有驚無險成功著陸火星!你好 洞察號!

2020-12-08 騰訊網

出品：科普中國

製作：haibaraemily

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

北京時間今天（11月27日）凌晨4時左右，NASA的新一代火星著陸器洞察號順利著陸火星。

洞察號的使命是探測火星的內部結構。如果說好奇號是迄今為止最偉大的火星地球化學家和地質學家的話，那麼洞察號將會是火星第一位偉大的火星地球物理學家。（前情提要：NASA洞察號發射升空：火星探地黑科技，太陽系的時光機http://url.cn/5Vk3kdI）

洞察號在火星上的工作示意圖。來源：NASA

洞察號是如何著陸的？

不同於月球，火星有微弱的大氣層（不足地球的1%），雖然不多，但總好過沒有。所以火星探測器的著陸過程中還是會充分利用這一點點大氣層來緩衝減速。

著陸火星的探測器需要經歷上千個步驟，但大體來說都有這麼幾個主要階段：

*著陸艙與巡航段分離

*進入大氣層

*打開降落傘、扔掉隔熱盾

*與降落傘分離

*緩衝著陸

*開始傳回訊號、打開太陽能板（如果有的話）

洞察號整體機身的設計很大程度上直接繼承了之前的鳳凰號著陸器，它的著陸過程也和鳳凰號幾乎一樣。

（左）鳳凰號的俯視圖和正面圖；（右）洞察號的俯視圖和正面圖。兩片黑色的大傘是探測器的太陽能板。素材來源：NASA

鳳凰號的著陸模擬動畫。來源：[1]，剪輯：尞祡

那鳳凰號是怎麼著陸的呢？

嗯…隔熱盾+降落傘+反衝火箭，非常old school的著陸方式了…已經用了50多年…

當年好奇號用了空中吊車黑科技主要是因為它實在太重了，有將近一噸…而只有不到400公斤的洞察號當然就用不著這麼費勁了…攤手…

恐怖7分鐘

說起來，NASA在著陸火星方面一直保持著遙遙領先的成功率，但直到今天，著陸火星依然是一件極其危險、生死難卜的事兒，即使是NASA也不敢掉以輕心。

從1960年人類第一次嘗試發射火星探測器以來，到洞察號之前，一共有14次火星著陸任務成功進入了火星大氣層，但只有7次任務成功著陸並順利開展探測工作——成功率只有50%。

即使到了著陸技術已經相對成熟很多的近20年，也依然有NASA的火星極地著陸者號、深空2號，歐空局的小獵犬2號、斯基亞帕雷利號的遺憾失敗。

洞察號到達之前的火星著陸版圖。數據來源：MOLA，製圖：haibaraemily

具體到這次的洞察號。從進入火星大氣層到著陸火星表面，洞察號的這一著陸過程大約會持續6分45秒（比花了7分12秒的好奇號要短一點點，除了著陸策略的差異之外，最主要的原因是好奇號的著陸點的地勢比洞察號要低上近2000米[2]）——這也是傳說中的"恐怖7分鐘"（7 Minutes of Terror）[3]，因為這一過程的上千個複雜操作都只能在預先設置好參數之後完全由探測器自主完成，甚至中間有幾個階段信號都會中斷。

成功或者失敗，都只能等到探測器著陸之後傳回了信號才會知道——遠在地球上的人類除了等待之外，無能為力。

畢竟從探測器剛進入大氣層之前傳回的信號，最快也要8分多鐘之後才能到達地球——那時候無論成敗，都已經塵埃落定。

不過呢，洞察號之前的7次成功的任務全部都是NASA的…這也算是一種實力背書了…

所以說，這次洞察號成功著陸雖然不令人意外（考慮到NASA的成功率），但還是依然讓人提心弔膽。

洞察號順利完成了預定的著陸計劃。漢化自：[2]

現場工作人員的喜悅溢出屏幕。來源：NASA

洞察號著陸在哪裡？

經過長達四年的考察和探討，洞察號最終選定了北半球埃律西昂平原西部這片平坦的赤道區域，距離好奇號的探測區也很近。

背景圖是火星地形圖，紅區代表高處，藍區代表低處，素材來源：NASA

但是呢，預計著陸區只是一個橢圓形的範圍，也就是說，洞察號實際會著陸在這個圈圈裡的哪個位置，還是有很大的不確定性，畢竟著陸階段是探測器完全自主著陸的嘛。

所以洞察號實際著陸在哪裡，還要等到著陸之後傳回了更多信息才能知道。

機器人總動員

半年前，和洞察號同時發射的還有兩顆立方星，叫做MarCO-A和MarCO-B，這也將是頭兩顆造訪地球以外的其他行星的立方星。

它們還有更萌的暱稱，分別叫做"瓦力"和"伊娃"。兩顆立方星都是採用壓縮氣體的方式來在太空中完成推進的，和電影《機器人總動員》中的瓦力一樣[4]。

兩顆立方星長這樣…

瓦力和伊娃。來源：《機器人總動員》

哦不，上錯圖了…是長這樣…

兩顆立方星示意圖。來源：NASA/JPL-Caltech

這兩顆立方星要做什麼呢？

它們的使命是在洞察號著陸期間承擔洞察號和地球之間的通訊中繼工作，在第一時間向地球傳回洞察號的著陸狀況甚至洞察號著陸後拍攝的第一張照片。也就是說，如果順利的話，洞察號著陸10分鐘後，地球上的我們就可以收到第一張洞察號拍攝的照片了！

瓦力和伊娃的工作示意圖。漢化自：NASA/JPL-Caltech

你好，洞察號！

剛到火星，勤奮的洞察號就已經休整狀態——用它的ICC相機拍攝了它人生中第一次張限量版照片。

而實證明首次出場的瓦力和伊娃事也非常給力——它們以近乎實時的速度（也就是只延遲了8分鐘左右的信號傳播時間）把這張照片傳回了地球。

於是，地球上的我們僅僅在著陸後10分鐘左右就看到了這張令人激動不已的照片！

洞察號拍攝的第一張火星照片。來源：NASA-JPL-Caltech

拍攝這張照片的時候，洞察號還沒有拿掉相機的防塵罩，所以看著髒兮兮的也很不清晰，宛如新生兒剛剛睜開眼睛看到的模糊世界。

你好呀，洞察號！歡迎來到火星！

但可是絕對的限量版！因為幾天後防塵罩就會被摘掉，以後再傳回的照片就會很清楚啦。

至於瓦利和伊娃，因為立方星只有手提箱大小，沒有用於減速和調整軌道的燃料，所以完成任務之後的瓦力和伊娃不會進入火星軌道，而是會揚長而去，繼續太陽系中的漂泊人生。

但在此之前，伊娃也傳回了在一張洞察號著陸之後自己拍攝的火星。

再見了，瓦力和伊娃！

伊娃眼中的火星。來源：NASA-JPL-Caltech

幾個小時後，洞察號與在軌的火星奧德賽號軌道器成功取得聯絡。奧德賽號告訴我們，洞察號非常健康，已經順利打開了太陽能板。

此外，洞察號IDC相機拍攝的第一張火星照片也傳回了地球。相比之下也明顯可以看出IDC相機的視野比ICC相機窄得多。

IDC相機拍攝的火星以及洞察號機身的一部分。來源：NASA/JPL-Caltch

洞察號要探測什麼？——聽脈搏，測體溫

洞察號的主要探測目標有兩個：

一個是火星內部結構，也就是聽脈搏；

另一個是火星內部的熱狀態，也就是測體溫。

經過這兩項"檢查"之後，相信我們將會對火星內部有更深刻的認識。

針對這兩個目標，洞察號配備了一臺火震儀和一臺熱流和物理性質探測儀（HP3）。

洞察號的火震儀和熱流探測儀。來源：NASA-JPL Caltech

火震儀會在洞察號著陸之後被固定在火星表面上，然後用一個罩子罩起來減少外界風和熱的幹擾。

為什麼探測火星的內部結構需要地震儀（劃掉，在火星就叫火震儀了）呢？簡單來說，就是當固態天體發生震動的時候，震動產生的波（地震波）在不同密度的地層中傳播速度不同，那麼通過測量不同地層傳來的地震波之間的時間差，就可以反推內部每一層的厚度和密度了。

至於熱流和物理性質探測儀（Heat Flow and Physical Properties Probe，簡稱HP3）嘛，就簡單粗暴多了。它會直接把一隻"溫度計"插進火星表面，這隻溫度計的鑽頭被稱為"鼴鼠"，足足可以打5米深的洞，也就是說，可以測量火星表面到地下5米深的溫度隨深度的變化。這也將是有史以來人類在火星打的最深的洞了。

火星曾經也像地球一樣有過地質非常活躍的時期，但隨著內部熱量的不斷耗散，火星也就慢慢"沉寂"了。而通過測量火星淺表層溫度隨深度的變化，可以幫助我們重建火星的熱演化歷史，推算火星內部還有多少熱，火星已經失去了多少熱，火星這幾十億年來經歷了怎樣的熱變化，火星為什麼沒有板塊活動等等重要問題。

結語：243萬個地球人的名字，順利登上火星

洞察號和之前NASA的許多任務一樣，會面向所有的地球人徵集名字。這幾乎算得上是NASA增加普通民眾參與度和對深空探測親切感的經典案例了。

最終，全世界有243萬多人領到了這張"登機牌"，其中包括26萬名中國人[6]。

登機牌的國家分布。來源：NASA

本文作者的登機牌～這次沒有趕上的小夥伴們也不用遺憾，NASA現在的任務基本都會有這項活動，2020年的火星發射窗口也應該會有Mars 2020的徵名活動，不要錯過下一次去火星的機會哦～

這些名字被存儲在一個直徑不足0.8釐米的晶片中，也隨著這次洞察號的順利著陸，成功來到了這片紅色星球上。

存儲了243萬人名字的晶片。來源：NASA-JPL Caltech

期待洞察號正式開始工作之後給我們帶來更多驚喜吧！

致謝

本文感謝只有@鸑鷟鵷鶵、@天才琪露諾、@太空精釀、@尞祡對本文提升所做的幫助~

（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）

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