經(jīng)過逾6個月的飛行，美國洞察號火星探測器終于在北京時間2018年11月27日03:56在火星安全著陸。洞察號是2018年5月5日由宇宙神5號火箭發(fā)射升空的。這是美國首次從西海岸的范登堡空軍基由西向東發(fā)射空間探測器，原因是宇宙神5號的推力足夠大，發(fā)射窗也更為適宜。

洞察號在火星著陸示意圖

整個任務(wù)分為發(fā)射、巡航、進入下降和著陸（EDL）、表面操作等四個階段。它是第一個探測火星深層的航天器，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(nèi)部結(jié)構(gòu)，揭示巖質(zhì)行星的形成，填補火星地球物理空白，更好地了解其他巖石行星（包括地球）是如何誕生的。

1、探測火星不容易

至今，人類已發(fā)射了40多個火星探測器，成功率約50%，所以火星被稱為“探測器墳場”或“死亡星球”。其主要原因是火星距地球遙遠(yuǎn)，探測器要飛幾億千米才能到達(dá)火星，所以對軌道、控制、通信和電源等技術(shù)都提出了很高要求。

例如，探測器進入火星軌道的難度被比喻為從巴黎打一個高爾夫球，正好落到東京的某個球洞里。這是由于通信延時很長，所有數(shù)據(jù)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(yuǎn)，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。

火星環(huán)境復(fù)雜、惡劣也是造成火星探測器經(jīng)?！瓣囃觥钡闹饕??；鹦谴髿饷芏戎挥械厍虼髿饷芏鹊?%，因而輻射嚴(yán)重?；鹦巧系纳硥m暴也很大，有時是地球上12級臺風(fēng)的6倍，時間可達(dá)半年，今年機遇號就是因沙塵暴而“犧牲”（最新消息：還有可能復(fù)活）。

2、在火星著陸更難

探測器在火星表面著陸的難度更大。因為在探測器進入火星大氣時離地球很遠(yuǎn)，遙測和遙控信號比較微弱；另外，當(dāng)探測器運動到火星背面時，地球上無法準(zhǔn)確地確定其軌道參數(shù)，這就給再入高度的選擇帶來困難。

進入火星大氣層后，探測器防熱措施如何？降落傘、氣囊和緩沖火箭能否按程序工作，都至關(guān)重要，必須非常精確，整個過程要經(jīng)歷所謂的“恐怖7分鐘”。一名美國科學(xué)家曾形容火星探測器著陸時的心情，就好像丈夫在產(chǎn)房外等待妻子分娩一樣。所以，探測器在火星著陸的技術(shù)十分復(fù)雜，每個環(huán)節(jié)都不能有閃失。許多探測器都因此功虧一簣。

例如，1999年9月23日，美國“火星氣候軌道器”在即將進入預(yù)定軌道前燒毀后，原因是在軌道切入操作中，由于英制和公制單位的混淆而造成導(dǎo)航誤差，使其飛離火星太近而燒毀。

2016年10月20，歐洲“火星生物學(xué)-2016”中的“夏帕雷利”進入、降落和著陸演示器在著陸前與地面失去了聯(lián)系，原因由一個僅一秒的計算失誤所致，提前將降落傘與防熱罩分離，導(dǎo)致“夏帕雷利”硬著陸而撞毀。

3、三種方式如何選

目前，探測器在火星軟著陸方式主要有三種，每種方案都各有優(yōu)缺點。

一是氣囊彈跳式。這種方式比較簡單，成本低，但只能滿足重量小的探測器軟著陸要求，且著陸精度不高。美國“火星探路者”、“火星漫游者”（勇氣號和機遇號火星車）都采用降落傘＋氣囊彈跳方式。

氣囊彈跳式

二是反推著陸腿式。這種方式復(fù)雜一些，成本高，可滿足重量較大的探測器軟著陸要求，著陸精度較高。美國海盜號、鳳凰號、洞察號和歐洲的獵兔犬2號、“夏帕雷利”都采用降落傘＋緩沖發(fā)動機反推＋著陸腿方式。

洞察號采用反推著陸腿式在火星著陸示意圖

三是空中起重機式。這種方式最為復(fù)雜，成本最高，技術(shù)最先進，可滿足重量更大的探測器軟著陸要求，能精確著陸。美國“火星科學(xué)實驗室”采用降落傘＋緩沖發(fā)動機反推＋空中起重機方式。

好奇號通過降落傘和空中起重機方式在火星表面著陸

為了載人登火星，美國還在研制“低密度超聲速減速器”(LDSD)。它可用于大型航天器在火星著陸登，也能為大型載荷安全返回地球提供保障的突破性技術(shù),但十分復(fù)雜,試驗多次失敗，所以還需要走較長的路。

4、洞察號采用反推式

洞察號與之前在火星北極著陸的鳳凰號的著陸方式一樣，采用反推著陸腿式，具體過程如下。

E——6.3分鐘，開始執(zhí)行進入程序（E代表進入大氣層時刻）；

E——0.5分鐘，完成進入姿態(tài)調(diào)整；

E——0秒，高度128千米，速度5.9千米/秒，進入角α=——12°；

E＋99秒，最大受熱點，高度44.2千米；

E＋117秒，最大減速度7.9g；

E＋223秒，張開降落傘，高度12千米，速度415米/秒；

E＋238秒，拋防熱屏蔽殼，高度10.3千米，速度132米/秒；

E＋300秒，雷達(dá)開始工作，高度5.5千米；

L——43秒，著陸器與鐘形罩分離，高度1.1千米，速度61米/秒（L表示著陸時刻）；

L——40秒，重力調(diào)整，高度0.9千米；

L——16秒，恒速下降，高度51米，速度7.8米/秒；

L＋0秒——L＋15分鐘，等待降塵；

L＋7秒，各種展開用火工品開始點火；

L＋25分鐘，太陽電池翼展開。

5、著陸在極樂凈土

洞察號在升空后飛行4.85億千米，于2018年11月26日在火星北半球赤道附近的埃律西昂平原（Elysium Planitia）著陸，這是傳說中的極樂凈土。

埃律西昂平原位于火星赤道附近（北緯3.0°，東經(jīng)154.7°），是一片平坦的熔巖平原，著陸場是位于平原的西邊緣長130千米、寬27千米的橢圓區(qū)域。在著陸安全性、熱控、光照、測控通信等方面具有較為有利的條件和較強的工程可實現(xiàn)性。它靠近火星的赤道，陽光充足，這對采用太陽能電源的洞察號有利；其海拔較低、地勢平坦，這對著陸來講相對安全。

其著陸點的選址花了4年時間。由于洞察號是研究火星內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，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，因此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。

為了使洞察號能夠獲得足夠的太陽能，剛開始著陸點選在南緯15°——北緯5°，后來縮小到北緯3——5°，具體著落坐標(biāo)點為：北緯4.5°、東經(jīng)135.0°。因為這里地勢平坦，沒有溝壑，陽光充足，能為太陽能電池板充電。另外，該著陸點離好奇號火星車600千米，并且能跟目前運行的幾個火星軌道器通信。為了在著陸過程中有足夠厚的大氣層來保證降落傘的緩沖需要，著陸點要低于火星大地水平面以下2.5千米，地形坡度要小于15°，石頭不能太多，風(fēng)化層較松軟，方便著陸和鉆5米深的孔。

6、由三大部分組成

洞察號器主要包含巡航級，進入、下降和著陸系統(tǒng)，以及著陸器三大部分，巡航級將攜帶著陸器和著陸系統(tǒng)完成地球到火星的旅程，進入、下降和著陸系統(tǒng)包括保護罩、降落傘和下降級，著陸器則是在火星表面開展探測工作的核心部件。

其重量為360千克，最大寬度約6米，有兩塊能像紙扇一樣展開的圓形太陽能電池板提供電源，各太陽電池板直徑為2.2米，攜帶了更先進的科學(xué)探測儀器。

著陸后，洞察號展開為期2年的原位勘測，首次探索火星深處的內(nèi)部。在此之前人類總計開展的47次火星探測都是研究火星全球、地表、大氣和磁場等。執(zhí)行任務(wù)期間，洞察號將總共發(fā)回超過30GB的數(shù)據(jù)。

由于洞察號可探尋太陽系內(nèi)除地球外的巖石星球內(nèi)部構(gòu)造，所以可為是否在其上建造永久建筑物提供參考；還能幫助科學(xué)家拼湊40多億年前陸地世界的形成過程；也可了解火星內(nèi)部溫度信息，研究火星天氣，揭示太陽風(fēng)、宇宙射線和帶電粒子如何通過大氣傳播沖擊火星表面。其獲得的所有信息對未來人類登陸火星具有重要參考價值

7、將聆聽火星之音

洞察號像一臺科學(xué)的時間機器，為火星做CT，能帶回關(guān)于45億年前火星形成的最早階段的信息。它將通過觀測火星地震來研究火星的地殼、地幔和地核結(jié)構(gòu)，獲得火星構(gòu)造和太陽系中其他巖石星球的研究數(shù)據(jù)，了解多巖石天體是如何形成的，包括地球，月球，甚至其他太陽系中的行星，將幫助科學(xué)家們理解火星在億萬年間的變化，即通過火星了解太陽系中包括地球在內(nèi)的類地行星的起源與演化過程。

它有兩大科學(xué)任務(wù)：一是通過探測火星內(nèi)部地震活動的規(guī)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(zhì)構(gòu)造活動的級別以及隕石撞擊火星的頻率；二是通過調(diào)查火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和活動過程，研究類地行星的形成和演化過程，它包括確定火星內(nèi)部的熱狀態(tài)、火星地幔的成分和結(jié)構(gòu)、火星地殼的厚度和結(jié)構(gòu)以及火星地核的尺寸、成分和物理狀態(tài)（液體/固體）。

8、六個具體調(diào)查項目

為了窺視火星內(nèi)部深層結(jié)構(gòu)的奧秘，美國航空航天局為洞察號設(shè)定了6個具體調(diào)查項目：確定火星地核的大小、組成和物理狀態(tài)；確定火星地殼的厚度和結(jié)構(gòu)；確定火星地幔的組成和結(jié)構(gòu)；確定火星內(nèi)部的熱態(tài)；測量火星內(nèi)部地震活動的幅度、速率和地理分布；測量火星表面的隕石撞擊率。

與其“前輩”不同的是，洞察號的考察不再“浮于表面”，而要探測火星內(nèi)部，獲得火星地質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的全新數(shù)據(jù)，提高很多火星參數(shù)的精度，并且研究內(nèi)太陽系所有巖態(tài)行星演化的過程。

洞察號是首個專用于火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)考察的探測器

其探頭將鉆入火星地下5米深處進行考察，測量溫度和重力波動等，幫助科學(xué)家弄清火星的內(nèi)核究竟是由液體還是固體構(gòu)成的，由此研究火星及其他行星的構(gòu)造及演化。它還將探測紅色星球的旋轉(zhuǎn)、地核厚度、地殼地幔結(jié)構(gòu)、內(nèi)部熱能、構(gòu)造運動、地震活動以及隕石對火星的撞擊等多種情況。

洞察號著陸火星工作示意圖，左下角的半圓形設(shè)備是地震儀

通過人類近50年的火星探測，現(xiàn)已對于火星的氣候環(huán)境、表面物質(zhì)、地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等有了比較全面的了解。為此，火星探測已由環(huán)繞全面普查朝著陸和巡視區(qū)域詳查的方向發(fā)展，從探測火星環(huán)境向在火星上找水乃至生命的方向發(fā)展。

9、更注重科學(xué)探究

洞察號任務(wù)的特點是偏重科學(xué)研究，瞄準(zhǔn)巖質(zhì)行星形成過程；首次探測火星內(nèi)部，深度研究火星內(nèi)部活動。

它是一個純火星地球物理探測器，主要目標(biāo)是了解火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究火星形成過程的早期發(fā)展歷史?？茖W(xué)家將用它解決行星和太陽系科學(xué)眾多基本問題之一，也就是40多億年以前內(nèi)太陽系巖態(tài)行星（包括地球在內(nèi)）的形成過程。

由于洞察號將能探測火星地核、地幔和地殼的尺寸、厚度、密度和整體結(jié)構(gòu)，以及熱量從火星內(nèi)部逃離的速度，所以可研究內(nèi)太陽系的所有巖質(zhì)行星演化過程，提高對這一過程的理解。

以美國為主研制洞察號火星著陸器其實是一項國際合作項目。其中洞察號的管理、平臺、組裝、發(fā)射和運行以及部分科學(xué)探測儀器等由美國航空航天局的噴氣推進實驗室和洛馬公司（研制巡航級和著陸器）等負(fù)責(zé)。

洞察號著陸器的3個主要科學(xué)載荷是法國的“內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實驗儀”（SEIS，以下簡稱地震儀或火震儀）、德國的“熱流和物理特性模塊”（HP3，以下簡稱熱流探頭）和美國的“旋轉(zhuǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)實驗”（RISE）天線。

10、探測火星的地震

地震儀是洞察號上最主要的科學(xué)探測儀器，由法國國家太空研究中心研制。該儀器的核心是裝在鈦合金球形真空容器內(nèi)的3個高精度寬帶帶地震傳感器，非常靈敏，能測量不到1/4氫原子直徑（1-10米）的地面運動，記錄火震或者隕石碰撞，精確掌握火震和其他火星內(nèi)部活動，研究火星地殼和地幔對隕石撞擊影響的響應(yīng)，為了解行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供線索。因此，技術(shù)難度很大。

洞察號首席科學(xué)家布魯斯?班納特（BruceBanerdt）說，地震學(xué)揭示了地球數(shù)十億年來的地質(zhì)運動歷史，作為巖石星球，火星也一定保存著其誕生時期的早期歷史痕跡?！熬拖衩x一定會變成蝴蝶，我們希望利用地震學(xué)了解整個行星是如何形成的?！?/p>

地震儀用于精確地測量震動和火星內(nèi)部其他活動，以更好地了解火星的歷史和構(gòu)造。它就像拍快照的相機一樣，能拍下星球內(nèi)部的影像，相當(dāng)于給行星做CT掃描?；鹦巧蠋r石開裂或發(fā)生相對移動時，產(chǎn)生的地震波會在整個星球內(nèi)回蕩。這些地震波的傳播速度取決于它們的傳播過程中通過的介質(zhì)性質(zhì)，因此速度會產(chǎn)生差異。地震儀可以檢測這些地震波的強度、頻率和傳播速度，獲知地震波所穿過的地質(zhì)介質(zhì)的信息。

火星上每發(fā)生一次地震，洞察號就可對火星內(nèi)部拍一張快照。在洞察號執(zhí)行任務(wù)期間，它可以記錄數(shù)十至數(shù)百次地震?；鹦堑拇髿鈱酉”?，時常有小隕石穿過火星大氣落在火星地表上，帶來震動，這也會被地震儀記錄。不過，這次只能在洞察號的著陸地點來測量火星地震，而不能像在地球上設(shè)置多個臺站進行測量。

其實，早在美國“阿波羅”載人登月時，航天員就在月球上放置過4臺地震儀。在20世紀(jì)70年代末，美國海盜號火星著陸器也曾攜帶了地震儀，但這些地震儀沒有接觸火星表面，因為它們被裝在著陸器頂部，且著陸器底部有減震器，所以沒能有效記錄到火星的地震信息。

11、將為火星量體溫

熱流探頭是自穿透熱流探針，用于把溫度傳感器打入風(fēng)化層內(nèi)，由德國航空航天中心研制，探測至地表下5米來自火星地核的熱量，并幫助揭露火星的熱歷史。它要比以前火星車上的小鏟子等工具厲害得多，能夠深入火星地表以下更深處，測量火星內(nèi)部的能量。

左下角的熱流探投能深入地表下5米，測量火星內(nèi)部散逸的熱量，并幫助揭露火星的熱歷史

“旋轉(zhuǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)實驗”（RISE）天線好比是一個小榔頭測試火星的“膝跳反應(yīng)”。它使利用探測器通信系統(tǒng)對行星旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)產(chǎn)生的擾動,從而更好的了解火星內(nèi)部，為研究火星內(nèi)核大小提供線索。

其上的風(fēng)和大氣溫度傳感器（TWINS）及高分辨率壓力傳感器由西班牙天體生物學(xué)中心研制，用于對著陸地點的天氣進行監(jiān)控，有助于科學(xué)家們排除火星天氣環(huán)境對測量帶來的擾動。所以，這次洞察號將允許科學(xué)家排除由天氣引起的震動“噪音”，并綜合這些真實數(shù)據(jù)，提供出最全面的地質(zhì)“快照”。

12、機械臂用途廣泛

洞察號的儀器部署機械臂（IDA）長2.4米，用于選擇適合位置，部署地震儀和熱流探頭。在火星著陸后，洞察號用機械臂將地震儀和熱流探頭部署在火星表面上。這2臺儀器分別測量微小的地面運動和監(jiān)測火星內(nèi)部熱活動。

它將用相機和一系列環(huán)境敏感器監(jiān)測火星天氣和磁場變化。其上的儀器部署機械臂末端的挖斗機（CRAPPLE）用于抓住儀器。其儀器部署相機（IDC）是能指向的中分辨率相機，用于捕獲著陸器甲板上儀器的黑白影像，并得到放置地震儀和熱流探針的3D視圖，可幫助有關(guān)專家引導(dǎo)儀器在火星表面部署。其儀器背景相機（ICC）是固定廣角相機，用于擴大著陸器著陸區(qū)域的視野，預(yù)計第一張照片將在著陸后1小時內(nèi)就可以拍攝，并在當(dāng)天傳回地球。

攜帶的磁強計用于測量由火星電離層造成的磁場干擾。電磁測深儀用于采集地殼厚度、地下水和地幔巖石圈的數(shù)據(jù)。

科學(xué)家將通過這些先進的儀器探測到火星的各種“生命跡象”：通過地震儀探測它的“脈搏”，通過熱流探頭測量它的“體溫”，通過“旋轉(zhuǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)實驗”天線觀察它的“條件反射”。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(nèi)類地行星演化之謎的鑰匙。結(jié)合上述各種來源的信息，科學(xué)家有望獲得迄今最完整的火星全貌。研究人員將這種對火星“脈搏”、溫度等情況的精準(zhǔn)把握，稱為對火星“45億年來的第一次體檢”。

13、大眾名字上火星

在登陸火星的同時，洞察號會攜帶兩個帶有公眾名字的微型芯片一同踏上火星的土地，以此激發(fā)公眾對于火星探測的興趣。從2015年開始，美國航空航天局就通過官網(wǎng)，讓公眾將自己的名字發(fā)送給洞察號的芯片，這些包含公眾名字的信息保存在芯片上，將與洞察號一起前往火星，開啟一場虛擬的火星之旅。在2015年8月，就有近82.7萬人將自己的名字寫在了洞察號的芯片上，但由于洞察號因故障推遲發(fā)射，所以收集的名字越來越多。

為此，在2017年，美國航空航天局在洞察號上又新增了一枚微型芯片，以便公眾將自己的名字上傳。洞察號火星之旅的姓名收集活動于2017年11月1日截止，全球總共有240多萬人的名字被刻在芯片上，其中美國人的名字有65.3萬多，中國人的名字有26萬多人（包括張國榮），俄羅斯人的名字有6.35萬人。赤道幾內(nèi)亞人的名字最少，只有7人。這些名字的每個字母寬度僅為400納米（人體頭發(fā)的寬度有10萬納米），占用的體積極小，所以能夠攜帶的數(shù)量很多。

14、探火首用立方星

其實，洞察號是與2顆名叫火星立方1號（Mars Cube One，MarCO）的6U立方體衛(wèi)星一起飛往火星。這是立方體衛(wèi)星首次用于執(zhí)行深空探測任務(wù)，目的是看看立方體衛(wèi)星能否在太空惡劣條件下幸存，在到達(dá)目的地后仍能執(zhí)行任務(wù)。

它們功能相同、互為備份，尺寸均為30厘米×20厘米×10厘米，由美國噴氣推進實驗室研制，用于在洞察號進入、下降和著陸火星時，展開它們的高增益天線為洞察號著陸器提供通信中繼服務(wù)。如果成功，將開啟立方體衛(wèi)星在空間探測領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是火星探測器在大氣進入和下降階段時可依靠這2顆立方體衛(wèi)星進行中繼通信。在空間探測領(lǐng)域應(yīng)用成熟的立方體衛(wèi)星技術(shù)，可以縮短研制周期，降低研制低成本。

這對公文包大小的立方體衛(wèi)星這次主要用于技術(shù)驗證，今后也可協(xié)助載人深空探索。它們必須在洞察號向火星表面降落的過程中，在距離火星表面約3500千米處飛越火星，并使用一種名叫“反射陣列”的平面天線來把洞察號的數(shù)據(jù)傳送回地球上的深空網(wǎng)。

如果沒有這兩顆立方體衛(wèi)星，洞察號的數(shù)據(jù)需通過美國“火星勘測軌道器”進行中繼傳回地球。由于“火星勘測軌道器”同時接收和發(fā)射信息的能力有限，因而會產(chǎn)生一個多小時的延遲。

不過，火星立方1號只裝有太陽能電池板和高增益天線，本身不能獲取火星的科學(xué)數(shù)據(jù)。其太陽能電池板尺寸為30厘米×30厘米，可產(chǎn)生35——17瓦的電力，具體取決于它們與太陽的距離。

如果火星立方1號能與洞察號一起接近火星，它們不會進入火星軌道，而是飛越火星，并把洞察號的數(shù)據(jù)以8千比特/秒的速度回傳到地球。

結(jié)語

火星是離地球最近的類地行星，具備了生命存在的必要條件，并有可能成為人類未來移民的理想星球。為此，包括我國在內(nèi)的許多國家等已將火星作為未來太空探索藍(lán)圖的新目的地，都在穩(wěn)步推進火星探測活動。世界火星探測正掀起新的高潮?？偟膩碇v，探測火星的方式與探測月球的方式相似，也是“繞、著、巡、回”，最終實現(xiàn)載人登陸火星的目標(biāo)。