洞察号探测器成功降落火星传回首张图像 它带了哪些实验设备需要做什么实验 一文了解

　　北京时间03:53:20，世界第八个火星着陆器“洞察号”安然度过降落过程中的“恐怖7分钟”，并成功降落到火星表面。着陆时，着陆区火星Elysium平原的地方时大约是下午两点，与此同时在任务控制中心，地球上美国的加利福尼亚州则是26号的大中午，而在中国北京则是27号凌晨将近4点。

降落到火星地表的“洞察号”火星探测器示意图

迄今人类发射的全部火星探测器

探测器以极快的速度传回了第一张拍摄的图像，展示的是远处的火星地平线，拍摄时半透明的防尘盖尚未去除，因此可以看到沾满尘埃的镜头画面

　　美国宇航局对于火星着陆区的天气预报是：当天最高温大约零下8度，最低温大约零下96度；地球上，加州此时25度；北京6度，上海13度。此时在着陆区的火星北半球，正值深秋初冬，和我们地球上北半球的情况差不多。
　　NASA在火星拥有良好记录：1965年以来发射了很多飞掠，轨道器和着陆器还有漫游车；这并非易事，即便是NASA，火星任务成功率整体也未超过40%；火星稀薄的大气层让着陆变得十分困难，地表巨大的温差也对设备提出巨大挑战。
　　此次登陆的“洞察号”是人类历史上首个专门开展火星内部结构研究的探测器，当着陆成功的消息传来，位于加州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室（JPL）控制室内爆发出热烈的掌声和欢呼声。
　　“洞察号”降落的位置位于火星北半球靠近赤道的一块广袤，平坦的平原，这里非常适合探测器着陆，甚至被NASA戏称为“火星上最大的停车场”。
　　在降落成功之后，探测器以极快的速度传回了第一张拍摄的图像，展示的是远处的火星地平线，拍摄时半透明的防尘盖尚未去除，因此可以看到沾满尘埃的镜头画面。未来几天，质量更好的图像将陆续回传。
　　一.“洞察号”是什么？
　　“洞察”（Insight）是“INterior exploration using Seismic Investigations， Geodesy and Heat Transport”的缩写，意思是“借助地震，大地测量以及热流手段进行内部探测”。属于NASA “发现”（Discovery）项目。

　　“洞察号”飞船和着陆器基本基于成功的“凤凰号”任务开展，并加装了来自MRO和GRAIL的最先进电子设备。发射时整个Insight飞船质量694公斤，其中包括着陆器（358公斤），隔热罩（189公斤），巡航级（79公斤），以及推进剂和压缩气体共计67公斤；其中各类载荷总质量大约50公斤。在火星表面着陆之后，由于支撑脚着陆火星后会有一定程度压缩，高度在83~108厘米之间，太阳能帆板展开后翼展6米，平台宽度1.56米，机械臂长度2.4米。
　　2018年5月5日，“洞察号”从加州范登堡空军基地发射升空，这也是第一次从美国西海岸，而不是东海岸的卡纳维拉尔角发射行星际探测器。发射时还搭载了两颗立方体小卫星“MarCO”，分别命名为“瓦力”和“伊娃”。这两个小卫星非常小，每个均为36.6厘米，24.3厘米，11.8厘米，但却发挥了重大作用，在“洞察号”着陆时提供了实时的信号中继服务。第一幅传回的火星地表图像，就来自于这两颗小卫星的数据中继。事实上，这也是人类航天史上首次将立方体小卫星发射到火星，代表了未来的某种技术趋势。
　　二.“洞察号”和那两个小卫星用什么供电？

　　很多人忽略了。两颗小卫星，“伊娃”和“瓦力”表现出色，这是人类第一次将这种微型小卫星发射到火星。它们很小，但却有大用处，正是它们提供了洞察号降落时的信号中转服务
　　“洞察号”和MarCO小卫星均使用太阳能帆板和锂离子电池。在洞察号上，两块太阳能电池板在地球上的一个晴天可以产生大约1800瓦的电力。这一数值在同样晴朗的天气条件下，在火星上的发电量大约是600~700瓦，差不多是家用搅拌机的功率。而如果在沙尘天气下，发电量仍可以保持在200~300瓦特，即便电池板被尘土部分覆盖也无妨。
　　三.“洞察号”去火星带了什么科学设备？
　　“洞察号”搭载的载荷总质量50公斤，包括科学设备和支持系统，如“辅助载荷传感器套件”，相机，设备布放系统，以及一台激光后向反射器。
　　其中科学载荷主要包括两台主要设备分别是SEIS和HP3，当然还有其他一些较小，但同样重要的科学设备，以下为你做一一介绍。
　　SEIS： 全称“内部结构地震实验”（The Seismic Experiment for Interior Structure）：它将精确测量地震波以及其他内部活动信号，以了解火星的历史和内部结构。它也将监测火星地壳和地幔如何对陨星撞击事件作出反应，而这将帮助探查其内部结构。
　　SEIS由法国空间局（CNES）提供，其余参与研制方还包括：法国巴黎地球物理研究所（IPGP），瑞士联邦理工大学（ETH），德国马克斯普朗克太阳系研究所（MPS），英国帝国理工学院，法国国立高等航空航天学院（ISAE）以及美国喷气推进实验室（JPL）。
　　这台地震仪还将可以检测其他信号，包括大气波以及火卫一产生的重力信号（引潮力），最高检测频率可以到50Hz。“洞察号”原定2016年升空，但在发射前SEIS的真空罐被发现存在泄漏，直接导致发射推迟两年；
　　SEIS设备还附带有一套气象学支持设备，用于监测大气扰动，以便进行抵扣，从而确保地震仪测量结果的准确性。这其中包括由加州大学洛杉矶分校研制的一套矢量磁强计，它将测量火星磁场扰动，比如由于火星电离层引起的磁场扰动；另外还有一台温度计，风速仪以及风向感受器，它们由西班牙和芬兰联合研制，基于此前安装在好奇号上的“火星车环境监测站”（REMS）研制；除此之外，还有一台JPL提供的气压计；
　　HP3： 全称“热流与物理性质包”（The Heat Flow and Physical Properties Package）：由德国空间局（DLR）提供，其为一种自动钻入式热流计，被称作是“自攻螺丝”，并获得“鼹鼠”的绰号。
　　其设计可以钻入地下5米深处，后部连接安装有热感受器的导线，用于测量火星地热流值，从而获取与火星内部结构与演化有关的信息。这些安装在导线上的高灵敏度热感受器每隔10厘米安装一台，从而测量地表下垂直温度剖面。值得一提的是，这台“鼹鼠”的钻头是由波兰公司Astronika提供的，这也是波兰首次参与行星际探测项目。
　　RISE：全称“自转与内部结构实验”（The Rotation and Interior Structure Experiment）：由JPL领导，这是一项无线电科学实验项目，使用着陆器的X波段无线电通讯，提供火星自转的精准测量，从而帮助了解火星内部。X波段的无线电测量精度可以达到2厘米以下，是依据此间“海盗号”以及“火星探路者”项目的数据构建的。
　　对火星内核大小的最早约束来自海盗号以及火星探路者计划期间的无线电多普勒信号测量；Viking （1977） 以及 Pathfinder （1997）的测量确定了相隔20年，火星自转轴的变化；自转轴指向的这一变化值可以得到进动率，进而推算火星的转动惯量，这些参数对于测算火星地幔平均密度，地核半径和密度十分关键；而InSight将提供再过20年之后的火星自转轴指向最新数据。
　　TWINS： 全称“洞察号温度与风速测量设备”（Temperature and Winds for InSight）：由西班牙天体生物学中心提供，它将监测着陆区气象情况；
　　LaRRI： 全称“洞察号激光后向反射器”（Laser RetroReflector for InSight）：这是一个由意大利空间局提供的角锥反射器，安装在“洞察号”的顶部平台上。它将让轨道器可以进行被动式激光测距，即便在着陆器已经退役情况下也是如此，并将成为拟议中的火星地球物理网络的一个节点。此前这一装置已经在“斯恰帕拉利”着陆器（Schiaparelli）上应用，当时名为“INRRI”，即“着陆漫游车激光后向反射调查装置”。这是一个直径54mm，重25克的铝制半球体，表面设有8个熔融氧化硅反射器。
　　除了以上各部分，另外还有：
　　IDA：（设备布放机械臂，Instrument Deployment Arm）：长2.4米，用于将SEIS以及HP3设备布放到火星表面；
　　IDC：（设备布放相机，The Instrument Deployment Camera）：这是一台彩色相机，基于MER火星车以及好奇号导航相机设计。其安装在IDA上，可以拍摄位于着陆器平台上的设备，并提供着陆器周围环境的立体图像。
　　其拥有45度视野，使用1024 × 1024像素CCD相机。最开始IDC相机的设计是黑白的，这样可以达到最高的分辨率，基本是按照避障相机标准研制的但由于研制时间和预算都在计划内，因此这台相机后来被换成了彩色的。
　　ICC：（设备背景相机，The Instrument Context Camera）：是一台基于MER/MSL避障相机设计的彩色相机，安装于着陆器平台之下，拥有120度立体广角视野，用于提供设备布放区域的辅助视野。它与IDC一样，使用1024 × 1024像素CCD相机。“洞察号”着陆之后传回的第一幅照片就是由ICC相机拍摄的。
　　四.这次任务有哪些特别之处？

迄今人类发射的全部火星探测器

迄今取得成功的人类火星探测器，对比上图，你会发现成功率不到50%

　　简单明了的回答你，我们至少可以列出以下这八项“第一”：

• 　　1）“洞察号”是第一个专用于研究火星深部地下的探测任务；
  
• 　　2）“洞察号”是第一个将地震仪直接放置在火星地表的探测器；
  
• 　　3）“洞察号”将第一次在另一颗行星上探测地震现象；
  
• 　　4）“洞察号”是第一个使用自钻式钻头，深入火星地下的探测器，钻进深度比以往任何探测器深15倍以上，最深达到5米；
  
• 　　5）“洞察号”是第一个从美国西海岸发射升空的行星际探测器（发射时美国西海岸正值黎明破晓时分）；
  
• 　　6）“洞察号”是第一个使用机械臂将设备直接布放到其他行星地表的探测器；
  
• 　　7）“洞察号”将首次在火星表面使用磁强计；
  
• 　　8）搭载发射的MarCO小卫星是首次在深空任务中使用的立方体卫星。
  

　　五.为什么“洞察号”要选择去火星？

　　迄今全部8个成功的火星着陆器（漫游车）的位置，亮黄色为“洞察号”（Insight）
　　同样简单明了的回答：类地行星的内部结构存在高度相似性，可是火星仍有不同。由于地幔物质对流和板块运动，地球早期物质分异和演化的历史线索几乎已经完全灭失，而根据其地表或是纵深方向上物质成分的变化，火星或许仍然留存有这些信息；其次，针对火星陨石的同位素分析显示孤立的岩浆房在火星早期历史时期长期存在，这表明火星上的地幔物质对流并不充分，不足以导致其地幔均一化，火星地壳的很大一部分定年结果显示其形成于太阳系最初的5亿年内甚至更早，因此，对火星内部的调查将有望帮助了解行星早期物质分异阶段的情况；
　　简单说，至少有以下几点理由：

• 　　有证据显示火星的壳/幔基本结构在形成后数亿年至今没有发生大的变化，去那里可以帮助我们回顾类地行星形成早期的历史；
  
• 　　相比其他类地行星，比如金星和水星，火星相对要更容易抵达；
  
• 　　我们关于火星的地质，化学，气候历史等方面的知识储备将极大有助于我们将这些与内部结构形成方面的考察结果结合起来，并加深我们队太阳系的认识。
  

　　六.怎么着陆的？

　　“洞察号”的推特账号发文说：我正在高速穿越火星大气层！此时它正承受8个G的过载，超过1500摄氏度的高温
　　这才是今晚的重头戏，也是整个任务极为关键的一环。2018年5月5日升空，飞行将近半年时间，在太空中飞行4.85亿公里，终于在今天抵达火星，此时此刻，火星与地球之间相距大约1.46亿公里，大致与地球到太阳的距离相当，以光速传播的无线电信号单程需要走8分钟。这要分几个关键阶段，总耗时大约7分钟，这一阶段必须依靠探测器完全自主完成，因为信号单程都要8分钟，等到地面反应过来，该发生的灾难早就已经发生了。由于极具风险，因此这一过程常常被人称作“恐怖7分钟”。以下，我们分介个阶段来做详细解答：
　　1）进入大气层之前
　　进入大气前7分钟，巡航级与飞船分离。分离后飞船的剩余部分叫做“进入器”，其包括隔热罩以及内部的着陆器。在与巡航级分离后，“洞察号”将开始开始通过设在其背罩上的一台全向天线发出一个仅有载波（不含数据）的信号。
　　大约在巡航级分离30秒后，“进入器”将开始调整方位，将隔热大底对准前方，准备大气进入，这一调整大约需要90秒。在进入大气之前，“洞察号” 背罩上的全向天线将开始以每秒8kb的速度，在特高频波段（UHF）传输数据。

　　2）冲入火星大气层
　　在完成转动动作，将隔热大底对准前方之后大约5分钟，“洞察号”将开始感受到火星大气摩擦。在冲入大气层之后，到降落伞打开之前大约3.5分钟，大气与隔热大底之间的剧烈摩擦将实现90%的减速。在进入大气层之后大约1.5分钟，隔热大底将面临最高温度考验，其外侧温度将达到1500摄氏度。大约17秒后，减速速率将达到最高，过载达到8个G左右。飞船被电离气体包裹，进入黑障，与地球的通讯将可能出现暂时性中断。
　　“洞察号”顶部的降落伞可能会由速度值或者减速速率触发，大约在进入大气层后3.5分钟左右开伞，此时距离地面大约12公里，速度约为每秒415米。开伞的一瞬间，降落伞承受的负载大约为12500磅（55600牛顿）。大约开伞后10秒钟，飞船着陆雷达将开始通电加温，辅助电池组将被激活，支持着陆器的主电池组，为接下来几分钟内耗电量较大的几项事件做好准备。
　　着陆器将在降落伞下下降大约3分钟。在最开始的25秒，“洞察号”将抛弃隔热大底并伸展开三条着陆支撑腿。开伞后大约75秒（距离着陆还有130秒），着陆器将开始使用雷达检测距离地面的高度。
　　当着陆器与背罩和降落伞分离时，下降速度已经减低到大约60米/秒，此时距离地面还有大约1200米，距离着陆还有45秒。按照设计，这次分离事件是由雷达检测飞船高度和速度来触发的。
　　当通讯联系从背罩上的“包裹式贴片天线”转向着陆器本身安装的螺旋状UHF发报机时，通讯出现暂时性中断。
　　3）减速降落
　　在着陆器分离半秒钟之后，着陆器上的12台降落引擎启动。搭载的用于下降末端的导航软件控制发动机喷口对准探测器运动方向，以补偿横向偏移量并进一步实现减速。如果探测器检测到其横向速度已经低于软件中的预设值，探测器将开始机动，以避免与仍在降落伞上下降的背罩发生碰撞。
　　这种机动将调整发动机喷口方向，以防止降落伞和背罩落下来之后距离着陆器太近。最后，探测器将旋转，调整到合适方位才缓缓降落到地面：它的太阳能电池板要在着陆器平台东西方向上展开，其机械臂的工作区域则应该朝南。
　　在距离地面大约50米时，“洞察号”将转入匀速下降阶段，速度大约每秒2.4米。大约不到半分钟后，探测器就将降落到地面上。
　　七.“洞察号”和“凤凰号”有什么不一样？
　　的确，“洞察号”基本是基于2008年取得成功的“凤凰号”着陆器的技术设计研制的。这当然有使用成熟技术，从而降低开支的考虑，并且“凤凰号”的设计确实相当理想。以它的火星着陆方案为例，2008年取得成功的“凤凰号”着陆系统重量上要比火星车着陆采用的气囊弹跳或者“天空起重机”系统更轻。这种“轻装上阵”帮助“洞察号”和它的前辈“凤凰号”一样，拥有相比火星车更高的科学载荷/发射质量比，也就是说，能够将更多的质量用来搭载科学设备，而不是着陆系统。

　　但相比“凤凰号”，“洞察号”的着陆系统有四大明显的差异：

• 　　1）“洞察号”进入火星大气层的速度更高，达到5.9公里每秒，相比之下，凤凰号则是5.6公里每秒；
  
• 　　2）“洞察号”进入器质量要比凤凰号更大，大约是608公斤，而凤凰号大约573公斤；
  
• 　　3）“洞察号”的着陆点海拔要比凤凰号高1500米左右，因此其可以用于减速的大气层厚度更薄；
  
• 　　4）相比“凤凰号”的着陆时间，“洞察号”着陆时的季节（北半球初冬），按照过去几年的经验，是容易发生全球规模沙尘暴的时间段，风险更高；另外，相比凤凰号使用的EDL系统，“洞察号”有部分改动，包括：“洞察号”使用了更厚的隔热罩，以应对可能的沙尘暴冲击；“洞察号”的降落伞将在更高速度条件下打开，因此其降落伞伞绳也将使用更结实的材料制作，等等。
  

　　八.最后一个问题，这项目花了多少钱？
　　好问题！这是一个美国主导的国际合作项目。美国方面投入资金8.138亿美元，包括1.634亿美元的火箭与发射服务开支，其余用于飞船研发以及一直到2020年预定任务结束期间的运行费用。除此之外，法国，德国以及其他一些欧洲国家也投入了大约1.8亿美元，主要用于开发SEIS，HP3的科学设备。另外，JPL和NASA还在两颗MarCO小卫星项目上投入了大约1850万美元。
　　好了，无论如何，此时此刻，人类第八个火星着陆器已经安然矗立在火星表面，预计它将在火星表面工作一个火星年，也就是大约两个地球年，一直工作到2020年的11月份。一起期待未来全新的科学之旅吧！

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