超詳細解讀！洞察號探測器成功降落火星傳回首張圖像

降落到火星地表的「洞察號」火星探測器示意圖

迄今人類發射的全部火星探測器

　　探測器以極快的速度傳回了第一張拍攝的圖像，展示的是遠處的火星地平線，拍攝時半透明的防塵蓋尚未去除，因此可以看到沾滿塵埃的鏡頭畫面。

　　直播回顧：「洞察號」探測器登陸火星 傾聽紅色行星的脈搏

　　新浪科技訊 北京時間11月27日凌晨消息，北京時間03：53：20，世界第八個火星著陸器「洞察號」安然度過降落過程中的「恐怖7分鐘」，並成功降落到火星表面。

　　著陸時，著陸區火星Elysium平原的地方時大約是下午兩點，與此同時在任務控制中心，地球上美國的加利福尼亞州則是26號的大中午，而在小編所在的中國北京（上海），則是27號凌晨將近4點。美國宇航局對於火星著陸區的天氣預報是：當天最高溫大約零下8度，最低溫大約零下96度；地球上，加州此時25度；北京6度，上海13度。此時在著陸區的火星北半球，正值深秋初冬，和我們地球上北半球的情況差不多。

　　NASA在火星擁有良好記錄：1965年以來發射了很多飛掠，軌道器和著陸器還有漫遊車；這並非易事，即便是NASA，火星任務成功率整體也未超過40%；火星稀薄的大氣層讓著陸變得十分困難，地表巨大的溫差也對設備提出巨大挑戰。

　　此次登陸的「洞察號」是人類歷史上首個專門開展火星內部結構研究的探測器，當著陸成功的消息傳來，位於加州帕薩迪納的美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）控制室內爆發出熱烈的掌聲和歡呼聲。

　　「洞察號」降落的位置位於火星北半球靠近赤道的一塊廣袤，平坦的平原，這裡非常適合探測器著陸，甚至被NASA戲稱為「火星上最大的停車場」。

　　在降落成功之後，探測器以極快的速度傳回了第一張拍攝的圖像，展示的是遠處的火星地平線，拍攝時半透明的防塵蓋尚未去除，因此可以看到沾滿塵埃的鏡頭畫面。未來幾天，質量更好的圖像將陸續回傳。

　　一）「洞察號」是什麼？

　　「洞察」（Insight）是「INterior exploration using Seismic Investigations， Geodesy and Heat Transport」的縮寫，意思是「藉助地震，大地測量以及熱流手段進行內部探測」。屬於NASA 「發現」（Discovery）項目。

　　「洞察號」飛船和著陸器基本基於成功的「鳳凰號」任務開展，並加裝了來自MRO和GRAIL的最先進電子設備。發射時整個Insight飛船質量694公斤，其中包括著陸器（358公斤），隔熱罩（189公斤），巡航級（79公斤），以及推進劑和壓縮氣體共計67公斤；其中各類載荷總質量大約50公斤。在火星表面著陸之後，由於支撐腳著陸火星後會有一定程度壓縮，高度在83~108厘米之間，太陽能帆板展開後翼展6米，平台寬度1.56米，機械臂長度2.4米。

　　2018年5月5日，「洞察號」從加州范登堡空軍基地發射升空，這也是第一次從美國西海岸，而不是東海岸的卡納維拉爾角發射行星際探測器。發射時還搭載了兩顆立方體小衛星「MarCO」，分別命名為「瓦力」和「伊娃」。這兩個小衛星非常小，每個均為36.6厘米，24.3厘米，11.8厘米，但卻發揮了重大作用，在「洞察號」著陸時提供了實時的信號中繼服務。第一幅傳回的火星地表圖像，就來自於這兩顆小衛星的數據中繼。事實上，這也是人類航天史上首次將立方體小衛星發射到火星，代表了未來的某種技術趨勢。

　　二）「洞察號」和那兩個小衛星用什麼供電？

　　「洞察號」和MarCO小衛星均使用太陽能帆板和鋰離子電池。在洞察號上，兩塊太陽能電池板在地球上的一個晴天可以產生大約1800瓦的電力。這一數值在同樣晴朗的天氣條件下，在火星上的發電量大約是600~700瓦，差不多是家用攪拌機的功率。而如果在沙塵天氣下，發電量仍可以保持在200~300瓦特，即便電池板被塵土部分覆蓋也無妨。

　　三）「洞察號」去火星帶了什麼科學設備？

　　這是個大問題，值得詳細回答。

　　「洞察號」搭載的載荷總質量50公斤，包括科學設備和支持系統，如「輔助載荷感測器套件」，相機，設備布放系統，以及一台激光後向反射器。

　　其中科學載荷主要包括兩台主要設備分別是SEIS和HP3，當然還有其他一些較小，但同樣重要的科學設備，以下為你做一一介紹。

　　SEIS： 全稱「內部結構地震實驗」（The Seismic Experiment for Interior Structure），它將精確測量地震波以及其他內部活動信號，以了解火星的歷史和內部結構。它也將監測火星地殼和地幔如何對隕星撞擊事件作出反應，而這將幫助探查其內部結構。

　　SEIS由法國空間局（CNES）提供，其餘參與研製方還包括：法國巴黎地球物理研究所（IPGP），瑞士聯邦理工大學（ETH），德國馬克斯普朗克太陽系研究所（MPS），英國帝國理工學院，法國國立高等航空航天學院（ISAE）以及美國噴氣推進實驗室（JPL）。

　　這台地震儀還將可以檢測其他信號，包括大氣波以及火衛一產生的重力信號（引潮力），最高檢測頻率可以到50Hz。「洞察號」原定2016年升空，但在發射前SEIS的真空罐被發現存在泄漏，直接導致發射推遲兩年；

　　SEIS設備還附帶有一套氣象學支持設備，用於監測大氣擾動，以便進行抵扣，從而確保地震儀測量結果的準確性。這其中包括由加州大學洛杉磯分校研製的一套矢量磁強計，它將測量火星磁場擾動，比如由於火星電離層引起的磁場擾動；另外還有一台溫度計，風速儀以及風向感受器，它們由西班牙和芬蘭聯合研製，基於此前安裝在好奇號上的「火星車環境監測站」（REMS）研製；除此之外，還有一台JPL提供的氣壓計；

　　HP3： 全稱「熱流與物理性質包」（The Heat Flow and Physical Properties Package），由德國空間局（DLR）提供，其為一種自動鑽入式熱流計，被稱作是「自攻螺絲」，並獲得「鼴鼠」的綽號。

　　其設計可以鑽入地下5米深處，後部連接安裝有熱感受器的導線，用於測量火星地熱流值，從而獲取與火星內部結構與演化有關的信息。這些安裝在導線上的高靈敏度熱感受器每隔10厘米安裝一台，從而測量地表下垂直溫度剖面。值得一提的是，這台「鼴鼠」的鑽頭是由波蘭公司Astronika提供的，這也是波蘭首次參與行星際探測項目。

　　RISE：全稱「自轉與內部結構實驗」（The Rotation and Interior Structure Experiment），由JPL領導，這是一項無線電科學實驗項目，使用著陸器的X波段無線電通訊，提供火星自轉的精準測量，從而幫助了解火星內部。X波段的無線電測量精度可以達到2厘米以下，是依據此間「海盜號」以及「火星探路者」項目的數據構建的。

　　對火星內核大小的最早約束來自海盜號以及火星探路者計劃期間的無線電多普勒信號測量；Viking （1977） 以及 Pathfinder （1997）的測量確定了相隔20年，火星自轉軸的變化；自轉軸指向的這一變化值可以得到進動率，進而推算火星的轉動慣量，這些參數對於測算火星地幔平均密度，地核半徑和密度十分關鍵；而InSight將提供再過20年之後的火星自轉軸指向最新數據。

　　TWINS： 全稱「洞察號溫度與風速測量設備」（Temperature and Winds for InSight），由西班牙天體生物學中心提供，它將監測著陸區氣象情況；

　　LaRRI： 全稱「洞察號激光後向反射器」（Laser RetroReflector for InSight），這是一個由義大利空間局提供的角錐反射器，安裝在「洞察號」的頂部平台上。它將讓軌道器可以進行被動式激光測距，即便在著陸器已經退役情況下也是如此，並將成為擬議中的火星地球物理網路的一個節點。此前這一裝置已經在「斯恰帕拉利」著陸器（Schiaparelli）上應用，當時名為「INRRI」，即「著陸漫遊車激光後向反射調查裝置」。這是一個直徑54mm，重25克的鋁製半球體，表面設有8個熔融氧化硅反射器。

　　除了以上各部分，另外還有：

　　IDA：（設備布放機械臂，Instrument Deployment Arm），長2.4米，用於將SEIS以及HP3設備布放到火星表面；

　　IDC：（設備布放相機，The Instrument Deployment Camera），這是一台彩色相機，基於MER火星車以及好奇號導航相機設計。其安裝在IDA上，可以拍攝位於著陸器平台上的設備，並提供著陸器周圍環境的立體圖像。

　　其擁有45度視野，使用1024 × 1024像素CCD相機。最開始IDC相機的設計是黑白的，這樣可以達到最高的解析度，基本是按照避障相機標準研製的但由於研製時間和預算都在計劃內，因此這台相機後來被換成了彩色的。

　　ICC：（設備背景相機，The Instrument Context Camera），是一台基於MER/MSL避障相機設計的彩色相機，安裝於著陸器平台之下，擁有120度立體廣角視野，用於提供設備布放區域的輔助視野。它與IDC一樣，使用1024 × 1024像素CCD相機。「洞察號」著陸之後傳回的第一幅照片就是由ICC相機拍攝的。

　　四）這次任務有哪些特別之處？

　　簡單明了的回答你，我們至少可以列出以下這八項「第一」：

　　1）「洞察號」是第一個專用於研究火星深部地下的探測任務；

　　2）「洞察號」是第一個將地震儀直接放置在火星地表的探測器；

　　3）「洞察號」將第一次在另一顆行星上探測地震現象；

　　4）「洞察號」是第一個使用自鑽式鑽頭，深入火星地下的探測器，鑽進深度比以往任何探測器深15倍以上，最深達到5米；

　　5）「洞察號」是第一個從美國西海岸發射升空的行星際探測器（發射時美國西海岸正值黎明破曉時分）；

　　6）「洞察號」是第一個使用機械臂將設備直接布放到其他行星地表的探測器；

　　7）「洞察號」將首次在火星表面使用磁強計；

　　8）搭載發射的MarCO小衛星是首次在深空任務中使用的立方體衛星；

　　五）為什麼「洞察號」要選擇去火星？

　　同樣簡單明了的回答：類地行星的內部結構存在高度相似性，可是火星仍有不同。由於地幔物質對流和板塊運動，地球早期物質分異和演化的歷史線索幾乎已經完全滅失，而根據其地表或是縱深方向上物質成分的變化，火星或許仍然留存有這些信息；其次，針對火星隕石的同位素分析顯示孤立的岩漿房在火星早期歷史時期長期存在，這表明火星上的地幔物質對流並不充分，不足以導致其地幔均一化，火星地殼的很大一部分定年結果顯示其形成於太陽系最初的5億年內甚至更早，因此，對火星內部的調查將有望幫助了解行星早期物質分異階段的情況；

　　簡單說，至少有以下幾點理由：

• 有證據顯示火星的殼/幔基本結構在形成後數億年至今沒有發生大的變化，去那裡可以幫助我們回顧類地行星形成早期的歷史；

• 相比其他類地行星，比如金星和水星，火星相對要更容易抵達；

• 我們關於火星的地質，化學，氣候歷史等方面的知識儲備將極大有助於我們將這些與內部結構形成方面的考察結果結合起來，並加深我們隊太陽系的認識；

　　六）怎麼著陸的？

　　這才是今晚的重頭戲，也是整個任務極為關鍵的一環。2018年5月5日升空，飛行將近半年時間，在太空中飛行4.85億公里，終於在今天抵達火星，此時此刻，火星與地球之間相距大約1.46億公里，大致與地球到太陽的距離相當，以光速傳播的無線電信號單程需要走8分鐘。這要分幾個關鍵階段，總耗時大約7分鐘，這一階段必須依靠探測器完全自主完成，因為信號單程都要8分鐘，等到地面反應過來，該發生的災難早就已經發生了。由於極具風險，因此這一過程常常被人稱作「恐怖7分鐘」。以下，我們分介個階段來做詳細解答：

　　1）進入大氣層之前

　　進入大氣前7分鐘，巡航級與飛船分離。分離後飛船的剩餘部分叫做「進入器」，其包括隔熱罩以及內部的著陸器。在與巡航級分離後，「洞察號」將開始開始通過設在其背罩上的一台全向天線發出一個僅有載波（不含數據）的信號。

　　大約在巡航級分離30秒後，「進入器」將開始調整方位，將隔熱大底對準前方，準備大氣進入，這一調整大約需要90秒。在進入大氣之前，「洞察號」 背罩上的全向天線將開始以每秒8kb的速度，在特高頻波段（UHF）傳輸數據。

　　2）沖入火星大氣層

　　在完成轉動動作，將隔熱大底對準前方之後大約5分鐘，「洞察號」將開始感受到火星大氣摩擦。在沖入大氣層之後，到降落傘打開之前大約3.5分鐘，大氣與隔熱大底之間的劇烈摩擦將實現90%的減速。在進入大氣層之後大約1.5分鐘，隔熱大底將面臨最高溫度考驗，其外側溫度將達到1500攝氏度。大約17秒後，減速速率將達到最高，過載達到8個G左右。飛船被電離氣體包裹，進入黑障，與地球的通訊將可能出現暫時性中斷。

　　「洞察號」頂部的降落傘可能會由速度值或者減速速率觸發，大約在進入大氣層後3.5分鐘左右開傘，此時距離地面大約12公里，速度約為每秒415米。開傘的一瞬間，降落傘承受的負載大約為12500磅（55600牛頓）。大約開傘後10秒鐘，飛船著陸雷達將開始通電加溫，輔助電池組將被激活，支持著陸器的主電池組，為接下來幾分鐘內耗電量較大的幾項事件做好準備。

　　著陸器將在降落傘下下降大約3分鐘。在最開始的25秒，「洞察號」將拋棄隔熱大底並伸展開三條著陸支撐腿。開傘後大約75秒（距離著陸還有130秒），著陸器將開始使用雷達檢測距離地面的高度。

　　當著陸器與背罩和降落傘分離時，下降速度已經減低到大約60米/秒，此時距離地面還有大約1200米，距離著陸還有45秒。按照設計，這次分離事件是由雷達檢測飛船高度和速度來觸發的。

　　當通訊聯繫從背罩上的「包裹式貼片天線」轉向著陸器本身安裝的螺旋狀UHF發報機時，通訊出現暫時性中斷。

　　3）減速降落

　　在著陸器分離半秒鐘之後，著陸器上的12台降落引擎啟動。搭載的用於下降末端的導航軟體控制發動機噴口對準探測器運動方向，以補償橫向偏移量並進一步實現減速。如果探測器檢測到其橫向速度已經低於軟體中的預設值，探測器將開始機動，以避免與仍在降落傘上下降的背罩發生碰撞。

　　這種機動將調整發動機噴口方向，以防止降落傘和背罩落下來之後距離著陸器太近。最後，探測器將旋轉，調整到合適方位才緩緩降落到地面：它的太陽能電池板要在著陸器平台東西方向上展開，其機械臂的工作區域則應該朝南。

　　在距離地面大約50米時，「洞察號」將轉入勻速下降階段，速度大約每秒2.4米。大約不到半分鐘後，探測器就將降落到地面上。

　　七）「洞察號」和「鳳凰號」有什麼不一樣？

　　的確，「洞察號」基本是基於2008年取得成功的「鳳凰號」著陸器的技術設計研製的。這當然有使用成熟技術，從而降低開支的考慮，並且「鳳凰號」的設計確實相當理想。以它的火星著陸方案為例，2008年取得成功的「鳳凰號」著陸系統重量上要比火星車著陸採用的氣囊彈跳或者「天空起重機」系統更輕。這種「輕裝上陣」幫助「洞察號」和它的前輩「鳳凰號」一樣，擁有相比火星車更高的科學載荷/發射質量比，也就是說，能夠將更多的質量用來搭載科學設備，而不是著陸系統。

　　但相比「鳳凰號」，「洞察號」的著陸系統有四大明顯的差異：

　　1）「洞察號」進入火星大氣層的速度更高，達到5.9公里每秒，相比之下，鳳凰號則是5.6公里每秒；

　　2）「洞察號」進入器質量要比鳳凰號更大，大約是608公斤，而鳳凰號大約573公斤；

　　3）「洞察號」的著陸點海拔要比鳳凰號高1500米左右，因此其可以用於減速的大氣層厚度更薄；

　　4）相比「鳳凰號」的著陸時間，「洞察號」著陸時的季節（北半球初冬），按照過去幾年的經驗，是容易發生全球規模沙塵暴的時間段，風險更高；另外，相比鳳凰號使用的EDL系統，「洞察號」有部分改動，包括：「洞察號」使用了更厚的隔熱罩，以應對可能的沙塵暴衝擊；「洞察號」的降落傘將在更高速度條件下打開，因此其降落傘傘繩也將使用更結實的材料製作，等等；

　　八）最後一個問題，這項目花了多少錢？

　　好問題！這是一個美國主導的國際合作項目。美國方面投入資金8.138億美元，包括1.634億美元的火箭與發射服務開支，其餘用于飛船研發以及一直到2020年預定任務結束期間的運行費用。除此之外，法國，德國以及其他一些歐洲國家也投入了大約1.8億美元，主要用於開發SEIS，HP3的科學設備。另外，JPL和NASA還在兩顆MarCO小衛星項目上投入了大約1850萬美元。

　　好了，無論如何，此時此刻，人類第八個火星著陸器已經安然矗立在火星表面，預計它將在火星表面工作一個火星年，也就是大約兩個地球年，一直工作到2020年的11月份。一起期待未來全新的科學之旅吧！（晨風）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！