人类首次探索火星内部！“洞察号”今天顺利着陆，加州理工教授解读任务亮点
NASA 火星探测器“洞察号”（InSight）于北京时间 11 月 27 日凌晨在火星表面软着陆，即将首次探索火星内部结构。科研圈对话加州理工学院喷气推进实验室首席科学家蒋红涛教授，第一时间了解任务情况。
洞察号着陆后拍摄的第一张照片，镜头上的防尘罩还未打开。| 图片来源：NASA
撰文 戚译引
美国国家航天航空局（NASA）的火星探测器“洞察号”（InSight）于北京时间 11 月 27 日凌晨在火星表面软着陆。着陆点位于埃律西昂平原（Elysium Planitia）西部，离好奇号只有 600 千米。这次任务开创了两个第一次：小型卫星 CubeSat 第一次探索深空，以及人类第一次探索火星内部结构。
“恐怖七分钟”
洞察号于 2018 年 5 月 5 日在加利福尼亚中部的范登堡空军基地（Vandenberg Air Force Base）发射升空。到今天凌晨，洞察号以时速 19800 千米抵达火星大气层顶部，然后减速到每小时 8 千米（相当于人类慢跑的速度），最终用三条腿着陆火星。而这样剧烈的减速过程全部发生在 7 分钟之内。
有工程师将着陆火星的过程称为“恐怖七分钟”。火星到地球的信号往返有 15 分钟左右的延迟，因此工程师们无法直接操纵探测器的着陆过程，只能让它按照预设程序运行。在刚刚过去的这个周末，NASA 工程师们一直在密切监测洞察号传回的数据流和火星天气报告，以便在必要时对着陆计划进行最后的调整。
加州理工学院喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）首席科学家蒋红涛教授告诉科研圈：“由于火星独特的大气密度和温度，探测器的着陆过程很难在地球表面进行模拟演练。但是 JPL 有着过去几十年的火星着陆经验，对火星大气对探测器的着陆过程影响已经非常了解。”
完全展开的洞察号，拍摄于位于科罗拉多州利特尔顿（Littleton）的洛克希德马丁航天公司（Lockheed Martin Space）的超净室。太阳能电池阵列完全展开后，在晴朗的天气条件下能提供大约 600～700 瓦的电力，大约相当于一台家用搅拌机消耗的功率。图片来源：Lockheed Martin
具体而言，洞察号的着陆过程分三步，分别是：
进入——火箭控制探测器进入火星大气层，并调整朝向；
降落伞减速——隔热层脱落，洞察号展开降落伞，并伸出三条腿作为着陆时的减震器；
动力减速——探测器脱离后壳和降落伞，启动 12 台引擎向下喷气，探测器搭载的导航软件控制减速过程，直到着陆。
小型卫星首次探索深空
洞察号的着陆过程也是对小型卫星 CubeSat 的一次考验。这是一类由商业化生产的小型设备组装而成的卫星，它的组件是 10 厘米见方的扁平盒子形状，成本低廉，通常用作教学设备。
这次和洞察号一同发射的就有两个 CubeSat，叫做“火星立方体一号” MarCO（Mars Cube One），由加州理工学院的喷气推进实验室设计制造。MarCO 只有手提箱大小，一共使用了 6 个组件，整体尺寸为 36.6 x 24.3 x 4.6 厘米，重 13.6 千克，分别标记为 A 和 B，又叫瓦力和伊娃——这是皮克斯动画《机器人瓦力》（WALL·E）里面的两个主角。
工程师乔尔·斯泰恩克劳斯（Joel Steinkraus）正在用太阳光测试 MarCO 的太阳能电池阵列。| 图片来源：NASA/JPL-Caltech
蒋教授告诉科研圈：“CubeSat 虽然小，但是它的功能和大型的卫星差不多是一样的，只是望远镜的精度要小一些。它这次的任务并不是观测火星，而是作为通讯中介。它可以跟轨道上的卫星联络，然后卫星再和地球联络。
MarCO 在发射后不久就和洞察号分离，自行飞向火星，这是 CubeSat 第一次飞向深空。接下来，在洞察号的着陆过程中，MarCO 飞掠（flyby）着陆地点，将信号发送给火星勘测轨道卫星（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO），MRO 再将信号转发给地球，整个过程只有 8 分钟的延迟。
蒋教授说：“洞察号的任务要两年时间，但是 CubeSat 的寿命不到两年。如果大气层比较厚的话，卫星容易和大气摩擦然后发生坠毁；不过火星的大气比较稀薄，它大概还能用几个月，我们每天都能计算它的方位。”
火星上的“听诊器”
当洞察号安全着陆、太阳能电池板正常展开后，它将运行上面的科学仪器，开展为期 709 个火星日的研究，相当于地球上的 728 天。
蒋教授介绍：“洞察号的主要任务是研究火星内部结构。它就像一个听诊器，实际上是一个地震仪。火星就像月球、地球一样，只要内部有板块结构，就经常有地震发生。比如火星表面某一处发生了地震，地震波传过来的时候，就会被洞察号的地震仪探测到；但是如果它有几个不同的结构，地震波就可能不止一个，而是有好几个，包括来自不同层面的反射的波，而且波在不同媒介中传播速度也不一样。通过探测波到达的时间和强度，就可以分析出火星内部的结构。
除此之外，洞察号的另一个任务就是看看火星有没有地下水。如果有地下水，这一定是个重要发现。如果宇航员到了火星，说不定可以挖井取水。”
洞察号工作过程示意图。上方为 RISE 的天线，左前方为地震仪 SEIS，右前方为热流探测器。| 图片来源：NASA
洞察号着陆之后，最先就位的将是 RISE，全称“旋转与内部结构探测实验”（Rotation and Interior Structure Experiment，RISE），在整个任务期间，它将持续监测火星的微小震动。接下来，洞察号将对自己周围环境进行观测，并选择合适地点安放用来探测地震波的 SEIS（Seismic Experiment for Interior Structure ）和热流探测仪 HP3（Heat flow and Physical Properties Package）。SEIS 将监测火星上的地震波，而 HP3 计划向下挖掘 3～5 米，以排除地表温度波动的干扰，测量火星真正的“体温”。
本次任务的“幸运花生”。NASA 有在执行重要任务时吃花生的传统，它起源于 1964 年“徘徊者 7 号”（Ranger 7）任务期间。| 图片来源；NASA
科研圈对话蒋红涛
（蒋红涛，加州理工学院喷气推进实验室首席科学家）
科研圈：探测器陆过程会受到天气因素影响吗？科学家会如何应对可能的状况？
蒋红涛：极端气候如沙尘暴会导致着陆失败，不过在火星轨道上的观测卫星会随时监测预警。五个小时之前我们还是挺紧张的，因为成功几率不是百分之百。当然这次着陆还是很成功的。
每次送一个飞船到其他星球，都可能会出现各种各样的状况。刚才还有其他媒体问我， 万一有陨石砸下来怎么办，我说那肯定就完蛋了（笑）。我们选择的这个季节也是沙尘暴发生的可能性最小的季节。当然沙尘暴有大有小，如果是一般的沙尘暴，探测器能够克服，但是如果遇到了大的沙尘暴也会有危险。
科研圈：登陆火星的发射时间是怎样选择的？合适的时间窗口大约多久会出现一次？
蒋红涛：地球到火星的距离，有些学生会用直线距离判断，用光速乘以八分钟计算，这是不对的。我们需要计算探测器到达的时候火星会在哪里，这是我们当时的轨道设计图，在六个月的时间里，探测器飞行的距离远远大于地球和火星的直线距离，它围绕太阳转了半圈才到达火星。
火星和地球都在围绕太阳转动。探测器的轨道是弯的。图上这个 TCM 就是轨道调整操作（trajectory correction manure），可以看到一共有 6 次轨道调整，越接近火星你需要的调整就越多。过去的一两个星期非常忙，要保证探测器对准火星。
洞察号轨道设计图。内部蓝圈为地球轨道，外部红圈为火星轨道，中间黑色弧线为洞察号轨道。左下方为洞察号发射时地球和火星的位置，右上方为洞察号着陆时地球和火星的位置。图片来源：NASA / JPL-Caltech
合适的时间窗口嘛，地球每 365 天绕太阳一周，火星大约两年绕太阳一周。发射的时候火星要在地球边上不太远的地方，然后探测器逐渐追上去，这个时间窗口大概每两年会出现一次。到明年的这个时候就不一样了，地球和火星会出现在太阳的两侧，那时候去火星的话，轨道也要更长、更复杂。
科研圈：先前的火星沙尘暴对好奇号造成了很大的影响，我们该如何避免这样的情况再次发生？洞察号会如何应对可能的沙尘暴？
蒋红涛：火星通过近日点时易发生沙尘暴，但大面积的沙尘暴不会经常发生，大概几年会发生一次。上一次大型的沙尘暴发生在今年 6 月份，今年 11 月份再发生沙尘暴的可能性很小。根据我们的预测，大概今后一两年内不会有大的沙尘暴。
火星轨道上有两个卫星，也能随时关注，如果有大的沙尘暴，我们能提前发现。如果遇到了大的沙尘暴，洞察号可以把太阳栅板像雨伞一样收起来，进入待命（standby）状态，沙尘暴过去之后再打开。
本文来自微信公众号“科研圈”。如需转载，请在“科研圈”后台回复“转载”，或通过公众号菜单与我们取得联系。
参考来源：
https://mars.nasa.gov/news/8389/nasa-insight-team-on-course-for-mars-touchdown/?site=insight
https://www.space.com/42515-nasa-mars-insight-ready-to-land.html
https://mars.nasa.gov/insight/timeline/prelaunch/landing-site-selection/
https://mars.nasa.gov/insight/timeline/landing/entry-descent-landing/
https://www.space.com/16927-mars-rover-landing-peanuts-tradition.html
阅读论文解读及推荐
点击👉关注领研网论文频道。
▽ 精彩回顾 ▽