? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 航天時(shí)代?火星探索?美國(guó)“洞察號(hào)”

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

“洞察”號(hào)火星無(wú)人著陸探測(cè)器是美國(guó)宇航局向火星發(fā)射一顆火星地球物理探測(cè)器，它的機(jī)身設(shè)計(jì)繼承先前的鳳凰號(hào)探測(cè)器，著陸火星之后將在火星表面安裝一個(gè)地震儀，并使用鉆頭在火星上鉆出迄今最深的孔洞進(jìn)行火星內(nèi)部的熱狀態(tài)考察。根據(jù)項(xiàng)目首席科學(xué)家布魯斯?巴內(nèi)特的說(shuō)法，這一探測(cè)器將是一個(gè)國(guó)際合作進(jìn)行的科學(xué)項(xiàng)目，并且?guī)缀跏窍惹按螳@成功的鳳凰號(hào)探測(cè)器的翻版。

2018年5月5日凌晨4時(shí)05分，搭載“洞察”號(hào)火星探測(cè)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(hào)發(fā)射臺(tái)發(fā)射升空，執(zhí)行人類首個(gè)探究火星“內(nèi)心”的探測(cè)任務(wù)。11月26日14時(shí)54分許，“洞察”號(hào)無(wú)人探測(cè)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(shí)05分，搭載“洞察”號(hào)火星探測(cè)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(hào)發(fā)射臺(tái)發(fā)射升空，執(zhí)行人類首個(gè)探究火星“內(nèi)心”的探測(cè)任務(wù)。

著陸

2018年11月26日，美國(guó)國(guó)家航空航天局官網(wǎng)發(fā)布消息稱，火星探測(cè)器“洞察號(hào)”將于美國(guó)時(shí)間11月26日，在火星表面著陸。著陸前，它將以19800公里的時(shí)速進(jìn)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(shí)47分，“洞察”號(hào)進(jìn)入火星大氣層，整個(gè)進(jìn)入、降落和著陸的過(guò)程在約7分鐘內(nèi)完成。

2018年11月26日14時(shí)54分許（北京時(shí)間27日3時(shí)54分許），美國(guó)航天局的“洞察”號(hào)無(wú)人探測(cè)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(hào)通過(guò)與其同行的迷你衛(wèi)星于15時(shí)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(hào)無(wú)人探測(cè)器提供的數(shù)據(jù)，美國(guó)航天局開(kāi)始在網(wǎng)上發(fā)布火星每日天氣報(bào)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(guó)《科學(xué)》雜志報(bào)道，“洞察”號(hào)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(guò)探測(cè)“火星震”的轟鳴聲來(lái)揭示有關(guān)火星內(nèi)部的謎團(tuán)。幾周后，著陸器首次聽(tīng)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(lái)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(guò)，在火星表面產(chǎn)生淺淺的長(zhǎng)周期波——瑞利波。

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主要任務(wù)

洞察”號(hào)任務(wù)全稱“通過(guò)地震調(diào)查、測(cè)地學(xué)及熱傳導(dǎo)實(shí)施內(nèi)部探測(cè)”，是首個(gè)研究火星內(nèi)部的探測(cè)任務(wù)，也是美國(guó)火星無(wú)人探測(cè)項(xiàng)目的重要部分，設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)間為兩年?？茖W(xué)家希望通過(guò)“洞察”號(hào)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(dòng)等情況。目的是想嘗試回答一個(gè)科學(xué)界最基本的問(wèn)題：行星是如何形成的？

如果一切順利，探測(cè)器預(yù)計(jì)將于2018年11月26日左右在火星赤道附近著陸，然后用機(jī)械臂把地震測(cè)量?jī)x和溫度測(cè)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(dòng)。洞察號(hào)將在火星表面的著陸點(diǎn)就地完成其大部分設(shè)定的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)。它的機(jī)械臂將攜帶兩臺(tái)科學(xué)儀器直接接觸火星地表展開(kāi)考察工作。巴內(nèi)特說(shuō)：“機(jī)械臂將會(huì)把地震儀和地?zé)崃魈綔y(cè)儀從儀器平臺(tái)上取下，依次擺放在探測(cè)器旁邊的地面上。機(jī)械臂本身并不攜帶有鉆頭，但是熱流探測(cè)儀會(huì)自動(dòng)向下鉆探，深度可以達(dá)到5米左右?！?/span>

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一、8億美元的雄心壯志

2018年11月26日美東時(shí)間下午2:52，“洞察號(hào)”探測(cè)器正式登陸火星。它穿過(guò)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(gè)深入研究火星“內(nèi)部空間”（地殼、地幔和地核）的太空“探險(xiǎn)家”，“洞察號(hào)”的火星之旅實(shí)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(shí)驗(yàn)儀SEIS臨時(shí)發(fā)生故障，發(fā)射窗口也存在技術(shù)問(wèn)題，整裝待“發(fā)”的洞察號(hào)不得不送回丹佛的洛克希德馬丁公司工廠進(jìn)行調(diào)整并再覓良機(jī)。

“洞察號(hào)”不僅外形炫酷，還造價(jià)不菲，渾身都是金錢(qián)的味道。

“洞察號(hào)”成本為6.75億美元，其電力來(lái)自兩個(gè)圓形的太陽(yáng)能電池板，使用壽命預(yù)計(jì)可達(dá)2年（一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(fèi)1.5億美元對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，于是這個(gè)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(shí)間上午11點(diǎn)05分，“洞察號(hào)”在美國(guó)加州中部的某空軍基地成功發(fā)射。歷時(shí)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(hào)”對(duì)火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)及隕石對(duì)火星影響的研究，可幫助我們了解40多億年前太陽(yáng)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。“洞察號(hào)”裝備了重達(dá)50千克的科學(xué)儀器和輔助系統(tǒng)，其中不得不說(shuō)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(shí)驗(yàn)儀（SEIS）和熱傳感物理特性箱（HP3）。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)儀（SEIS）可以稱作火星上的“地震儀”，最高可探測(cè)到50Hz的高頻地震波，它不但能精確測(cè)量火星上的地震等內(nèi)部構(gòu)造活動(dòng)，還可以研究隕石撞擊對(duì)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(hào)”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(hào)“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(cè)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(cè)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(dòng)，火星上雖然沒(méi)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(dòng)區(qū)域。而且，相比起地球，火星表面非常安靜，這使得“洞察號(hào)”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(hào)”按計(jì)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(jì)、氣溫和風(fēng)速風(fēng)向傳感器、氣壓計(jì)等一整套氣象工具，能檢測(cè)火星上的地質(zhì)活動(dòng)、磁場(chǎng)干擾和氣溫風(fēng)向等數(shù)據(jù)。

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

今年3月7日和3月18日，“洞察號(hào)”的地震儀在火星上一個(gè)叫做Cerbeus Fossae的地方探測(cè)到兩次強(qiáng)烈、清晰的地震，震級(jí)分別為3.3級(jí)和3.1級(jí)，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(hào)”檢測(cè)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(dòng)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(jìn)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(shuō)，“洞察號(hào)”向火星地下部署熱傳感探頭的任務(wù)進(jìn)行兩年后以失敗告終[6]。

自2019年2月28日以來(lái)，“洞察號(hào)”一直努力讓“鼴鼠”深挖火星以測(cè)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(wú)法挖到足夠的深度。

今年1月9日，“鼴鼠”又進(jìn)行了500次錘擊，卻仍未取得任何實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，無(wú)奈的研究人員只能選擇放棄，宣告“洞察號(hào)”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(wú)意義。在未來(lái)，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(guò)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(wú)疑是開(kāi)創(chuàng)性的。

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三、冬季來(lái)臨，“洞察號(hào)”電力不足

隨著火星冬季的來(lái)臨，“洞察號(hào)”面臨著越來(lái)越多的生存挑戰(zhàn)。

“洞察號(hào)”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(huì)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(hào)”機(jī)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(duì)電纜的影響。

“洞察號(hào)”登陸火星時(shí)，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(gè)期限是有現(xiàn)實(shí)依據(jù)的：

“洞察號(hào)”的設(shè)計(jì)非常持久耐用：配備兩個(gè)直徑約2米、展開(kāi)后寬約6米的圓形太陽(yáng)能電池板；且著陸點(diǎn)位于火星赤道，陽(yáng)光充足。雖然隨著時(shí)間的流逝，太陽(yáng)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(jì)+適當(dāng)?shù)闹扅c(diǎn)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(hào)”并沒(méi)有按計(jì)劃退休。今年初，任勞任怨的它又被延長(zhǎng)了兩年的任務(wù)期，以繼續(xù)探測(cè)火星表面的地震和塵暴等現(xiàn)象。也就是說(shuō)，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(jì)劃讓“洞察號(hào)”工作到2022年底，但由于太陽(yáng)能電池板上的灰塵越來(lái)越多，影響了其對(duì)陽(yáng)光的吸收；而今年初，隨著火星冬季的來(lái)臨，陽(yáng)光越來(lái)越少，這讓原本就不富裕的太陽(yáng)能電池板雪上加霜。延遲退休的“洞察號(hào)”眼看就要堅(jiān)持不住了。

實(shí)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?！岸床焯?hào)”著陸的埃律西昂平原不僅陽(yáng)光充足，而且風(fēng)力充沛，理論上可以吹走太陽(yáng)能電池板上累積的灰塵，使其能在設(shè)計(jì)的生命周期內(nèi)使用多年。

理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。雖然“洞察號(hào)”在火星上發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)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(yáng)能電池板于2018年11月展開(kāi)以來(lái)，還未曾遇到一個(gè)近距離的塵暴來(lái)清理充滿灰塵的面板，“借東風(fēng)”的如意算盤(pán)也落了空。

如今，滿覆塵土的太陽(yáng)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(jī)械臂、無(wú)線電和各種加熱器之間共享（加熱器能確保“洞察號(hào)”在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而電量不足會(huì)降低加熱器功率，影響“洞察號(hào)”的正常運(yùn)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(lái)幾個(gè)月內(nèi)都不會(huì)有大風(fēng)來(lái)充當(dāng)清潔工了。

開(kāi)源受阻，只能節(jié)流了。面對(duì)此等兩難境地，研究人員在今年初暫時(shí)限制了“洞察號(hào)”的運(yùn)行：他們陸續(xù)關(guān)閉各種儀器，在保證加熱器和無(wú)線電通信等高耗能活動(dòng)電力的情況下，使“洞察號(hào)”進(jìn)入冬眠狀態(tài)，只定期喚醒以檢查其運(yùn)行狀況并與地球通信。由于天氣傳感器在大部分時(shí)間里都處于關(guān)閉狀態(tài)，此前每天更新的天氣頁(yè)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(guò)“洞察號(hào)”有應(yīng)對(duì)這一情況的設(shè)計(jì)：即使由于突如其來(lái)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(lái)，就能在重新接受陽(yáng)光照射時(shí)重啟。

也就是說(shuō)，只要“洞察號(hào)”能以目前的狀態(tài)堅(jiān)持到今年7月份（屆時(shí)火星將再次開(kāi)始接近太陽(yáng)），不再出什么幺蛾子，就能絕地逢生，全面恢復(fù)正常運(yùn)行和科學(xué)探測(cè)活動(dòng)。

“洞察號(hào)”的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人布魯斯?班納特（Bruce Banerdt）表示：“‘洞察號(hào)’研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制定了一個(gè)強(qiáng)有力的計(jì)劃，保證讓其安全過(guò)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(chē)輛和一流的團(tuán)隊(duì)，期待‘洞察號(hào)’未來(lái)有更多的新發(fā)現(xiàn)?！?/span>