号外！首个火星地质结构探测器顺利升空

北京时间2018年5月5日晚19时05分（美国太平洋时间4时05分），美国航天局在加利福尼亚州范登堡空军基地通过“宇宙神”5号（Atlas V）运载火箭将新型火星探测器“洞察”号（InSight）送往太空，开启了新一轮火星探测热潮。

“宇宙神”5号红外影像（来源：NASATV）

“洞察”号任务标识（来源：NASA/JPL-Caltech）

一听说NASA又要发射火星探测器，是不是你以为又有新的遥控车可以玩了？然而并不是。与2007年发射的“凤凰”号一样，“洞察”号是一台固定式的陆面探测器，只有三条支撑腿，但没有轮子，着陆之后不能移动。事实上，由于它的任务要求和“凤凰”号相似，因此在研制过程中利用了很多“凤凰”号成熟的技术，从外观看，两个探测器也非常相似。

“凤凰”号（来源：NASA/JPL-Caltech）

洞察”号火星着陆器英文名字是InSight Mars Lander，看上去挺美的吧？这其实是一个缩写，而且又是一个强行凑出来的缩写！全称是Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，如果要硬翻的话就是“基于地震探测、大地测量学和传热过程研究火星内部结构的探测器”……好吧，我们还是记住中文名字吧——洞察。这个名字也十分贴切，因为“洞察”号真的会在火星上打“洞”然后观“察”火星内部结构。

“洞察”号（来源：NASA/JPL-Caltech）

“洞察”号的主要目标有两个：1. 通过研究火星的内部结构和运动来理解岩质行星的形成与演化，包括确定火星内核的大小、构成和物性（液体还是固体）、确定火星地幔的结构和成分、确定火星内部的热状态；2. 确定当前火星上的构造运动（地震活动的烈度、频率和地理分布）和小行星撞击率。

科学载荷

1.地震仪（Seismometer）

洞察号携带的地震仪将会利用火星地震来测量火星的内部结构，这也是40年来火星上第一个火震仪（当年维京人号曾经带去一个，但是并没有传回有用的数据）。火星地震仪是一个圆形的戴着一顶“帽子”的探测器，它会像医生的听诊器那样监听来自火星内部的“脉搏”——内部震动变化。地球上常见的地震是由板块运动引起的，火星上没有。火星地震可能来自内部的冷却收缩，造成表面断层，或者是来自陨石的撞击。结合风速、压力、温度和磁场传感器，它还可以感知到火星表面诸如沙尘暴这种天气系统或者大气湍流产生的震动。理论上它也可以探测火星有无地下水。这将是第一次探测火星上的“火震”，因此本次任务将会翻开火星内部结构探测新的一页。

SEIS好比听诊器监测火星地震信息（来源：NASA/JPL-Caltech）

2.RISE（Rotation and Interior Structure Experiment）火星旋转与内部结构实验装置

RISE拥有两个定位天线，这两个定位天线会持续与地球传送信号，通过往返信号的多普勒效应来判断探测器的速度（等同于火星表面的速度）。由此可以推测出火星轨道以及自转轴摆动的幅度和频率（即行星的进动和章动），而这些摆动的特征是由火星内核的构成所决定的。一个生活中的例子就是生鸡蛋vs熟鸡蛋——生鸡蛋拥有一个流质的内核，自转会慢一些；熟鸡蛋拥有一个固态内核，自转会快一些，并且自转轴的摆动也会有所不同。通过火星表面这种精确定位和持续监测，科学家可以从一定程度上确定火星内核的大小和成分。

RISE好比是一个小榔头测试火星的“膝跳反应”（来源：NASA/JPL-Caltech）

3.HP3（Heat Flow and Physical Properties Probe ）热流及物理性质探测器

HP3携带有一个特殊的钻头，可以将探针送入火星地下5米，这将会使“洞察”号成为人类历史上在外星钻的最深的探测器。这个热流探测器可以看作是“火星的体温计”（有了听诊器怎么能少了体温计），它能测量从火星内部传到表面的热量，类似设备也曾经在月球上布置过。钻入地下之后，热流探针会释放一个热脉冲并观察其衰减情况，从而确定火星地表下的温度和热传导率，结合其他探测器数据构建火星热流模型。这将有助于科学家判断火星是否与地球、月球是否由相同的物质组成，甚至窥测火星演化历史。

HP3 好比是一个温度计测量火星的热传导（来源：NASA/JPL-Caltech）

着陆地点

“洞察”号不能移动，因此着陆点的选择尤其重要。最终，计划着陆点选择在了火星赤道附近的埃律西昂平原（Elysium Planitia）。这个地方有三大重要特征：1. 全年都有充足的阳光照射；2. 低海拔，保证了软着陆过程中有足够的大气用来减速；3. 地表足够柔软，确保热流探测器的钻头能够钻到足够的深度。

“洞察”号着陆点（白色亮点）（来源：NASA/JPL-Caltech）

“洞察”号上有个非常可爱的设计，也是“洞察”号最大特色，那就是一个机械臂。玩过娃娃机吗？探测器着陆后，机械臂会负责将科学仪器从着陆器平台上提起并放置在周围的地面上，着陆器上有两台相机会帮助选择放置设备的位置并监控整个过程。

任务价值

为什么要研究火星的内部结构呢？地球和火星同为固态行星或者叫岩质行星，科学家们认为它们应该有着相似的形成过程。我们都知道，地球有着45亿年的历史，但它现在仍然处在一个活跃的地质活动状态，这带来的一个问题就是，很多地球早期形成过程中的关键信息早已被新的地质活动覆盖了。然而火星的情况就完全不同了，它的地质活动已经大大减弱，因而在其内部很可能依旧保留着早期形成过程中有价值的信息。通过“洞察”火星地表之下的结构和状态，有望了解岩质行星的形成和演化过程。比如太阳系诞生后不久，在原始行星的热分异过程中，不同密度和化学组成的成分如何在重力和热力的影响下分层，并最终形成地核、地幔和地壳的。简单来说，“洞察”号是地球人派往火星的一个地质学家，有望带领我们揭开尘封已久的古代火星的奥秘。

“洞察”号由美国航天局喷气推进实验室（JPL）负责总体研制，由喷气推进实验室和加州理工大学(CALTECH)共同管理，洛克希德马丁公司（Lockheed Martin）负责制造。除了美国的研究机构外，法国、英国、德国和瑞士的一些大学和研究机构也参与了科学载荷的研制。洞察号的发射重量为721千克，着陆重量为358千克，相比之前的“好奇”号要小多了（“好奇”号仅火星车部分就重达899千克）。“洞察”号任务原计划是2016年3月4日发射，但由于火星地震仪的真空腔在测试中发现了裂缝，而且来不及修复，因此错过每26个月一次的火星窗口。2018年留给它的窗口为5月份开始的一个月左右时间，每天有大约2小时的发射窗口。

火星地震仪（SEIS）及其真空腔（来源：IPGP/SODERN/CNES）

八一个卦

至于为什么选择在西海岸发射而不是佛罗里达州的卡纳维拉尔角，这里有件挺八卦的事。一方面西海岸的发射任务不多，发射窗口的选择更为自由。而另一方面，项目主管汤姆·霍夫曼（Tom Hoffman）声称自己作为加州人，一定要打破东海岸深空探测器发射的垄断！这种“假公济私”也没谁了。于是乎，“洞察”号就成为NASA第一个在西海岸发射的深空探测器 。可惜发射时间是当地凌晨，否则加州人民倒是有一个站在好莱坞山上一边欣赏风景一边欣赏火箭划过天际的绝佳机会。

模拟在著名的格里菲斯天文台观赏“洞察”号发射（来源：NASA）

“洞察”号的预计任务期为两年，不过谁知道呢，“机遇”号火星车已经在火星上工作了近15年，“洞察”号说不定也能围着自己的身体打上一圈洞。

作者：水兄、 Fiorano 
编辑：郝梦夷
责任编辑：张鹏

文章转载自《天文茶餐厅》