NASA洞察号火星探测器成功着陆 首次开启火星内部探测

北京时间2018年11月27日凌晨3点56分，美国宇航局(NASA)“洞察”号探测器在火星软着陆成功。在此之前，“洞察”号已经在太空飞行了半年多，行程超过4.84亿公里，这个路程即便让宇宙中速度最快的光去跑，也要27分钟。

“洞察”号降落到火星什么地方?

洞察号采用减速伞和反推发动机的方式降落在火星表面，这与此前凤凰号火星探测器一样。

由于“洞察”号是考察火星全球物理状态的探测器，因此与以往的探测器选址的思路是不同的，只需考虑有利于探测器工作的区域即可。

首先，要保证降落区域有充足的阳光照射，这样才能有充足的电能驱动探测仪器，其次要保证降落区域地形足够平坦和地层相对疏松。经过4年多的考察后，科学家筛选出4个降落备选区域，这些区域都位于火星北纬3度到5度之间的赤道附近。

2017年3月，来自喷气推进实验室的科学家宣布，“洞察”号最终选定的降落地点位于火星西埃律西昂平原(Elysium Planitia)，北纬4.5度东经135.9度，距离“好奇”号火星车以北600公里。

“洞察”号去火星干啥?

迄今为止，人类向火星发射的大大小小的探测器加起来超过40多颗，火星可以说是太阳系内除了地球之外，人类最了解的星球，当然还远远不够。之前所有的探测器都是对火星的地表、大气和磁场进行研究。例如，著名的“好奇”号火星车主要对火星的表面地质情况和物质化学成分进行分析，而“洞察”号是首颗探测火星内部的探测器，目的是了解火星内部结构的全貌。

“洞察”号携带的三大件仪器

“洞察”号着陆后，将在火星表面放置一台火震仪;一个能打入火星内部5米深的热流探头;一个利用无线电通信测量火星自转轴晃动情况的装置。这三大件仪器用来研究火星的内部结构，填补火星物理空白，更好地了解岩石行星是如何诞生。如果说“好奇”号火星车是地质学家和化学家的化身，那么“洞察”号就是研究火星全局结构的物理学家。

火震仪

日常生活中，大家在挑选西瓜的时候都习惯性地拍一拍，听听声音来判断品质。同理，由于大地对光是不透明的，要想得知地球的内部结构最常见的设备就是能测量大地震动的地震仪了。同样，地震仪在火星也能使用，在火星上的就叫火震仪吧。“洞察”号携带的火震仪可以测量由于火星本身以及陨石撞击火星产生的震动，通过对这些震动的测量，就能推算出火星的内部状况。

火震仪是由法国空间局主导，多国参与制造的设备，它能探测到低频的火星大气波动、火卫一对火星产生的潮汐涨落信号，以及高频的火星震动信号。

热流探头

日常生活中，当我们发烧的时候会用体温度测量体温，同理，热流探头就是测量火星体温的温度计，用来测量火星内部的热量散失情况，研究火星内部的热状态以及随时间演变的情况。热流探头通过电缆和数据线与“洞察”号相连，把信息实时传回计算机处理。

热流探头是由德国提供并制造，是一种能自我驱动钻入大地的探针，本次在火星上预设的深度是5米，大致相当于小汽车的长度。

旋转和内部结构实验装置

还是用日常生活中的例子作比喻，大家都有在不打碎鸡蛋的前提下区分生熟的经验，那就是把它们旋转起来，生鸡蛋通常转动几下就停止了，而熟鸡蛋却能转个不停，这就是由于鸡蛋内部的物理状态不同所致。道理类似，这套装置也是通过测量火星晃动情况来判定内部物理状态的。

地球、火星和月球内部的层状结构(示意图)

该装置由美国喷气推进实验室(JPL)牵头研制，利用洞察号X波段信号的多普勒效应，精细测量火星自转轴的晃动情况，然后反推火星的内部物理状态。X波段的信号能把火星晃动信息精确到2厘米之内。

此前，“海盗”号探测器和“火星探路者”探测器也做过类似的实验，但精度不是太高，只能估算出火星内核的大小。一旦“洞察”号把火星自转轴的自转、进动和章动等晃动信息传回地球，科学家就可以更精确计算出火星地核和地幔的大小。这有助于我们了解太阳系内类地行星、以及太阳系外类地岩石行星的形成。

“240万人”一起飞火星

参与人数最多的前10个国家：分别是美国、中国、印度、英国、土耳其、意大利、德国、俄罗斯、加拿大和巴西。

虽然我们恐怕一辈子都无法去火星旅游，但“洞察”号给过大家一个亲密接触火星的机会。在发射前通过网络从世界各地收集到了包括本文作者在内的240多万人的名字(中国有26万人参与)，然后刻在硅质薄片上，准备一起飞往火星。虽然这不是航天界第一次这么玩儿，但确实最火爆的一次，是大名鼎鼎的“好奇”号火星车收集到姓名的两倍。

这就是第一枚刻着众多人姓名的硅质薄片，后来又增加了一枚。

其实，第一次征集早在2015年的8月就开始了，22天内一共征集到了826923个名字。NASA工程师利用电子束在硅质微薄片上写下了所有人的名字，薄片只有0.8平方厘米，字母的宽度仅为头发丝宽度的千分之一。

这是三年前本文作者上传姓名成功后，NASA返回的电子证书。当时计划的发射日期还是2016年3月4日。

当时的“洞察”号预计是2016年发射，但由于法国提供的火震仪临时出了问题，任务被迫延期。由于火星发射窗口每26个月才有一次，在窗口期内发射探测器最节省燃料。因此“洞察”号发射就延迟到了2018年5月5日。多出来的两年时间又启动了第二轮的名字征集，又增加了一枚硅质薄片，最终一共收集到2429807个名字。这些名字最终和“洞察”号一起，永久留存在火星上，成为大家在火星上的留念。

“洞察”号的两个小伙伴

两颗立方体小卫星实时把洞察号降落的信息传回地球。

跟随“洞察”号一同前往火星的不仅仅是240万地球人的名字，还有两颗立方体小卫星，每颗卫星的大小均为6U(30厘米× 20 厘米 × 10 厘米)。这两颗小卫星被称为“火星立方体一号”(Mars Cube One)，用于验证立方体小卫星在深空的导航和持久能力，还能实时把“洞察”号降落火星过程中的信号接力传回地球。值得一提的是，由于没有动力刹车，这两颗小家伙并不会进入火星轨道，而是飞掠火星后继续在太阳系内漂泊。

推迟两年发射成本飙升

“洞察”号隶属于NASA“发现”工程项目，该工程希望利用较小的投资获得新发现。每个项目预算不超过4.5亿美元。相比之下，像“好奇”号这样隶属于“旗舰”项目的工程，耗资达25亿美元，卡西尼-惠更斯探测器则花了39亿美元。

洞察号升空前在洁净实验室接受工程师的检测(左)，样子看起来和此前的“凤凰”火星探测器(右)几乎一样。可见两个可折叠的太阳能电池板非常巨大。在地球上能产生1800瓦的电功率，然而到火星之后，由于光照强度降低，只能产生600瓦的电功率。

“洞察”号的平台设计直接效仿了此前在火星极地着落的“凤凰”探测器，这样既可以降低成本，又能使用已被验证过的技术，保证可靠性。

“洞察”号原本2016年3月发射，但在快发射的时候，由法国设计和制造的火震仪出现故障，不得不延期发射，前文我们也提到，由于飞火星的最佳窗口每26个月才有一次，这一推迟就是两年多，这中间又多花很多钱。实际上，到发射的时候耗资已经攀升至8.3亿美元。

属于“发现”项目工程的还有撞击彗星的“深度撞击”(DEEP IMPACT)探测器、探测灶神星和谷神星的“黎明”(DAWN)号探测器、探测水星的“信使”号(MESSENGER)，以及大名鼎鼎的寻找系外行星的“开普勒”(KEPLER)望远镜等等，从结果来看，该工程项目的系列探测器性价比还是挺高的。

本次探测火星的意义什么?

地球和火星的大小比较

火星是太阳系内八大行星之一，在太阳系内三颗类地行星当中，火星的环境与地球最为接近。水星和金星温度太高，人类没法登陆。火星有稀薄的大气层，气压为地球的1%，局部最高温度甚至可达35摄氏度，当然平均温度还是比较低的，只有零下63摄氏度。

因此，在未来如果进行星际移民，火星肯定是首选。科技狂人马斯克的梦想就是，在可见的未来把人类送上火星，并在那里建立殖民地。

“洞察”号探测火星的目的与此前40多颗火星探测器不尽相同，这次最主要目的就是通过摸清楚火星的内部结构以及热状态，推算太阳系内类地行星的演化规律，甚至太阳系外类地行星的演化过程。