“洞察號”造訪火星 將對其進行45億年來“首次體檢”

此次洞察號的任務便與以往任何一個探測器都不同，它將通過“傾聽”火星地震和測量它的熱量輸出來研究火星的內部結構。有研究人員認為，這是對火星45億年來的第一次“體檢”。

北京時間11月27日凌晨3點56分，美國宇航局（NASA）的火星探測器“洞察”號在火星成功著陸。“洞察”號于今年5月5日發射，其在最終登陸火星之前已經飛行了近7個月。

航天專家龐之浩告訴21世紀經濟報道記者，人類至今已發射了40多個火星探測器，但成功率不足50%，所以火星也被稱作是“探測器墳場”。而最主要的原因就是火星距離地球太遙遠，這對軌道、控制、通信和電源等技術都提出了很高的要求。

然而，成功著陸的探測器都在火星上獲得了回報。據知乎航天話題優秀回答者太空精釀介紹，水手9號發現了太陽系最高的奧林帕斯山和最長的水手峽谷；全球勘探者號發現了冰川、湖泊和水溝存在的痕跡；奧德賽號發現了廣泛存在的地下水分；火星快車號發現了巨大的地底湖泊；好奇號發現了甲烷類有機物存在的直接證據。

一次次令人驚喜的發現，也讓人類更迫切地想要進一步去了解這個星球。此次洞察號的任務便與以往任何一個探測器都不同，它將通過“傾聽”火星地震和測量它的熱量輸出來研究火星的內部結構。有研究人員認為，這是對火星45億年來的第一次“體檢”。

“恐怖的”著陸7分鐘

通常而言，火星探測任務分為發射、巡航、進入下降和著陸、表面操作等四個階段。其中最難也是最關鍵的，便是第三個步驟。

龐之浩表示，探測器進入火星軌道的難度好比從巴黎打一個高爾夫球，要正好落到東京的某個球洞里。“這是由于通訊延時很長，所有數據都要提前注入。在探測器切入火星軌道過程中，如果切入點離火星過遠，則不能被火星的引力捕獲而掠過火星;如果切入點離火星太近，則可能墜毀于火星大氣層。”

1999年9月23日，美國“火星氣候軌道器”在即將進入預定軌道前燒毀，原因就是在軌道切入操作中，英制和公制單位的混淆造成導航誤差，使其因離火星太近被燒毀。

而在切入火星軌道之后，在火星表面著陸的難度將更大。太空精釀表示，火星距離地球最近之時也在6000萬公里級別，這意味著至少400秒的往返通訊延遲，而探測器在實際著陸時與地球的距離更遠，時間也遠大于400秒，因此，探測器的著陸過程必須全部自主完成。

探測器從進入火星大氣層到最終著陸，只需要7分鐘左右時間，而這也被稱作是“恐怖7分鐘”。之所以恐怖，是因為這個過程中涉及到的上千個復雜操作都只能通過預先設置，這意味著在探測器實際著落過程中，即便出現什么意外，人類也束手無策。

據龐之浩介紹，探測器在火星軟著陸方式主要有三種，即氣囊彈跳式、反推著陸腿式以及空中起重機式。這三種方式各有利弊，洞察號最終采取的是反推著陸腿式。

洞察號的整個降落過程約6.5分鐘，大致可分為四個階段：首先是超音速進入大氣層階段，洞察號在距離火星約125公里處，以5500米/秒的速度進入火星大氣層；約3.5分鐘后，洞察號進入傘降階段，其在距離火星約11.1公里處打開降落傘、分離隔熱盾、打開著陸架，此時的速度約為385米/秒，隨后開啟測距雷達，這個過程約2.5分鐘。

然后是反沖階段，洞察號與降落傘分離，速度已降到60米/秒，開啟反沖火箭點火，這個過程不到一分鐘；最后便是洞察號成功著陸。

洞察號著陸的地點其實也是經過長達四年的討論再最終決定的。龐之浩表示，由于洞察號是研究火星內部的結構，因此需要選擇“表皮”比較薄的地方；二是洞察號是原位式探測器，因此著陸點必須平坦；三是為了鉆開火星地表淺層往下埋放探針，還要找個平坦松軟的地方；四是著陸點要足夠明亮和溫暖，為探測器提供充分的太陽能。

綜合以上因素，NASA最終選擇了位于火星北半球赤道附近的埃律西昂平原西部，中心位置約北緯4.5度，東經136度。在這里，洞察號可以在沒有障礙物的情況下部署太陽能電池板和儀器，同時還擁有足夠的陽光為太陽能陣列充電。

洞察號的兩大任務

成功著陸后，洞察號很快便開始了地面操作，首先，它需要部署兩塊太陽能電池板，整個過程需要約16分鐘，這將保證洞察號的電力供應。

整個洞察號著陸器的重量約360千克，最大寬度約6米，有兩塊直徑2.2米，能像紙扇一樣展開的圓形太陽能電池板。NASA表示，當它們打開時，整個著陸器的大小與20世紀60年代的敞篷車相當。

據NASA介紹，洞察號在著陸后的一周以內，便將開始收集科學數據。據了解，洞察號此次帶有兩大科學任務：一是通過探測火星內部地震活動的規模、頻率和地理分布以及隕石撞擊火星表面的頻率，來確定目前火星地質構造活動的級別以及隕石撞擊火星的頻率。

二是通過調查火星內部結構和活動過程，研究類地行星的形成和演化過程，包括確定火星內部的熱狀態、火星地幔的成分和結構、火星地殼的厚度和結構以及火星地核的尺寸、成分和物理狀態（液體/固體）。

為此，洞察號攜帶了最先進的“內部結構地震實驗儀器”（SEIS）和“熱流和物理性質探測儀”（HP3）。實際上，洞察號也是一項國際合作項目，因為上述兩個儀器分別由法國和德國提供。

而地震儀的核心是裝在鈦合金球形真空容器內的3個高精度寬頻帶地震傳感器。它們非常靈敏，能測量不到1/4氫原子直徑的地面運動，并精確掌握火震和其他火星內部活動。

此外，洞察號還攜帶了由美國研制的“旋轉和內部結構實驗天線”（RISE）。它將利用探測器通信系統對行星旋轉進行精確測量，即通過火星與地球之間的無線電傳輸來評估火星繞軸自轉產生的擾動,從而更好地了解火星內部，為研究火星內核大小提供線索。

龐之浩告訴記者，科學家將通過上述這些先進的儀器探測到火星的各種“生命跡象”，而這些“生命跡象”，既是火星億萬年的成長記錄，也是揭開太陽系內類地行星演化之謎的鑰匙。

實際上，與洞察號同時發射的還有兩顆立方星，分別叫做MarCO-A和MarCO-B，它們的主要任務就是在洞察號著陸期間承擔洞察號和地球之間的通訊中繼工作，以第一時間向地球傳回洞察號的著陸狀況及洞察號著陸后拍攝的照片。

依靠這兩顆只有手提箱大小的立方星，洞察號著陸后用ICC相機拍攝的首張照片，在其著陸10分鐘后便傳回了地球。而如果沒有它們，洞察號的數據需要通過美國“火星勘測軌道器”進行中繼傳回地球，延遲將是1個多小時。

不過，這兩顆立方星的目的僅是用于驗證最新的深空探測實時通訊和新頻段通訊技術，所以它們僅能執行飛掠任務而無法進入火星軌道，因此，隨著洞察號的著陸，這兩顆立方星也將在火星引力的作用下，被甩向宇宙深處。

另外有意思的是，洞察號登陸火星的同時，還攜帶了兩個帶有公眾名字的微型芯片。這是NASA為了激發公眾對火星探測的興趣，而發起的一個活動。截至去年11月1日，全球總共有240多萬人的名字被刻在芯片上，其中美國人的名字最多，有65.3萬個，而中國人排在第二，有26萬多個。

目前來看，火星或許是人類實現星球移民最理想的選擇地，而在實現這一目標之前，還需要更多的國家參與以及發射更多的探測器前往，盡管過程是如此艱辛。據有關專家透露，中國的火星探測器計劃也將于2020年發射，且目前已完成氣動外形設計，以及氣動力、氣動熱設計工作。