前沿熱點丨火星新登陸者

2020-07-31 中國工程院院刊

本文選自中國工程院院刊《Engineering》2019年第3期

作者：Marcus Woo

來源：A New Lander on Mars[J].Engineering,2019,5(3):355-356.

2018年11月26日，火星迎來了一位新訪客——美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的「洞察號」（InSight）著陸器。它以每秒5.5 km的速度快速穿越火星大氣層，並在經受著1500 ℃高溫的情況下，利用載有著陸器的太空艙打開了降落傘。在距離火星表面9.2 km的地方，InSight釋放了隔熱罩，露出了著陸器的支架。幾分鐘後，著陸器脫離太空艙開始自由降落。在脈衝反射角的幫助下，InSight 停在了比較貧瘠的埃律西昂平原（Elysium Planitia）上，該平原位於火星赤道以北4.5°的地方。在接下來的幾周裡，這艘宇宙飛船調查了它的新環境和系統，拍了一張自拍照（圖1），然後開始工作。

前沿熱點丨火星新登陸者

圖1 2018年12月6日，NASA InSight著陸器在火星上的第10天完成首次自拍。圖片顯示著陸器的太陽能電池板、科學儀器、氣象探測吊杆和超高頻（UHF）天線。來源：NASA/JPL-Caltech

InSight將用一火星年（大約地球上的兩年）來探測火星的深處，並研究火星的內部結構、組成和整體特性。科羅拉多地質調查局（ Colorado Geological Survey ）的一位研究地熱的地質學家、InSight科學小組成員Paul Morgan說：「這是第一次專門為觀察另一顆行星內部情況而執行的任務。」這項任務將幫助科學家更好地了解火星以及其他巖質行星的形成和演化。他說：「通過對火星內部情況的了解，我們相信我們將能夠了解地球早期的歷史。」

地震儀（SEIS）是InSight完成這項任務的主要工具之一，可用來探測「火星地震」、隕石撞擊，甚至火星的衛星「火衛一」的引力效應。通過測量相關地震波的速度和時間，科學家們可以觀察到火星內部結構的詳細情況。InSight小組成員、巴黎地球物理研究所（Institut de Physique du Globe de Paris）研發工程師Sébastien de Raucourt說，研究人員希望，一火星年後，能獲得足夠的信息來精確描述火星的地殼、地幔和地核。他說地震學使20世紀上半葉的科學家能夠了解地球內部情況。「我們的目標是在火星上做同樣的事情。」

著陸幾周後，InSight的機械臂將它的SEIS安置在火星表面——這是InSight第一次執行行星任務，這將成為自1976年維京號（Viking）著陸器攜帶一個較為簡單的地震儀並且未直接接觸火星表面以來，火星上的第一個地震儀。SEIS靈敏度極高，可以探測到比氫原子直徑還小的地面運動。

為了保護儀器不受噪聲幹擾，研究人員將其置於真空密封的鈦球內，又將鈦球封裝在一個絕緣盒中。將地震儀安置在火星表面後，InSight的機械臂用一個保護性的圓頂罩住它，使其免受風和溫度變化的影響。要知道，在一個火星日內，溫差可達94 ℃。研究人員給儀器本身也設計了一些元件，這些元件會隨著溫度升降而膨脹和收縮，從而抵消了部分溫度變化的影響。

2019年2月，InSight將其第二套艙外儀器部署到了火星表面上，這種地下測溫工具被稱為「熱流和物理性能包」（heat flow and physical properties package，HP3 ）。該設備僅重3 kg，最大運行功率為2 W，但其強大的能量足以使其撞擊到這顆火星表面以下5 m深處。在長達40 d的時間裡，該儀器將系統地深入地下，測量行星的內部溫度，並在此過程中測量熱導率。火星的內熱來自於自身構造和鈾、釷、鉀等不穩定同位素的衰變，並驅動著火星從核心向外部的地質活動。準確測量離開核心的熱通量有助於約束行星過去和未來的演化模型。

為了解更多關於火星核的信息，InSight將利用它與地球的無線電連接來跟蹤火星繞其旋轉軸的振動。NASA的深空網絡（Deep Space Network）在澳大利亞、西班牙和美國加利福尼亞都有無線電天線，它將跟蹤InSight的位置，以測量火星的長期歲差與短期章動，幫助科學家確定火星核的大小和密度，以及有多少火星核是熔融狀態。在此之前，NASA的探路者號（Pathfinder）和Viking著陸器收集的數據表明，火星核的密度相當高，而NASA的全球火星勘測軌道飛行器（Mars Global Surveyor Orbiter）也探測到了火星核外部熔融部分的證據。InSight將在整個任務過程中監測火星的振動，提供對更精確的測量至關重要的長期跟蹤。

除了這三個主要工具，InSight還安裝了兩個攝像頭——一個在機械臂上，另一個在甲板下——並附帶一個輔助載荷傳感器子系統。甲板下的攝像頭用於監測當地的磁場、風、溫度和氣壓，幫助科學家識別主要儀器可能接收到的噪聲源。輔助載荷傳感器子系統已經啟動並運行，該系統還能充當一個氣象站，任何人都可以在線查看火星的天氣情況。

註：本文內容呈現形式略有調整，若需可查看原文。

改編原文：

Marcus Woo.A New Lander on Mars[J].Engineering,2019,5(3):355-356.

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