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
【獵雲網（微信號：）】11月26日報道 （編譯：張璐璐）
編者注：2018年5月5日，NASA“洞察號”探測器成功發射，經歷205天的長途旅行，“洞察號”將於美國當地時間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及其搭載的特殊技術。
美國當地時間11月26日，NASA最新研製的“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部，為我們揭開太陽系演化的新篇章。
自5月5日成功發射後，洞察號將於美國東部時間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）”火星車著陸後的首次地面任務，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）進行現場直播。據悉，該實驗室負責管理這項耗資8.14億美元的任務。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，由太陽能驅動的洞察號將持續正常執行，並使用三種儀器來研究火星的地震活動、旋轉擺動和地下溫度，從而確定火星的內部結構和地熱活動，以及其流動或實心的核心。此前，NASA宣佈了繼洞察號後的下一次火星著陸，即2020火星探測任務（Mars 2020），該著陸旨在通過收集和快取樣本來探尋古代生命的潛力，並返回地球進行進一步的研究。
洞察號要執行哪些任務？
洞察號收集的資料可能有助於解釋所有包括水星、金星、地球和火星在內的類地行星是如何形成的，以及為什麼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45億年前形成後，地質流失已經消除了數千萬年前的結構證據。
“對於太陽系歷史，我們有一個至少是基於地球的發展歷程的假設，”火星探測計劃（Mars Exploration Program）的首席科學家Michael Meyer表示，“我們目前擁有地球的模型和絕佳的資料，能推斷出我們的星球是如何形成和演化的。現在我們需要來自其他星球的資料，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（Kepler mission）對太陽系其他行星的特寫，這促使科學家重新調整我們自己的假設。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，直到開普勒任務發現大型（氣態）的木星大小的行星緊密圍繞其他恆星執行，而不是位於遠處。我們意識到這些模型可能只適用於太陽系，而並不一定能解釋其他星系的情形。”
該任務一直是洞察號首席調查員Bruce Banerdt的夢想。在2006年初次嘗試被拒絕之後，他的改進提案在2010年被採納，並在2012年申請專案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，後者是一項成本上限的科學任務，由位於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）監管。
噴氣推進實驗室的洞察號儀器系統工程師Troy Hudson表示：“幾十年來，Bruce一直試圖將地震儀帶上火星。”
洞察號，或者利用地震調查、大地測量和熱傳輸進行的內部勘探，都將使用地震儀和火星自轉時間，來確定火星的地幔和地核的構造以及當前的地熱活動。雖然這項技術在地球上已經存在了幾十年，但要使其在火星上實現完整的著陸和執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幫助設計了部分儀器，而位於丹佛的洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin Space）則完整設計了這種航天器。
美國對洞察號投資了8.138億美元，其中包括用於運載火箭及服務、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，主要用於地震儀和熱流儀器。 在研發一項獨立但互補的任務——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絃。
這些高難度的動作包括在巡航階段將著陸器和後殼分離，將隔熱罩轉向大氣層，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，受到的壓力相當於12個大氣壓。在離地表16公里處，洞察號將開啟一個超音速降落傘，拋棄隔熱罩，釋放著陸腿，並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，著陸器部分將與後殼和降落傘分離。其後推進器將點燃，將著陸器從後殼旋轉出來，使其在地表上軟著陸，並在著陸瞬間關閉，這樣就可保證著陸過程不出現意外。科學家選擇這一著陸點是因為其光照充足、岩石缺乏、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：“當你為一件如此複雜和具有挑戰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於著陸的‘恐怖7分鐘’，對於我們這些參與這項任務的人來說，這是生活中最痛苦的經歷。”
為了在進入、下降和著陸過程中繼資料，洞察號還將與一個單獨的飛越任務——Mars Cube One（MarCO）配對，後者是兩顆首次發射的太空微型CubeSats衛星，也是洞察號的伴飛衛星。一旦成功著陸，該著陸器將展開其太陽能電池板並開始充電，但在兩個月後該裝置才能正常執行。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天的現場勘察；另外30-40天則用於有條不紊地將地震儀和熱流儀器放置在地表上。
Hudson表示：“這是這項任務的一部分，需要同時進行工作的人數最多，對於洞察號，這也是史無前例的。我們從未部署過如此精密的儀器，使遠端操作與著陸器分離。”
給火星“把把脈”
當火星在其軸上旋轉並繞太陽執行時，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律。這種變化將幫助科學家確定火星核心的大小和組成。如果核心為液體，則將產生更大的擺動頻率。
RISE（Rotation and Interior Structure Experiment，旋轉與內部結構實驗）包括飛行器頂部的兩個X波段天線，它們將無線電訊號傳送到地球上的接收站，供科學家跟蹤和測量。當“洞察號”隨行星旋轉時，它們的表觀頻率將發生變化。由多普勒效應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，通常是在幾十釐米之內的範圍內，但這也比十億分之一的距離要好得多。
觀察頻率變化並測量在洞察號執行任務的這一個火星年（大約兩個地球年）內的擺動程度將最終表明火星的核心是液體還是固體。
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，因為它偏轉了太陽的大部分太陽風，降低了太陽剝離行星大氣層的能力。地球液態鐵外核內的旋流對流產生了這種“行星發電機”。火星缺乏強大的磁場，可能是由於外核較薄或缺少液體，這很可能是火星早期大氣因太陽風剝落而消失的罪魁禍首。
SEIS監測火星地震
SEIS（Seismic Experiment for Interior Structure，內部結構地震實驗）將通過地震波測量火星的內部活動和結構，這些地震波來自於火星的地震、隕石撞擊、山崩、沙塵暴和由於火星兩個衛星的引力引起的地殼潮汐。當地震能量穿過火星時，地震波會在層邊界處反射，並隨著其經過的物質性質的變化而彎曲。
Hudson說：“地震學就像用超聲波來檢查身體。不同的震源，如地震或撞擊，會產生具有獨特特徵的波，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，其運動產生以數字方式記錄的電壓。“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於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，科學家將地震儀埋在地下，但在火星上無法做到。著陸後，洞察號的機械手臂將SEIS放置在地面上，然後在其上方放置一個圓頂形的蓋子，這是防風熱罩。這個“行動式孔”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的鎧甲式裙邊，垂至地面，可以防止風的振動影響。
雖然火星的構造較地球平靜，但科學家們預計，由於大氣層變薄、沒有水源，火星會經歷更多可探測的隕石撞擊。如果SEIS檢測到任何資訊，它將與火星勘測軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter）協調以進行影象確認。
“如果洞察號捕獲了某些撞擊資訊，而且我們認為這些撞擊發生在火星的某個區域，就可以確認是否新的撞擊物，”Hudson說。科學家們非常希望能在洞察號為期兩年的任務中檢測到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。就像衛星的引力使地球產生潮汐一樣，火星的衛星（比地球小得多，但離它們的母行星更近）會導致地殼的起伏。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的設計極具挑戰性，最終導致探測器推遲發射。由於極高的靈敏度，SEIS需要被密封在真空中。但設計團隊一直在跟蹤檢測是否存在緩慢的空氣洩漏情況。事實證明，真空兩側的儀器元件之間存在連線，需要完整的設計和製造加以檢修。
這一延誤造成約1.5億美元的成本超支，並且直接導致錯過了2016年的發射時機，需要再等26個月才能獲得下一次火星發射機會。但是這段額外的時間也使得Hudson的團隊能夠對任務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。”
最後部署的儀器是HP3（Heat Flow and Physical Properties Package，熱流和物理特性包），用於測量火星內部的熱量，這些熱量來自於行星形成的剩餘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，限制熱流將有助於解決一系列問題，例如火星、地球和月球是否像科學家所認為的那樣由同一物質演變而來，以及當前火星在地質上的活躍程度等。
但HP3的具體資料採集必須發生在地表以下。為了避免地表溫度波動，讀數必須在地下3到5米（約10到16英尺）。為此，工程師設計了一種自鑽孔圓柱形探針，或稱“鑽孔機（mole）”，將其連線在一根長繫繩上，內嵌溫度感測器，其測量精度達到百分之一度。探針內部的一個機械裝置能使其鑽出5米的深度，這比人類在任何其他行星、衛星或小行星上挖的都要深。 鑽孔完成後，拉動探針後方的長繩即可。
Hudson解釋道：“隨著鑽孔機逐漸穿入地下，它會定期停止並測量地面的導熱係數。一旦達到最終深度，嵌入式感測器將反饋地下溫度隨深度的變化，這就是地熱梯度。我們預計5米以上的溫度增幅只有1到2度。這個變化非常小，但對於HP3的溫度感測器來說已經足夠了。深入地下極具挑戰，但越深，獲得的資料就越真實。”
鑽孔機的設計也面臨著巨大的挑戰：它必須是一個重量小於1公斤的獨立鑽井裝置，能夠在10瓦的可用功率下執行，強度能夠穿透各種行星土壤型別，並且足夠堅固，能夠承受鑽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感測器。
Hudson說：“以前沒有人能夠創造出像這樣的裝置，能夠在資源匱乏的情況下自行穿透到行星的地下。HP3的鑽孔裝置可以同時產生超過10000個大氣壓的強烈錘擊，可以承受上萬倍的猛烈衝擊，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資料。
Hudson補充道：“這個過程將持續30天左右，鑽孔機將每隔4天錘擊幾個小時，產生SEIS能夠捕獲的振動，從而使用該資訊來分析著陸探測器附近的地下情況，例如基岩層的深度。這並不是我們火星任務的要求之一，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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