? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 航天時代?火星探索?美國“洞察號”

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2021-07-03? ?青野云麓?

“洞察”號火星無人著陸探測器是美國宇航局向火星發(fā)射一顆火星地球物理探測器，它的機身設(shè)計繼承先前的鳳凰號探測器，著陸火星之后將在火星表面安裝一個地震儀，并使用鉆頭在火星上鉆出迄今最深的孔洞進行火星內(nèi)部的熱狀態(tài)考察。根據(jù)項目首席科學(xué)家布魯斯?巴內(nèi)特的說法，這一探測器將是一個國際合作進行的科學(xué)項目，并且?guī)缀跏窍惹按螳@成功的鳳凰號探測器的翻版。

2018年5月5日凌晨4時05分，搭載“洞察”號火星探測器的“宇宙神”V－401型火箭從位于加州中部的范登堡空軍基地3號發(fā)射臺發(fā)射升空，執(zhí)行人類首個探究火星“內(nèi)心”的探測任務(wù)。11月26日14時54分許，“洞察”號無人探測器在火星成功著陸，執(zhí)行人類首次探究火星“內(nèi)心深處”奧秘的任務(wù)。

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發(fā)射歷程

發(fā)射

2018年5月5日凌晨4時05分，搭載“洞察”號火星探測器的“宇宙神”V－401型火箭從位于加州中部的范登堡空軍基地3號發(fā)射臺發(fā)射升空，執(zhí)行人類首個探究火星“內(nèi)心”的探測任務(wù)。

著陸

2018年11月26日，美國國家航空航天局官網(wǎng)發(fā)布消息稱，火星探測器“洞察號”將于美國時間11月26日，在火星表面著陸。著陸前，它將以19800公里的時速進入火星大氣層頂部，并在三條腿落地火星表面之前，慢慢降至?xí)r速8公里，相當(dāng)于人類慢跑的速度。這種急遽減速必須在不到7分鐘內(nèi)完成。

2018年11月26日14時47分，“洞察”號進入火星大氣層，整個進入、降落和著陸的過程在約7分鐘內(nèi)完成。

2018年11月26日14時54分許（北京時間27日3時54分許），美國航天局的“洞察”號無人探測器在火星成功著陸，執(zhí)行人類首次探究火星“內(nèi)心深處”奧秘的任務(wù)。隨后，“洞察”號通過與其同行的迷你衛(wèi)星于15時許傳回了火星的第一張照片。

2019年2月19日起，根據(jù)“洞察”號無人探測器提供的數(shù)據(jù)，美國航天局開始在網(wǎng)上發(fā)布火星每日天氣報告，提供火星氣溫、風(fēng)速、氣壓等信息。

2019年3月18日，據(jù)美國《科學(xué)》雜志報道，“洞察”號著陸器終于將其超靈敏的地震儀置于火星表面。該儀器旨在通過探測“火星震”的轟鳴聲來揭示有關(guān)火星內(nèi)部的謎團。幾周后，著陸器首次聽到了火星上的微小震顫。這種新發(fā)現(xiàn)的噪聲很可能由來自大氣風(fēng)的低頻壓力波引起，這些大氣風(fēng)在火星表面呼嘯而過，在火星表面產(chǎn)生淺淺的長周期波——瑞利波。

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主要任務(wù)

洞察”號任務(wù)全稱“通過地震調(diào)查、測地學(xué)及熱傳導(dǎo)實施內(nèi)部探測”，是首個研究火星內(nèi)部的探測任務(wù)，也是美國火星無人探測項目的重要部分，設(shè)計任務(wù)時間為兩年?？茖W(xué)家希望通過“洞察”號了解火星內(nèi)核大小、成分和物理狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造，以及火星內(nèi)部溫度、地震活動等情況。目的是想嘗試回答一個科學(xué)界最基本的問題：行星是如何形成的？

如果一切順利，探測器預(yù)計將于2018年11月26日左右在火星赤道附近著陸，然后用機械臂把地震測量儀和溫度測量裝置永久安置于火星表面。這將是在火星上前所未有的行動。洞察號將在火星表面的著陸點就地完成其大部分設(shè)定的科學(xué)探測目標(biāo)。它的機械臂將攜帶兩臺科學(xué)儀器直接接觸火星地表展開考察工作。巴內(nèi)特說：“機械臂將會把地震儀和地?zé)崃魈綔y儀從儀器平臺上取下，依次擺放在探測器旁邊的地面上。機械臂本身并不攜帶有鉆頭，但是熱流探測儀會自動向下鉆探，深度可以達到5米左右。”

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一、8億美元的雄心壯志

2018年11月26日美東時間下午2:52，“洞察號”探測器正式登陸火星。它穿過火星稀薄的大氣層，利用降落傘減速后，緩緩降落在火星上的埃律西昂平原（Elysium Planitia）。

作為第一個深入研究火星“內(nèi)部空間”（地殼、地幔和地核）的太空“探險家”，“洞察號”的火星之旅實際上推遲了兩年多：最初定于2016年3月發(fā)射，但發(fā)射之際，地震實驗儀SEIS臨時發(fā)生故障，發(fā)射窗口也存在技術(shù)問題，整裝待“發(fā)”的洞察號不得不送回丹佛的洛克希德馬丁公司工廠進行調(diào)整并再覓良機。

“洞察號”不僅外形炫酷，還造價不菲，渾身都是金錢的味道。

“洞察號”成本為6.75億美元，其電力來自兩個圓形的太陽能電池板，使用壽命預(yù)計可達2年（一個火星年）。此外，它還裝備了一系列科學(xué)儀器和輔助系統(tǒng)，主要的科學(xué)儀器有內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實驗儀（SEIS）和熱傳感物理特性箱（HP3）。

在第一次火星之旅推遲后，NASA官方又決定再花費1.5億美元對其進行調(diào)整，于是這個重約0.7噸的家伙總成本超8億美元。

2018年5月5日當(dāng)?shù)貢r間上午11點05分，“洞察號”在美國加州中部的某空軍基地成功發(fā)射。歷時半年多、漫游4.58億公里的旅程后，于2018年11月26日成功著陸火星。

“洞察號”對火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)及隕石對火星影響的研究，可幫助我們了解40多億年前太陽系內(nèi)部的巖石行星（水星、金星、地球和火星）、巖石系外行星早期是如何形成的[3]。

要攬瓷器活，少不了金剛鉆?！岸床焯枴毖b備了重達50千克的科學(xué)儀器和輔助系統(tǒng)，其中不得不說的是它執(zhí)行主要任務(wù)兩大“法寶”：內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實驗儀（SEIS）和熱傳感物理特性箱（HP3）。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實驗儀（SEIS）可以稱作火星上的“地震儀”，最高可探測到50Hz的高頻地震波，它不但能精確測量火星上的地震等內(nèi)部構(gòu)造活動，還可以研究隕石撞擊對火星地殼和地幔的影響，從而讓研究人員更好地了解火星的歷史和結(jié)構(gòu)。

“洞察號”的另一“法寶”——熱傳感物理特性箱（HP3）是一種自穿透式的熱傳感探頭，綽號“鼴鼠”（mole）。這只“鼴鼠”可以在火星地表下5米處挖洞，其配備的溫度傳感器可以一邊挖洞一邊精準(zhǔn)測量熱量流經(jīng)火星核心的速率，從而揭示有關(guān)行星內(nèi)部演變的信息。

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二、大顯身手的“地震儀”和失敗的“鼴鼠”

檢測火星地震能幫助研究人員更直觀地了解火星的內(nèi)部構(gòu)造和地質(zhì)活動，火星上雖然沒有與地球類似的板塊構(gòu)造，但它有可以引發(fā)地震的火山活動區(qū)域。而且，相比起地球，火星表面非常安靜，這使得“洞察號”上的地震儀SEIS能夠捕捉到微弱而低沉的轟隆聲。

在成功著陸火星表面后，“洞察號”按計劃部署了地震儀和熱挖掘探頭。地震儀SEIS裝備了矢量磁力計、氣溫和風(fēng)速風(fēng)向傳感器、氣壓計等一整套氣象工具，能檢測火星上的地質(zhì)活動、磁場干擾和氣溫風(fēng)向等數(shù)據(jù)。

在火星上，“洞察號”每年能探測10~200個能提供地震聲信號的流星爆炸氣流。2019年4月6日（即著陸后的第128個火星日），“洞察號”上的地震儀探測到火星內(nèi)部微弱的“震動”信號，這是人類歷史上首次探測到的火星地震。

今年3月7日和3月18日，“洞察號”的地震儀在火星上一個叫做Cerbeus Fossae的地方探測到兩次強烈、清晰的地震，震級分別為3.3級和3.1級，Cerbeus Fossae被研究人員認(rèn)為是火星上的地震中心。迄今為止，“洞察號”檢測并記錄了500多次大大小小的火星地震[5]。不僅如此，其采集到的各類新數(shù)據(jù)（地殼厚度、地幔粘度、巖心半徑和密度以及地震活動等），能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上將精確度提升3~10倍。

地震儀在火星上可謂大展身手，但另一邊，“鼴鼠”探頭的進展卻不那么順利。

今年1月份，NASA在其官網(wǎng)發(fā)表聲明稱“鼴鼠”要休息了，也就是說，“洞察號”向火星地下部署熱傳感探頭的任務(wù)進行兩年后以失敗告終[6]。

自2019年2月28日以來，“洞察號”一直努力讓“鼴鼠”深挖火星以測量其內(nèi)部溫度。但是，由于火星上土壤的結(jié)塊傾向，“鼴鼠”摩擦力不足，始終無法挖到足夠的深度。

今年1月9日，“鼴鼠”又進行了500次錘擊，卻仍未取得任何實質(zhì)性進展，無奈的研究人員只能選擇放棄，宣告“洞察號”給火星量體溫的任務(wù)失敗。

任務(wù)雖然失敗了，但此舉并非毫無意義。在未來，登陸火星的航天員可能需要挖土獲取水冰，科學(xué)家們也希望通過研究火星的地下物質(zhì)以找到微生物生存的可能性?！褒B鼠”的工作無疑是開創(chuàng)性的。

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三、冬季來臨，“洞察號”電力不足

隨著火星冬季的來臨，“洞察號”面臨著越來越多的生存挑戰(zhàn)。

“洞察號”著陸附近不僅溫度低，而且晝夜溫差極大：從白天的0℃到夜晚的-100℃。這些極端的溫度變化可能會導(dǎo)致連接地震儀的電纜膨脹和收縮，從而影響數(shù)據(jù)精度[5]。

基于此，研究人員嘗試著利用“洞察號”機械臂末端的勺子將土壤“舀”到圓形的防風(fēng)隔熱罩上，隨后又將其覆蓋在電纜上，以盡可能減少溫差對電纜的影響。

“洞察號”登陸火星時，研究人員為它制定了為期兩年的工作任務(wù)（于2020年11月完成），這個期限是有現(xiàn)實依據(jù)的：

“洞察號”的設(shè)計非常持久耐用：配備兩個直徑約2米、展開后寬約6米的圓形太陽能電池板；且著陸點位于火星赤道，陽光充足。雖然隨著時間的流逝，太陽能電池板上的塵土?xí)椒e越多，從而減少其功率輸出，但精巧的設(shè)計+適當(dāng)?shù)闹扅c能保證其在兩年的主要任務(wù)期間仍有充足的電量輸出。

但“洞察號”并沒有按計劃退休。今年初，任勞任怨的它又被延長了兩年的任務(wù)期，以繼續(xù)探測火星表面的地震和塵暴等現(xiàn)象。也就是說，它要一直工作到2022年12月。

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廉頗老矣，尚能飯否？

雖然研究人員計劃讓“洞察號”工作到2022年底，但由于太陽能電池板上的灰塵越來越多，影響了其對陽光的吸收；而今年初，隨著火星冬季的來臨，陽光越來越少，這讓原本就不富裕的太陽能電池板雪上加霜。延遲退休的“洞察號”眼看就要堅持不住了。

實際上，研究人員做出令其延遲退休的決定也并不是頭腦發(fā)熱。“洞察號”著陸的埃律西昂平原不僅陽光充足，而且風(fēng)力充沛，理論上可以吹走太陽能電池板上累積的灰塵，使其能在設(shè)計的生命周期內(nèi)使用多年。

理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。雖然“洞察號”在火星上發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個塵暴（大風(fēng)把大量塵埃等細(xì)粒物質(zhì)卷入高空所形成的風(fēng)暴），但是自太陽能電池板于2018年11月展開以來，還未曾遇到一個近距離的塵暴來清理充滿灰塵的面板，“借東風(fēng)”的如意算盤也落了空。

如今，滿覆塵土的太陽能電池板只能產(chǎn)生不足正常情況下三分之一的電量，而這本就少得可憐的電量還要在地震儀、“鼴鼠”、機械臂、無線電和各種加熱器之間共享（加熱器能確?！岸床焯枴痹诘蜏丨h(huán)境下實現(xiàn)正常運轉(zhuǎn)，而電量不足會降低加熱器功率，影響“洞察號”的正常運行）。更嚴(yán)峻的是，火星上的大風(fēng)季節(jié)不久前也結(jié)束了，未來幾個月內(nèi)都不會有大風(fēng)來充當(dāng)清潔工了。

開源受阻，只能節(jié)流了。面對此等兩難境地，研究人員在今年初暫時限制了“洞察號”的運行：他們陸續(xù)關(guān)閉各種儀器，在保證加熱器和無線電通信等高耗能活動電力的情況下，使“洞察號”進入冬眠狀態(tài)，只定期喚醒以檢查其運行狀況并與地球通信。由于天氣傳感器在大部分時間里都處于關(guān)閉狀態(tài)，此前每天更新的天氣頁面目前也被暫停了。

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火星上氣候惡劣，常有沙塵暴遮天蔽日，不過“洞察號”有應(yīng)對這一情況的設(shè)計：即使由于突如其來的沙塵暴而耗盡電力，只要它的電子元件能在極端寒冷的環(huán)境中存活下來，就能在重新接受陽光照射時重啟。

也就是說，只要“洞察號”能以目前的狀態(tài)堅持到今年7月份（屆時火星將再次開始接近太陽），不再出什么幺蛾子，就能絕地逢生，全面恢復(fù)正常運行和科學(xué)探測活動。

“洞察號”的項目負(fù)責(zé)人布魯斯?班納特（Bruce Banerdt）表示：“‘洞察號’研究團隊已經(jīng)制定了一個強有力的計劃，保證讓其安全過冬，并準(zhǔn)備在2022年完成我們的科學(xué)任務(wù)。我們擁有出色的車輛和一流的團隊，期待‘洞察號’未來有更多的新發(fā)現(xiàn)?！?/span>