着陸、打洞、測地震，剛剛着陸的“洞察號”將會揭示哪些祕密？

引言

北京時間2018年11月27日凌晨，NASA的新一代火星着陸器“洞察號”在經歷了長達6個月、4.8億公里的漫長深空飛行之後，又經歷了著名的“恐怖7分鐘”之後，一如他的兄弟“鳳凰號”一樣，成功着陸在神祕的紅色行星——火星的表面。這款着陸器不同以往的火星車和其它探測器，它更着重於瞭解火星的“內在”，而非在火星表面遊弋探索。今天我們藉機再次瞭解一下這個“火星打洞機”。

本文作者：不會游泳的魚，基於發射時期文章更新修訂而來

一、洞察號的奔火之旅

美國東部時間2018年5月5日，宇宙神V運載火箭承載着洞察號火星着陸器從美國西海岸的范登堡空軍基地成功發射升空，正式開啓了洞察號的慢慢長路。

濃霧中的宇宙神V別具韻味，例無虛發的極高發射成功率使宇宙神V既代替了原定的德爾塔2火箭又踢開了風頭正勁的獵鷹9，同時洞察號載荷很輕，即使是無助推器401構型逆軌發射也沒問題

在經歷了長達6個月、4.8億公里的漫長深空飛行之後，洞察號進入火星大氣層，開始再入火星大氣的過程，雖然火星大氣非常稀薄，但再入過程的峯值熱流其實並不比再入地球大氣低多少，加之地-火遠距離帶來的時間延遲，每次火星着陸器的再入過程都堪稱一次窮盡人類航天探索技術的“豪賭”。好在NASA已經成功了7次，可謂是胸有成竹了。

噴氣推進實驗室總工程師講解洞察號探測器着陸火星全過程，由@柚子木字幕組聽譯，敬請收看。Credits: NASA/JPL-Caltech

洞察號EDL過程圖解，後面我們還會詳細說，翻譯：科普中國，Credits: NASA/JPL

洞察號着陸後傳回的首張火星表面圖像，雖然模糊但意義非凡，鏡頭被部分着陸發動機吹起的塵土覆蓋，Credits: NASA/JPL

二，任務主角“InSight”——洞察號，最傳神的翻譯

洞察號火星着陸器的英文原名爲“InSight”，意爲“洞察力，洞悉; 直覺，眼光”，你以爲是像“好奇號”（Curiosity）一樣是經過徵集後由小學生起的名字麼？

其實這個洞察號的全稱爲“採用地震研究、測地學和傳熱學的火星內部探測器”（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，簡稱InSight，中譯“洞察號”，此譯可謂信達雅），隸屬於“發現計劃”（Discovery Program）的第12次任務。洞察號火星着陸器充分繼承了鳳凰號火星極區着陸器的技術，是人類火星探測史上首次探測火星土壤內部的探測任務，也是首次採用火星立方星在EDL期間進行中繼通信。（敲黑板，本次任務兩大看點，主頁君注）洞察號將於2018年11月抵達火星，對火星北半球赤道區域（4.5°N,135°E）開展爲期一個火星年的地質探測。洞察號耗資4.5億美元（不含發射費用），由大名鼎鼎的NASA噴氣推進實驗室（JPL）主持，主承包商是洛克希德·馬丁公司，由法國航天局（CNES）和德宇航（DLR），以及加拿大、瑞士、日本、英國、比利時、奧地利等國家的科研機構聯合承研。

拯救了“火星孤男”馬克的探路者號（Pathfinder）就是JPL的傑作之一（圖自電影《火星救援》）

洞察號火星着陸器示意圖

三、洞察號去火星究竟要幹嘛？

洞察號的科學任務是研究40多億年前太陽系岩石類行星形成以及演化的歷史。研究表明，太陽系內行星在形成時都是逐漸從“堆積”的過程演變而來，隨着行星尺寸逐漸增大，內熱不斷升高，演變爲具有內核、地幔、地殼構成的類地行星。儘管類地行星具有相似的演化過程，但對各個類地行星在後來的形成過程中是否都分化出內核、地殼、地幔仍不清楚。

火箭整流罩上的任務標誌巧妙勾勒了採用不同地層回波方式探測火星內部構成的方式

洞察號的科學目標就是增進對這一演化過程的瞭解。其主要的科學任務是探測火星內核、地幔、地殼的尺寸、厚度、密度、總體結構，內核是固態還是液態，以及從內核釋放熱量的速率。此外，深入研究火星地質物理、構造活動、地震活動和火星上的小行星撞擊活動，有助於更好的理解地球上此類活動的狀況。

央視製作的洞察號介紹視頻，視頻翻譯自NASA官方介紹

整個任務分爲發射、巡航、進入下降和着陸（EDL）、表面操作等四個階段。

發射段：

洞察號的發射首次選擇在西海岸范登堡空軍基地，該基地主要用於發射地球極地軌道衛星。大部分深空探測器都在東海岸的卡納維拉爾角空軍基地發射，可以利用地球自西向東的自轉速度減少運載火箭的起飛推力。然而本次發射選擇范登堡，一方面是爲了避免卡納維拉爾角空軍基地高密度的發射任務，另一方面也是由於承擔本次任務的宇宙神V401火箭完全具有充足的運力。與歷次火星探測任務不同的是，本次任務還攜帶了兩顆立方星，MarCO-A和MarCO-B。起飛約90分鐘後，洞察號與半人馬座上面級分離，之後半人馬座釋放兩顆立方星，兩顆立方星分別按照各自的飛行軌跡進行地火巡航。

巡航段：

洞察號在地火巡航期間共進行了6次軌道機動修正（TCM）。第一次和第二次分別在發射後第10天和着陸前121天。這兩次主要的TCM是爲了補償發射時的軌道偏差，通過第一次TCM可以修正上百乃至數千公里的偏差。第三次和第四次TCM分別在着陸前45天和15天。最後一次TCM約在着陸前22小時。

進入下降和着陸段（EDL）：

洞察號的EDL設計充分繼承了鳳凰號的技術方案。進入前7分鐘，着陸器與巡航級分離；進入前6.5分鐘，啓動進入時姿態調整；着陸前5分鐘，完成姿態調整；進入時，距表面高度爲128km，速度5900m/s；進入後223s，降落傘展開，此時高度爲12km，速度415m/s；進入後238s，熱防護前罩分離，高度10.3km，速度132 m/s；進入後248s時，着陸支腿展開，之後雷達在5.5km高度開始測距；着陸前43s，着陸器與熱防護背罩分離，高度爲0.7m，速度61 m/s；着陸前40s，啓動重力微調整程序，大約持續30s，最後着陸到火星表面。特別值得一提的是，此次EDL期間，兩顆立方星MarCO-A和MarCO-B進行了中繼通信。

表面操作段：

洞察號將在火星表面開展爲期1個火星年的表面探測。在着陸一週後，即開始進入科學數據收集階段的工作。大約十週後，機械臂將完成儀器的部署。熱流探針大約需要7周時間深入土壤內部，洞察號的主要科考任務正式啓動。洞察號將探測到的數據通過UHF傳輸給MRO和奧德賽軌道器，軌道器再將數據通過X波段傳輸給地面站。

四、與鳳凰號到底有幾分相似——洞察號的總體設計方案

洞察號採用的是支腿式火星着陸器總體設計結構。起飛質量694kg，着陸器質量爲358 kg，熱防護罩189 kg，巡航級79 kg，推進劑67 kg。探測器本體高2.7m，三條支腿在着陸時具有着陸緩衝作用。

洞察號實物

洞察號探測器電源系統採用兩塊直徑2.15m圓形太陽能電池翼，輸出功率爲3000wh/day。除此之外，還有25Ah的鋰離子電池作爲儲能電池。在表面操作段，洞察號將採用X波段和UHF對地通信。下行數據通過着陸器UHF波段傳輸給MRO和奧德賽。NASA的另外一顆軌道器MAVEN和歐空局的痕量氣體探測器以及火星快車可作爲中繼備份。軌道器接收洞察號發送的UHF指令，然後再將其通過X波段中轉至地面站。着陸器的中增益天線發送X波段指令，可直接傳輸至DSN深空測控網。推進系統採用20個推力器，其中4個RCS姿控推力器（4.4 N *4），4個軌控推力器（22N*4），另外還有在進入捕獲期間使用的12個下降發動機（302N*12）。制導導航控制系統依然採用的是星敏感器和太陽敏感器。在下降階段，使用慣性測量單元（IMU）和下降雷達測高和測速。洞察號的熱控系統採用的是被動熱控設計，可將溫度控制在零下15攝氏度和40攝氏度之間。

洞察號構型圖

洞察號攜帶了四類載荷，質量爲50kg，主要包括科學儀器和輔助系統，各部分如下（可以和上圖對應閱讀）：

（1）火星內部結構地震實驗儀（Seismic Experiment for Interior Structure, SEIS），用於監測一個火星年內火星4.5級到5級火星地震，精確測量火星地震和其他內部活動，繪製火星內部和表層分界線；

（2）熱流和物理性能包（Heat Flow and Physical Properties Package, HP3），是一臺鑽入火星表面以下5m的熱流探測儀，用於考察從火星內核傳出熱流的傳輸機制。

（3）旋轉和內部結構實驗儀（Rotation and Interior Structure Experiment, RISE），使用探測器的通信設備對火星自轉進行精確測量，加強對火星的結構的認識。

（4）儀器部署機械臂（Instrument Deployment Arm, IDA），長2.4m的機械臂用於部署火星內部結構地震實驗儀和熱流和物理性能包。

（5）儀器部署成像系統（Instrument Deployment Camera, IDC）,這是一款曾經用於MER和好奇號上的導航相機。它安裝在儀器部署機械臂上，用於觀測着陸器上的儀器，並且對着陸點附近進行成像。

（6）儀器全景成像系統（Instrument Context Camera, ICC），這是曾經用於MER/MSL上的危險避讓相機，安裝在着陸器甲板的底部，具有120度的全景視角，用於協助儀器部署工作。

五、洞察號任務的看點有哪些？

儘管洞察號火星着陸器繼承了鳳凰號極地着陸器的相關技術，但其創新的技術特點創造了多個第一，主要體現在以下三個方面：

（一）這趟火星旅程不寂寞——首次在深空任務中使用立方星進行EDL期間中繼通信

其實洞察號並非是孤身一人奔赴火星，他還帶了兩個“中繼小弟”，承擔此次洞察號着陸期間通信中繼任務的是兩顆火星立方星，即火星立方星-A/B（MarCO-A和MaCO-B），由JPL負責設計製造，兩顆星互爲備份，研製成本約1300萬美元（講真挺貴的，主頁君注）。MarCO-A和MaCO-B由宇宙神V發射升空，起飛後約9分鐘，洞察號/火星立方星與宇宙神V分離。MarCO-A和MaCO-B攜帶自主導航系統，獨自完成6.5個月的地火巡航。巡航期間，MarCO-A和MaCO-B將執行4-5次軌道機動修正（TCM）（立方星能在深空進行軌道修正，不錯吧），與洞察號同步到達火星軌道。

單顆MarCO是一顆6U的立方星，總尺寸爲36*24*12cm，質量僅爲14 kg。立方星的電源系統由雙翼太陽電池翼和鋰離子蓄電池組成，在1AU處輸出功率可達35W。推進系統由8個推力器組成：4個爲姿控推力器，另4個爲變軌推力器，推進劑採用的是冷氣推進劑。（麻雀雖小，五臟俱全，主頁君注）通信系統是立方星的核心繫統，採用了Iris V2的軟件定義無線電系統，X波段可產生4W的射頻輸出，能夠與地面深空測控網兼容。除此之外，爲了更好地滿足通信和熱控的需要，無線電還有外部固態功放和低噪聲放大器。每顆立方星都有一個低增益天線，用於近地軌道通信；中增益天線，用於安全模式通信；高增益天線，用於高速通信。在洞察號EDL期間的7分鐘內，可實時向地球傳輸8kbps的數據。

MarCO-A和MarCO-B立方星構型圖

MarCO立方星實物

在歷次火星着陸任務中，火星勘測軌道器（MRO）承擔了地火中繼通信任務。然而，由於MRO在接收數據時無法同步傳輸到地面，因此火星着陸的數據要滯後1小時。MarCO立方星將承擔起EDL期間實時中繼通信的任務。在MarCO立方星抵達火星後，兩顆星運行在3500 km軌道高度。兩顆立方星的UHF天線指向洞察號，X波段高增益天線指向地球。EDL期間，洞察號通過UHF天線以8kbps傳輸速率將數據傳輸至MarCO-A和MaCO-B立方星，再由立方星通過X波段將數據傳輸至位於馬裏蘭的70m口徑的深空測控網，從而實現地面站實時接收火星着陸期間數據。

中繼立方星簡介視頻（來源：NASA）

MarCO-A和MaCO-B中繼通信示意圖

這次立方星中繼測試旨在爲未來的任務提供通信和導航功能，並可能有助於洞察號的通信，這也是立方體衛星技術公司在深空環境下首次測試其立方體衛星。如果這次測試成功，那麼該技術有助於爲NASA提供快速通信能力，可以快速獲取探測器登陸火星後的狀態信息，而不必像以往任務一樣備受“黑色八分鐘”的煎熬。

（二）首次部署火星地震儀探測地外天體內部活動

火星內部結構地震實驗儀（Seismic Experiment for Interior Structure, SEIS）是洞察號的主載荷，用於監視1個火星年內4-5級地震以及其他內部活動，尤其是小行星撞擊。SEIS由兩個獨立的、三軸地震儀組成，即超靈敏度寬譜段地震儀和小型短期地震儀。這兩種地震儀的聯合部署也曾用在ExoMARs和SELENE-2中。這兩個地震儀安裝在SEIS內部的精確調平機構（Precision Leveling Structure）上，外部由氣溶膠防熱隔層（Aerogel Thermal Insulation）和防風防熱罩（Wind and Thermal Shield）進行隔離，並由一根柔性電纜與SEIS電子盒連接。輔助有效載荷感應包（Auxilliary Payload Sensor Suite，APSS）是洞察號另一個重要的載荷，這是一套用於監視表面溫度、風、壓力、磁場等數據的環境監視儀器，幫助洞察號在火星表面安全部署有效載荷，並且有助於更好理解SEIS儀器監視到的數據。在科學觀測階段，SEIS的操作每週一次。着陸器與JPL地面站進行通訊，地面站再發送指令給SEIS。

SEIS內部結構示意圖

採用機械臂移動SEIS的試驗過程

（三）首次深入火星地殼測量火星內部熱流

熱流和物理性能包（Heat Flow and Physical Properties Package，HP3）是洞察號的另一個主載荷。主要任務目標是，利用熱流探針深入火星表面以下5m左右，探測火星內核大小、物理狀況及組成，火星地殼厚度，以及火星內部熱狀況（包括土壤的介電常數、導電率、導熱率和土壤溫度等）。通過對這些數據的探測，來獲得着陸區域附近的行星熱流，從而揭示火星地質物理的基本問題。

HP3由電機鑽取機構（又稱“鼴鼠”）和一個有效載荷艙組成。有效載荷艙裝備了探測土壤電特性的介電常數探針、用於測量熱導係數的加熱器、確定儀器位置的傳感器。儀器電纜連接了有效載荷艙和位於火星表面的支持系統，工程電纜連接支持系統和着陸器。着陸後，洞察號攜帶的機械臂將在表面部署SEIS和HP3。部署完畢之後，HP3將深入到50cm以下的亞表層測量介電常數。之後需要48h散發錘擊產生的熱量，待散熱完成後，再進行導熱係數測量，大約需要24h。這項操作將重複進行，可以在30天內到達5m目標深度。此後，長期監測階段開始，這個階段主要工作是每小時測量溫度，直到任務結束。

HP3示意圖

（四）攜帶240萬人名字共赴火星

比起在天空中買一顆星星命名，將名字免費放上火星更加實惠，許多人通過NASA分享的網站將自己或是偶像的名字登記上火星，NASA共收集了240萬個來自不同國家和地區的人名，其中來自美國的人名多達68萬人，佔據世界第一，而來自中國的人名共26萬人，排行世界第二。NASA也將兌現諾言，將這些人名帶上太空。

NASA的做法成功引起了世界各地的人們對洞察號的關注，這一做法讓更多人都參與到火星探索上來。

網站林主編的姓名卡

當年鳳凰號火星探測器攜帶的紀念光盤

（五）因微小裂縫錯失兩年前發射機會

事實上，早在上世紀70年代，NASA的海盜號着陸器曾經想過收集火星的地震數據這回事，只有這樣才能知道火星的外殼有多厚。但海盜號的地震數據不可靠，因爲它的地震儀並沒有緊貼在火星表面。

洞察號因此成了科研人員夢寐以求的探測計劃。但2015年底，科研小組在洞察號地震儀的真空系統裏發現了一條細小的裂縫。雖然裂縫的寬度只有幾納米，但已經足以影響到實驗的精度。因此原定2016年中的發射計劃因此被推遲，由於地火發射窗口的原因，這一推遲就是兩年。

在首席專家Bruce Banerdt及其科研團隊的努力下，洞察號的真空系統已被重新設計，着陸器的其它部分也得到了重新驗證。現在的洞察號，要比2016年時可靠得多。

四、美國的未來火星探測

（一）火星探測取得了輝煌成就（2000-2020）

美國於2000年正式啓動了火星探測計劃（MEP）。自該計劃啓動以來，NASA制定了“跟水走”的探測路線，系統規劃了火星探測計劃，幾乎在每一個窗口均成功發射了火星探測器。在火星探測計劃的統一管理下，共發射了8次火星任務，包括奧德賽、勇氣號、機遇號、火星勘測軌道器、鳳凰號、好奇號、MAVEN和洞察號。目前，第九項任務正在研製中，即火星2020計劃。火星2020是美國國家研究委員會（NRC）“十年調查”報告中推薦的最高優先級的旗艦型火星任務，旨在對火星樣本進行取樣返回。無論是在航天工程技術領域，還是在行星科學領域，均取得了舉世矚目的成就。

（二）未來將掀起火星探測新高潮（2020-2030）

儘管在過去十年美國火星探測取得了輝煌了成就，然而未來十年缺乏科學的規劃。近日，美國行星學會公佈了一篇題爲《火星計劃的倒退——NASA重返火星探測計劃之路》的報告。報告指出，自2012年之後，NASA就沒有新型號立項：在未來十年沒有任何官方計劃來支持火星取樣返回任務，也沒有任何計劃去替代超長服役的奧德賽和MRO。目前在役的火星探測器均超期服役，平均壽命在10年以上。尤其是奧德賽和MRO在軌運行時間分別高達15年和13年，大大超過了設計壽命。研製新一代高分辨率成像和中繼通信火星軌道器迫在眉睫。如果要支持火星2020完成取樣返回任務，新一代火星軌道器必須在2022年發射，才能確保到2023年具備執行中繼通信的能力。火星探測任務本身研製週期長、發射機會少等特點，未來2020-2030年期間火星探測計劃令人看憂。

五、總結

（一）科學目標的新穎性逐漸引領空間科學發展方向

自上世紀50年代以來，人類共開展了40餘次火星探測任務，其探測類型主要經歷了飛越探測、環繞探測、着陸探測、巡視探測，未來還將進行火星取樣返回探測，而洞察號是人類首次對火星內部進行的探測任務。正因爲其獨特的科學價值，也使得洞察號在與“發現計劃”另外兩項任務（Hopper彗星探測器和土衛-6探測器）競標中脫穎而出。洞察號的成功，使得人類對於火星的探測正逐步從火星大氣、地質地貌，逐步深入到火星地表層內部，其科學成果也將填補這項空白。探測方式的多樣化、科學目標的多元化正成爲未來火星探測的發展方向，而人類的深空探測也將從工程目標牽引逐步向科學目標牽引轉變。

（二）充分利用有限的發射機會開展技術驗證

火星探測器研製週期長、發射窗口少，研製成本高，因此，充分利用有限的發射機會開展技術驗證是有效的途徑。與洞察號一起發射的兩顆火星立方星進行EDL期間中繼通信，充分利用了本次發射窗口的機會，既不影響洞察號主要科學任務，也在能驗證關鍵技術。如果此次立方星演示驗證任務成功，將極大地提高未來火星探測器成功着陸的概率。除火星立方星之外，NASA也正在研製火星無人機，可爲火星巡視器提供路徑規劃。隨着科學任務預算的縮緊，經濟可承受性將成爲主要航天大國考慮的因素，未來這種搭載發射的探測模式或將成爲趨勢。

（三）在有創新的同時充分注重技術的繼承與銜接

洞察號屬於“發現系列”的首席專家制任務，是小成本、高回報的科學任務，在技術上繼承了鳳凰號的總體方案，其任務規模、分系統設計、EDL方式等均有相當高的繼承性。不僅如此，火星2020旗艦任務也是充分繼承了好奇號火星車的技術基礎。這種任務模式的優勢在於，一方面技術成熟度比較高，另一方面有助於經濟可承受的空間科學任務的實現。除此之外，NASA每個幾年都會公佈技術路線圖，涵蓋了深空探測的各個領域，期望從技術層面注重技術的繼承與銜接。

（全文完）