【原创文章】着陆、打洞、测地震,NASA刚刚着陆的“洞察号”火星探测器将会揭示火星的哪些秘密?

引言

北京时间2018年11月27日凌晨,NASA的新一代火星着陆器“洞察号”在经历了长达6个月、4.8亿公里的漫长深空飞行之后,经历了著名的“恐怖7分钟”之后,一如他的兄弟“凤凰号”一样,成功着陆在神秘的红色行星——火星的表面。这款着陆器不同以往的火星车和其它探测器,它更着重于了解火星的“内在”,而非在火星表面游弋探索。今天我们借机再次了解一下这个“火星打洞机”。

本文作者:不会游泳的鱼,基于发射时期文章更新修订而来

一、洞察号的奔火之旅

美国东部时间2018年5月5日,宇宙神V运载火箭承载着洞察号火星着陆器从美国西海岸的范登堡空军基地成功发射升空,正式开启了洞察号的慢慢长路

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浓雾中的宇宙神V别具韵味,例无虚发的极高发射成功率使宇宙神V既代替了原定的德尔塔2火箭又踢开了风头正劲的猎鹰9,同时洞察号载荷很轻,即使是无助推器401构型逆轨发射也没问题

在经历了长达6个月、4.8亿公里的漫长深空飞行之后,洞察号进入火星大气层,开始再入火星大气的过程,虽然火星大气非常稀薄,但再入过程的峰值热流其实并不比再入地球大气低多少,加之地-火远距离带来的时间延迟,每次火星着陆器的再入过程都堪称一次穷尽人类航天探索技术的“豪赌”。好在NASA已经成功了7次,可谓是胸有成竹了。

喷气推进实验室总工程师讲解洞察号探测器着陆火星全过程,由@柚子木字幕组 听译,敬请收看。Credits: NASA/JPL-Caltech

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洞察号EDL过程图解,后面我们还会详细说,翻译:科普中国,Credits: NASA/JPL

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洞察号着陆后传回的首张火星表面图像,虽然模糊但意义非凡,镜头被部分着陆发动机吹起的尘土覆盖,Credits: NASA/JPL

二,任务主角“InSight”——洞察号,最传神的翻译

洞察号火星着陆器的英文原名为“InSight”,意为“洞察力,洞悉; 直觉,眼光”,你以为是像“好奇号”(Curiosity)一样是经过征集后由小学生起的名字么?

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其实这个洞察号的全称为“采用地震研究、测地学和传热学的火星内部探测器”(Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport,简称InSight,中译“洞察号”,此译可谓信达雅),隶属于“发现计划”(Discovery Program)的第12次任务。洞察号火星着陆器充分继承了凤凰号火星极区着陆器的技术,是人类火星探测史上首次探测火星土壤内部的探测任务,也是首次采用火星立方星在EDL期间进行中继通信。(敲黑板,本次任务两大看点,主页君注)洞察号将于2018年11月抵达火星,对火星北半球赤道区域(4.5°N,135°E)开展为期一个火星年的地质探测。洞察号耗资4.5亿美元(不含发射费用),由大名鼎鼎的NASA喷气推进实验室(JPL)主持,主承包商是洛克希德·马丁公司,由法国航天局(CNES)和德宇航(DLR),以及加拿大、瑞士、日本、英国、比利时、奥地利等国家的科研机构联合承研。

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拯救了“火星孤男”马克的探路者号(Pathfinder)就是JPL的杰作之一(图自电影《火星救援》)

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洞察号火星着陆器示意图

三、洞察号去火星究竟要干嘛?

洞察号的科学任务是研究40多亿年前太阳系岩石类行星形成以及演化的历史。研究表明,太阳系内行星在形成时都是逐渐从“堆积”的过程演变而来,随着行星尺寸逐渐增大,内热不断升高,演变为具有内核、地幔、地壳构成的类地行星。尽管类地行星具有相似的演化过程,但对各个类地行星在后来的形成过程中是否都分化出内核、地壳、地幔仍不清楚。

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火箭整流罩上的任务标志巧妙勾勒了采用不同地层回波方式探测火星内部构成的方式

洞察号的科学目标就是增进对这一演化过程的了解。其主要的科学任务是探测火星内核、地幔、地壳的尺寸、厚度、密度、总体结构,内核是固态还是液态,以及从内核释放热量的速率。此外,深入研究火星地质物理、构造活动、地震活动和火星上的小行星撞击活动,有助于更好的理解地球上此类活动的状况。

 

央视制作的洞察号介绍视频,视频翻译自NASA官方介绍

整个任务分为发射、巡航、进入下降和着陆(EDL)、表面操作等四个阶段。

发射段:

洞察号的发射首次选择在西海岸范登堡空军基地,该基地主要用于发射地球极地轨道卫星。大部分深空探测器都在东海岸的卡纳维拉尔角空军基地发射,可以利用地球自西向东的自转速度减少运载火箭的起飞推力。然而本次发射选择范登堡,一方面是为了避免卡纳维拉尔角空军基地高密度的发射任务,另一方面也是由于承担本次任务的宇宙神V401火箭完全具有充足的运力。与历次火星探测任务不同的是,本次任务还携带了两颗立方星,MarCO-A和MarCO-B。起飞约90分钟后,洞察号与半人马座上面级分离,之后半人马座释放两颗立方星,两颗立方星分别按照各自的飞行轨迹进行地火巡航。

巡航段:

洞察号在地火巡航期间共进行了6次轨道机动修正(TCM)。第一次和第二次分别在发射后第10天和着陆前121天。这两次主要的TCM是为了补偿发射时的轨道偏差,通过第一次TCM可以修正上百乃至数千公里的偏差。第三次和第四次TCM分别在着陆前45天和15天。最后一次TCM约在着陆前22小时。

进入下降和着陆段(EDL):

洞察号的EDL设计充分继承了凤凰号的技术方案。进入前7分钟,着陆器与巡航级分离;进入前6.5分钟,启动进入时姿态调整;着陆前5分钟,完成姿态调整;进入时,距表面高度为128km,速度5900m/s;进入后223s,降落伞展开,此时高度为12km,速度415m/s;进入后238s,热防护前罩分离,高度10.3km,速度132 m/s;进入后248s时,着陆支腿展开,之后雷达在5.5km高度开始测距;着陆前43s,着陆器与热防护背罩分离,高度为0.7m,速度61 m/s;着陆前40s,启动重力微调整程序,大约持续30s,最后着陆到火星表面。特别值得一提的是,此次EDL期间,两颗立方星MarCO-A和MarCO-B进行了中继通信。

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表面操作段:

洞察号将在火星表面开展为期1个火星年的表面探测。在着陆一周后,即开始进入科学数据收集阶段的工作。大约十周后,机械臂将完成仪器的部署。热流探针大约需要7周时间深入土壤内部,洞察号的主要科考任务正式启动。洞察号将探测到的数据通过UHF传输给MRO和奥德赛轨道器,轨道器再将数据通过X波段传输给地面站。

四、与凤凰号到底有几分相似——洞察号的总体设计方案

洞察号采用的是支腿式火星着陆器总体设计结构。起飞质量694kg,着陆器质量为358 kg,热防护罩189 kg,巡航级79 kg,推进剂67 kg。探测器本体高2.7m,三条支腿在着陆时具有着陆缓冲作用。

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洞察号实物

洞察号探测器电源系统采用两块直径2.15m圆形太阳能电池翼,输出功率为3000wh/day。除此之外,还有25Ah的锂离子电池作为储能电池。在表面操作段,洞察号将采用X波段和UHF对地通信。下行数据通过着陆器UHF波段传输给MRO和奥德赛。NASA的另外一颗轨道器MAVEN和欧空局的痕量气体探测器以及火星快车可作为中继备份。轨道器接收洞察号发送的UHF指令,然后再将其通过X波段中转至地面站。着陆器的中增益天线发送X波段指令,可直接传输至DSN深空测控网。推进系统采用20个推力器,其中4个RCS姿控推力器(4.4 N *4),4个轨控推力器(22N*4),另外还有在进入捕获期间使用的12个下降发动机(302N*12)。制导导航控制系统依然采用的是星敏感器和太阳敏感器。在下降阶段,使用惯性测量单元(IMU)和下降雷达测高和测速。洞察号的热控系统采用的是被动热控设计,可将温度控制在零下15摄氏度和40摄氏度之间。

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洞察号构型图

洞察号携带了四类载荷,质量为50kg,主要包括科学仪器和辅助系统,各部分如下(可以和上图对应阅读)

(1)火星内部结构地震实验仪(Seismic Experiment for Interior Structure, SEIS),用于监测一个火星年内火星4.5级到5级火星地震,精确测量火星地震和其他内部活动,绘制火星内部和表层分界线;

(2)热流和物理性能包(Heat Flow and Physical Properties Package, HP3),是一台钻入火星表面以下5m的热流探测仪,用于考察从火星内核传出热流的传输机制。

(3)旋转和内部结构实验仪(Rotation and Interior Structure Experiment, RISE),使用探测器的通信设备对火星自转进行精确测量,加强对火星的结构的认识。

(4)仪器部署机械臂(Instrument Deployment Arm, IDA),长2.4m的机械臂用于部署火星内部结构地震实验仪和热流和物理性能包。

(5)仪器部署成像系统(Instrument Deployment Camera, IDC),这是一款曾经用于MER和好奇号上的导航相机。它安装在仪器部署机械臂上,用于观测着陆器上的仪器,并且对着陆点附近进行成像。

(6)仪器全景成像系统(Instrument Context Camera, ICC),这是曾经用于MER/MSL上的危险避让相机,安装在着陆器甲板的底部,具有120度的全景视角,用于协助仪器部署工作。

 

五、洞察号任务的看点有哪些?

尽管洞察号火星着陆器继承了凤凰号极地着陆器的相关技术,但其创新的技术特点创造了多个第一,主要体现在以下三个方面:

(一)这趟火星旅程不寂寞——首次在深空任务中使用立方星进行EDL期间中继通信

其实洞察号并非是孤身一人奔赴火星,他还带了两个“中继小弟”,承担此次洞察号着陆期间通信中继任务的是两颗火星立方星,即火星立方星-A/B(MarCO-A和MaCO-B),由JPL负责设计制造,两颗星互为备份,研制成本约1300万美元(讲真挺贵的,主页君注)。MarCO-A和MaCO-B由宇宙神V发射升空,起飞后约9分钟,洞察号/火星立方星与宇宙神V分离。MarCO-A和MaCO-B携带自主导航系统,独自完成6.5个月的地火巡航。巡航期间,MarCO-A和MaCO-B将执行4-5次轨道机动修正(TCM)(立方星能在深空进行轨道修正,不错吧),与洞察号同步到达火星轨道。

 

单颗MarCO是一颗6U的立方星,总尺寸为36*24*12cm,质量仅为14 kg。立方星的电源系统由双翼太阳电池翼和锂离子蓄电池组成,在1AU处输出功率可达35W。推进系统由8个推力器组成:4个为姿控推力器,另4个为变轨推力器,推进剂采用的是冷气推进剂。(麻雀虽小,五脏俱全,主页君注)通信系统是立方星的核心系统,采用了Iris V2的软件定义无线电系统,X波段可产生4W的射频输出,能够与地面深空测控网兼容。除此之外,为了更好地满足通信和热控的需要,无线电还有外部固态功放和低噪声放大器。每颗立方星都有一个低增益天线,用于近地轨道通信;中增益天线,用于安全模式通信;高增益天线,用于高速通信。在洞察号EDL期间的7分钟内,可实时向地球传输8kbps的数据。

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MarCO-A和MarCO-B立方星构型图

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MarCO立方星实物

在历次火星着陆任务中,火星勘测轨道器(MRO)承担了地火中继通信任务。然而,由于MRO在接收数据时无法同步传输到地面,因此火星着陆的数据要滞后1小时MarCO立方星将承担起EDL期间实时中继通信的任务。在MarCO立方星抵达火星后,两颗星运行在3500 km轨道高度。两颗立方星的UHF天线指向洞察号,X波段高增益天线指向地球。EDL期间,洞察号通过UHF天线以8kbps传输速率将数据传输至MarCO-A和MaCO-B立方星,再由立方星通过X波段将数据传输至位于马里兰的70m口径的深空测控网,从而实现地面站实时接收火星着陆期间数据。

 

中继立方星简介视频(来源:NASA)

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MarCO-A和MaCO-B中继通信示意图

这次立方星中继测试旨在为未来的任务提供通信和导航功能,并可能有助于洞察号的通信,这也是立方体卫星技术公司在深空环境下首次测试其立方体卫星。如果这次测试成功,那么该技术有助于为NASA提供快速通信能力,可以快速获取探测器登陆火星后的状态信息,而不必像以往任务一样备受“黑色八分钟”的煎熬。

(二)首次部署火星地震仪探测地外天体内部活动

火星内部结构地震实验仪(Seismic Experiment for Interior Structure, SEIS)是洞察号的主载荷,用于监视1个火星年内4-5级地震以及其他内部活动,尤其是小行星撞击。SEIS由两个独立的、三轴地震仪组成,即超灵敏度宽谱段地震仪和小型短期地震仪。这两种地震仪的联合部署也曾用在ExoMARs和SELENE-2中。这两个地震仪安装在SEIS内部的精确调平机构(Precision Leveling Structure)上,外部由气溶胶防热隔层(Aerogel Thermal Insulation)和防风防热罩(Wind and Thermal Shield)进行隔离,并由一根柔性电缆与SEIS电子盒连接。辅助有效载荷感应包(Auxilliary Payload Sensor Suite,APSS)是洞察号另一个重要的载荷,这是一套用于监视表面温度、风、压力、磁场等数据的环境监视仪器,帮助洞察号在火星表面安全部署有效载荷,并且有助于更好理解SEIS仪器监视到的数据。在科学观测阶段,SEIS的操作每周一次。着陆器与JPL地面站进行通讯,地面站再发送指令给SEIS。

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SEIS内部结构示意图

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采用机械臂移动SEIS的试验过程

(三)首次深入火星地壳测量火星内部热流

热流和物理性能包(Heat Flow and Physical Properties Package,HP3)是洞察号的另一个主载荷。主要任务目标是,利用热流探针深入火星表面以下5m左右,探测火星内核大小、物理状况及组成,火星地壳厚度,以及火星内部热状况(包括土壤的介电常数、导电率、导热率和土壤温度等)。通过对这些数据的探测,来获得着陆区域附近的行星热流,从而揭示火星地质物理的基本问题。

HP3由电机钻取机构(又称“鼹鼠”)和一个有效载荷舱组成。有效载荷舱装备了探测土壤电特性的介电常数探针、用于测量热导系数的加热器、确定仪器位置的传感器。仪器电缆连接了有效载荷舱和位于火星表面的支持系统,工程电缆连接支持系统和着陆器。着陆后,洞察号携带的机械臂将在表面部署SEIS和HP3。部署完毕之后,HP3将深入到50cm以下的亚表层测量介电常数。之后需要48h散发锤击产生的热量,待散热完成后,再进行导热系数测量,大约需要24h。这项操作将重复进行,可以在30天内到达5m目标深度。此后,长期监测阶段开始,这个阶段主要工作是每小时测量温度,直到任务结束。

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HP3示意图

(四)携带240万人名字共赴火星

比起在天空中买一颗星星命名,将名字免费放上火星更加实惠,许多人通过NASA分享的网站将自己或是偶像的名字登记上火星,NASA共收集了240万个来自不同国家和地区的人名,其中来自美国的人名多达68万人,占据世界第一,而来自中国的人名共26万人,排行世界第二。NASA也将兑现诺言,将这些人名带上太空。

NASA的做法成功引起了世界各地的人们对洞察号的关注,这一做法让更多人都参与到火星探索上来。

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网站林主编的姓名卡

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当年凤凰号火星探测器携带的纪念光盘

(五)因微小裂缝错失两年前发射机会

事实上,早在上世纪70年代,NASA的海盗号着陆器曾经想过收集火星的地震数据这回事,只有这样才能知道火星的外壳有多厚。但海盗号的地震数据不可靠,因为它的地震仪并没有紧贴在火星表面。

洞察号因此成了科研人员梦寐以求的探测计划。但2015年底,科研小组在洞察号地震仪的真空系统里发现了一条细小的裂缝。虽然裂缝的宽度只有几纳米,但已经足以影响到实验的精度因此原定2016年中的发射计划因此被推迟,由于地火发射窗口的原因,这一推迟就是两年

在首席专家Bruce Banerdt及其科研团队的努力下,洞察号的真空系统已被重新设计,着陆器的其它部分也得到了重新验证。现在的洞察号,要比2016年时可靠得多。

四、美国的未来火星探测

(一)火星探测取得了辉煌成就(2000-2020)

美国于2000年正式启动了火星探测计划(MEP)。自该计划启动以来,NASA制定了“跟水走”的探测路线,系统规划了火星探测计划,几乎在每一个窗口均成功发射了火星探测器。在火星探测计划的统一管理下,共发射了8次火星任务,包括奥德赛、勇气号、机遇号、火星勘测轨道器、凤凰号、好奇号、MAVEN和洞察号。目前,第九项任务正在研制中,即火星2020计划。火星2020是美国国家研究委员会(NRC)“十年调查”报告中推荐的最高优先级的旗舰型火星任务,旨在对火星样本进行取样返回。无论是在航天工程技术领域,还是在行星科学领域,均取得了举世瞩目的成就。

(二)未来将掀起火星探测新高潮(2020-2030)

尽管在过去十年美国火星探测取得了辉煌了成就,然而未来十年缺乏科学的规划。近日,美国行星学会公布了一篇题为《火星计划的倒退——NASA重返火星探测计划之路》的报告。报告指出,自2012年之后,NASA就没有新型号立项:在未来十年没有任何官方计划来支持火星取样返回任务,也没有任何计划去替代超长服役的奥德赛和MRO。目前在役的火星探测器均超期服役,平均寿命在10年以上。尤其是奥德赛和MRO在轨运行时间分别高达15年和13年,大大超过了设计寿命。研制新一代高分辨率成像和中继通信火星轨道器迫在眉睫。如果要支持火星2020完成取样返回任务,新一代火星轨道器必须在2022年发射,才能确保到2023年具备执行中继通信的能力。火星探测任务本身研制周期长、发射机会少等特点,未来2020-2030年期间火星探测计划令人看忧。

五、总结

(一)科学目标的新颖性逐渐引领空间科学发展方向

自上世纪50年代以来,人类共开展了40余次火星探测任务,其探测类型主要经历了飞越探测、环绕探测、着陆探测、巡视探测,未来还将进行火星取样返回探测,而洞察号是人类首次对火星内部进行的探测任务。正因为其独特的科学价值,也使得洞察号在与“发现计划”另外两项任务(Hopper彗星探测器和土卫-6探测器)竞标中脱颖而出。洞察号的成功,使得人类对于火星的探测正逐步从火星大气、地质地貌,逐步深入到火星地表层内部,其科学成果也将填补这项空白。探测方式的多样化、科学目标的多元化正成为未来火星探测的发展方向,而人类的深空探测也将从工程目标牵引逐步向科学目标牵引转变。

(二)充分利用有限的发射机会开展技术验证

火星探测器研制周期长、发射窗口少,研制成本高,因此,充分利用有限的发射机会开展技术验证是有效的途径。与洞察号一起发射的两颗火星立方星进行EDL期间中继通信,充分利用了本次发射窗口的机会,既不影响洞察号主要科学任务,也在能验证关键技术。如果此次立方星演示验证任务成功,将极大地提高未来火星探测器成功着陆的概率。除火星立方星之外,NASA也正在研制火星无人机,可为火星巡视器提供路径规划。随着科学任务预算的缩紧,经济可承受性将成为主要航天大国考虑的因素,未来这种搭载发射的探测模式或将成为趋势。

(三)在有创新的同时充分注重技术的继承与衔接

洞察号属于“发现系列”的首席专家制任务,是小成本、高回报的科学任务,在技术上继承了凤凰号的总体方案,其任务规模、分系统设计、EDL方式等均有相当高的继承性。不仅如此,火星2020旗舰任务也是充分继承了好奇号火星车的技术基础。这种任务模式的优势在于,一方面技术成熟度比较高,另一方面有助于经济可承受的空间科学任务的实现。除此之外,NASA每个几年都会公布技术路线图,涵盖了深空探测的各个领域,期望从技术层面注重技术的继承与衔接。

(全文完)


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