震仪和热流探头。在火星着陆后，洞察号用机械臂将地震仪和热流探头部署在火星表面上。这2台仪器分别测量微小的地面运动和监测火星内部热活动。

它将用相机和一系列环境敏感器监测火星天气和磁场变化。其上的仪器部署机械臂末端的挖斗机（CRAPPLE）用于抓住仪器。其仪器部署相机（IDC）是能指向的中分辨率相机，用于捕获着陆器甲板上仪器的黑白影像，并得到放置地震仪和热流探针的3D视图，可帮助有关专家引导仪器在火星表面部署。其仪器背景相机（ICC）是固定广角相机，用于扩大着陆器着陆区域的视野，预计第一张照片将在着陆后1小时内就可以拍摄，并在当天传回地球。


洞察号着陆器构型图
携带的磁强计用于测量由火星电离层造成的磁场干扰。电磁测深仪用于采集地壳厚度、地下水和地幔岩石圈的数据。


“旋转和内部结构实验”天线
科学家将通过这些先进的仪器探测到火星的各种“生命迹象”：通过地震仪探测它的“脉搏”，通过热流探头测量它的“体温”，通过“旋转和内部结构实验”天线观察它的“条件反射”。这些“生命迹象”，既是火星亿万年的成长记录，也是揭开太阳系内类地行星演化之谜的钥匙。结合上述各种来源的信息，科学家有望获得迄今最完整的火星全貌。研究人员将这种对火星“脉搏”、温度等情况的精准把握，称为对火星“45亿年来的第一次体检”。

13、大众名字上火星

在登陆火星的同时，洞察号会携带两个带有公众名字的微型芯片一同踏上火星的土地，以此激发公众对于火星探测的兴趣。从2015年开始，美国航空航天局就通过官网，让公众将自己的名字发送给洞察号的芯片，这些包含公众名字的信息保存在芯片上，将与洞察号一起前往火星，开启一场虚拟的火星之旅。在2015年8月，就有近82.7万人将自己的名字写在了洞察号的芯片上，但由于洞察号因故障推迟发射，所以收集的名字越来越多。


把有上万人名字的芯片放在洞察号上
为此，在2017年，美国航空航天局在洞察号上又新增了一枚微型芯片，以便公众将自己的名字上传。洞察号火星之旅的姓名收集活动于2017年11月1日截止，全球总共有240多万人的名字被刻在芯片上，其中美国人的名字有65.3万多，中国人的名字有26万多人（包括张国荣），俄罗斯人的名字有6.35万人。赤道几内亚人的名字最少，只有7人。这些名字的每个字母宽度仅为400纳米（人体头发的宽度有10万纳米），占用的体积极小，所以能够携带的数量很多。


名字随洞察号飞往火星的公众“船票”
14、探火首用立方星

其实，洞察号是与2颗名叫火星立方1号（Mars Cube One，MarCO）的6U立方体卫星一起飞往火星。这是立方体卫星首次用于执行深空探测任务，目的是看看立方体卫星能否在太空恶劣条件下幸存，在到达目的地后仍能执行任务。


工程师在对火星立方体1号进行测试
它们功能相同、互为备份，尺寸均为30厘米×20厘米×10厘米，由美国喷气推进实验室研制，用于在洞察号进入、下降和着陆火星时，展开它们的高增益天线为洞察号着陆器提供通信中继服务。如果成功，将开启立方体卫星在空间探测领域的应用，尤其是火星探测器在大气进入和下降阶段时可依靠这2颗立方体卫星进行中继通信。在空间探测领域应用成熟的立方体卫星技术，可以缩短研制周期，降低研制低成本。

这对公文包大小的立方体卫星这次主要用于技术验证，今后也可协助载人深空探索。它们必须在洞察号向火星表面降落的过程中，在距离火星表面约3500千米处飞越火星，并使用一种名叫“反射阵列”的平面天线来把洞察号的数据传送回地球上的深空网。


2颗火星立方1号在火星轨道飞行示意图
如果没有这两颗立方体卫星，洞察号的数据需通过美国“火星勘测轨道器”进行中继传回地球。由于“火星勘测轨道器”同时接收和发射信息的能力有限，因而会产生一个多小时的延迟。

不过，火星立方1号只装有太阳能电池板和高增益天线，本身不能获取火星的科学数据。其太阳能电池板尺寸为30厘米×30厘米，可产生35~17瓦的电力，具体取决于它们与太阳的距离。


火星立方体1号构型图
如果火星立方1号能与洞察号一起接近火星，它们不会进入火星轨道，而是飞越火星，并把洞察号的数据以8千比特/秒的速度回传到地球。

结语

火星是离地球最近的类地行星，具备了生命存在的必要条件，并有可能成为人类未来移民的理想星球。为此，包括我国在内的许多国家等已将火星作为未来太空探索蓝图的新目的地，都在稳步推进火星探测活动。世界火星探测正掀起新的高潮。总的来讲，探测火星的方式与探测月球的方式相似，也是“绕、着、巡、回”，最终实现载人登陆火星的目标。