经历恐怖七分钟,“洞察号”终登陆火星!人类即将揭开火星的“内心秘密”

科学
经历恐怖七分钟,“洞察号”终登陆火星!人类即将揭开火星的“内心秘密”
麻省理工科技评论 2018-11-27

2018-11-27

在进入到下降和着陆阶段(EDL)后,“洞察号”由于在车身设计上很大一部分是继承了凤凰号(Phoenix)火星探测器,所以在下降过程中,成熟的“反推火箭+降落伞+隔热盾”的组合被继续沿用。
NASA 火星
在进入到下降和着陆阶段(EDL)后,“洞察号”由于在车身设计上很大一部分是继承了凤凰号(Phoenix)火星探测器,所以在下降过程中,成熟的“反推火箭+降落伞+隔热盾”的组合被继续沿用。

北京时间 2018 年 11 月 27 日 3 点 54 分,备受瞩目的“洞察号”(InSight)探测器在经历了 205 天、超过 4.84 亿公里的飞行后成功着陆火星,接下来,它将在 2019 年 3 月前完成所有仪器的配置,并开始人类历史上首次、为期一个火星年(地球上 687 天)的火星地质勘探。

着陆演示动画

在进入到下降和着陆阶段(EDL)后,“洞察号”由于在车身设计上很大一部分是继承了凤凰号(Phoenix)火星探测器,所以在下降过程中,成熟的“反推火箭+降落伞+隔热盾”的组合被继续沿用。


图丨庆祝场景(来源:NASA)

而在此前一直被反复提及的“恐怖七分钟”(7 Minutes of Terror)之中,“洞察号”经历的每一秒都可以说是动人心魄:

着陆前 13 分钟,着陆器与巡航段分离;进入中,着陆器达到 17,300km/h 的速度,热防护前罩启用;进入中,降落伞展开,着陆器速度降至 431km/h;着陆前 5 分钟,热防护前罩分离;着陆前 2 分钟 37 秒,着陆器与热防护背罩分离,期间着陆支腿展开;着陆前 42s,进入最后着陆阶段,速度降至 8km/h。

这几年,虽然围绕着火星这颗红色星球的话题一直热度不减,“钢铁侠”马斯克更是表示自己创办 SpaceX 的初心不会改,依旧有 70% 的可能性会亲自登陆火星。但无论是从科学观测还是探测器实地研究的角度来看,人类对于火星的认知依旧过于匮乏,尤其是对于火星内部的结构,可以说是一无所知。


图丨“洞察号”拍摄的首张火星照片(来源:NASA)

为了“洞察”火星内部的结构,揭开太阳固态行星形成和演化之谜,2018 年 5 月 5 日,延宕 2 年的“洞察号”搭乘宇宙神 V-401 型运载火箭从范登堡空军基地出发,踏上了探秘火星内心奥秘的冒险之旅。


InSight:可不只“洞察”这么简单

为什么会被命名为“洞察号”,有的人会联想到它的火星探测器前辈们,毕竟,“洞察”似乎是在鼓足“勇气”、抓住“机遇”和满足“好奇”之后最顺理成章、自然而然的操作。但实际上,InSight 的命名可远没有这么简单。

“洞察号”的全称为“通过地震调查、测地学及热传导研究火星内部结构的探测器”(Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport,简称 InSight)。是人类首个研究火星内部的探测任务,也是美国火星无人探测项目的重要部分。


图丨“洞察号”探测器(来源:NASA)

“洞察号”原计划 2016 年 3 月发射,但由于其搭载的地震测量仪主要传感器出现真空密封不严问题,发射被迫推迟。而这次推迟不仅直接导致“洞察号”的预算成本因为重新设计地震测量仪和任务延迟而从 6.75 亿美元上涨到超过 9.93 亿美元。更重要的是,发射时间错过,“洞察号”需要再耗费两年,等待 2018 年 5 月份的最佳“奔火”窗口。

对于“洞察号”的期待,科学家希望通过它可以了解火星内核大小、成分和物理状态、地质构造,以及火星内部温度、地震活动等情况。目的是想尝试回答一个科学界最基本的问题:行星是如何形成的?


图丨火星内部结构设想(来源:NASA)

所以,为了方便“洞察号”开展作业,经过长达四年的考察和探讨,NASA 的科学家们为它选择了一个十分平坦的着陆地点——艾利希平原(Elysium Planitia),该区域的中心位置坐标为北纬 4.5°、东经 135°,距离好奇号探索的盖尔撞击坑(Gale Crater)不太远。 

选择这一区域的好处是显而易见的,不仅纬度较低、靠近赤道,探测器有条件获得更多的光照以确保它的太阳能板可以产生足够多的电能来满足“洞察号”的运行,更重要的是,该区域地势平坦,可以确保“洞察号”安全着陆。


丨“洞察号”探测器着陆点(来源:NASA)

除了在登陆细节上做足功夫,NASA 也保持了其一贯的吸引粉丝的能力,为了可以让更多的人参与到“火星探索”的任务中、满足天文爱好者们“飞向火星”的心愿,在 2015 年、2016 年和今年,NASA 多次向外界征集过姓名,最终,共有 240 万名申请者(其中有 26 万名中国人)的名字被刻在两枚特制芯片上,随“洞察号”一同登陆火星。


InSight”如何洞察火星?

在了解“洞察号”是如何在火星表面开展具体工作之前,我们首先必须要提一下在这趟火星之旅过程中劳苦功高的两颗中继通信立方星——MarCO-A 和 MaCO-B,它们也是首批进入深空的立方星,为了展现一个更为亲近可爱的形象,研发人员将其命名为经典动画电影《机器人总动员》中的两个主角——“瓦力”和“伊娃”。


图丨中继通信立方星(来源:NASA)

这两颗立方星是由喷气推进实验室(JPL)研制,互为备份,成本约为 1850 万美元,各有 8 个高压冷气推进器。它们在“洞察号”下降和着陆阶段(EDL)承担探测器与地球之间的通讯中继工作,第一时间向地球传回探测器的着陆状况,以往火星着陆任务中“恐怖七分钟”的信号失联没有再出现,因为这 7 分钟里,“洞察号”通过两颗立方星可向地球实时传输 8kbps 的数据。 

当然,这次的 MarCO-A 和 MaCO-B 两颗立方星中继通信作为首次测试性应用,也为未来深空探索的不间断、高效率通信提供了验证的借鉴。 

回到本次的主角,“洞察号”之所以可以实现人类首次的火星内部探测,还得益于其搭载的三部主要的科学仪器:——火星内部结构地震测量仪、热流及物理特性探头以及“旋转和内部结构实验仪”。而为了配合探头的放置,“洞察号”上还有一支长 2.4m 的设备部署机械臂(Instrument Deployment Arm, IDA)。

图丨“洞察号”主要仪器(来源:NASA)

作为“洞察号”的主要仪器设备,“火震仪”——火星内部结构地震测量仪(Seismic Experiment for Interior Structure, SEIS)是法国空间研究中心(CNES)提供,由两个三轴地震仪组成,可防风的地震测量仪灵敏度极高,足以“感知”尺度为氢原子半径的地面运动,记录 4-5 级的“火星震”或陨石冲击所引发的震波。此前正是由于该仪器的故障而导致任务推迟。

第二个重要的设备为“鼹鼠”——热流及物理特性探头(Heat Flow and Physical Properties Package, HP3),由德国航天局(DLR)提供,这台仪器能够像“鼹鼠打洞”一样在地面上钻出 3 米至 5 米的深坑,测量火星内核释放的热流数据。

图丨“洞察号”的机械臂(来源:NASA)


另一个设备是旋转和内部结构实验仪(Rotation and Interior Structure Experiment, RISE),由 JPL 研制。可以通过火星与地球间的无线电传输,来评估火星绕轴旋转产生的扰动,用以提供火星内核大小的线索。

 

除此之外,“洞察号”还将装备两台进行观测的相机——设备部署相机(Instrument Deployment Camera, IDC)和设备全景相机(Instrument Context Camera, ICC),这两台相机的主要目的都是为了方便监测将仪器设备放置在火星表面上的操作,也能用来拍摄探测器周围的环境景色。而生成的气压、温度和风速等数据主要用于地震仪数据的噪音修正,也可以用于火星天气研究。



即将到来的“火星探测热潮”


伟大的目标似乎永远是和冒险的行为紧密联系在一起的,在马斯克发出“要在火星上退休”的豪言壮语之后,火星的受关注度持续上升。但实际上,NASA 和其他航天局自 20 世纪 60 年代初以来已经实施了几十次火星无人探测任务,在 2000 年发布“火星探测计划”(MEP)之后,NASA 已成功开展了奥德赛、勇气号、机遇号、火星勘测轨道器、凤凰号、好奇号和 MAVEN 等 7 个火星探测器的设计和运行。但放眼 2020 年之后,我们会发现世界各国将掀起新的一轮火星探测热潮。


其中知名的项目包括 NASA“火星探测计划”中的第 9 颗火星探测器——将于 2020 年 7 月发射的火星 2020( Mars 2020)。作为一款核动力火星车,火星 2020 可以看作是“好奇号”火星车的后继型号。不过,与好奇号等以往的火星探测任务不同,自动化程度更高的“火星 2020”新核动力火星车将收集岩石样品,并将样品用密封罐储存起来,放置于火星表面,以便被未来任务的航天器带回地球。

 


图丨Mars 2020(来源:NASA)


对于以深空探测见长的欧空局来说,火星是不能落下的一站,而他们抢占 2020 年时间点的任务就是“火星太空生物”(ExoMars) 的第二阶段。在该任务中,欧空局将和俄罗斯进行合作,由俄罗斯方打造登陆平台,欧空局提供火星探测车。车上面搭载双方的科学仪器,主要将寻找在火星上的生物生命标记。根据俄罗斯航天集团总经理德米特里·罗戈津此前的说法,“探测车将会在 2021 年 3 月 19 日登陆!”


图丨ExoMars 探测车(来源:ESA)

而中国在经历了 2011 年“萤火一号”的失败之后也再次重拾起火星探索的规划,2016 年 1 月 11 日,中国正式批复首次火星探测任务,中国火星探测任务正式立项,并将在 2020 年左右发射一颗火星探测卫星。通过一次发射,实现火星环绕和着陆巡视探测,即通过环绕探测,开展火星全球性和综合型的探测,通过巡视探测,开展火星表面重点区域高精度、高分辨的精细探测。 

除此之外,日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 计划于 2021 年向火星两颗卫星中的“福波斯”发射探测器,在采集沙子和冰等样品后返回地球。类似的采样返回技术已经“隼鸟”小行星探测器上得以验证;印度在 2014 年 9 月首个火星探测器“曼加里安”成功进入火星轨道后,也提出了新的火星探测计划,包括与阿联酋签署协议,将为其发射中东国家的首颗火星探测器。

虽然时至今日,火星探测器的成功率仍然不足 50%,深空探测计划也时常为经费和技术问题所掣肘,但各国极大的探索热情还是预示着人类对火星的了解将上一个新的台阶。


麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech