美國“洞察”探測器發(fā)射，將為人類聆聽火星之音

王帥（北京空間科技信息研究所）

2018年5月，時(shí)隔26個(gè)月之后火星探測窗口再度開啟，延期2年的美國國家航空航天局（NASA）“洞察”（lnSight）火星探測器發(fā)射升空，將實(shí)施首次“火星體檢”，對火星內(nèi)部進(jìn)行深入研究，包括火星地殼、地幔和地核?！岸床臁笔堑谝粋€(gè)從美國西海岸發(fā)射的深空探測器，此次發(fā)射還首次攜帶了立方體衛(wèi)星——“火星立方一”（MarCO）開展深空任務(wù)，任務(wù)對西海岸發(fā)射能力以及立方體衛(wèi)星深空探測能力進(jìn)行驗(yàn)證，將為未來深空探測任務(wù)提供更多的選擇。

1 任務(wù)發(fā)射概況

北京時(shí)間2018年5月5日19：05，“洞察”火星探測器在美國西海岸加利福尼亞州的范登堡空軍基地搭載宇宙神-5（Atlas-5）運(yùn)載火箭發(fā)射升空。發(fā)射后13min16s，“半人馬座”（Centaur）上面級攜帶“洞察”進(jìn)入地球停泊軌道。發(fā)射后79min，“半人馬座”上面級再次點(diǎn)火，將“洞察”送入地球到火星轉(zhuǎn)移軌道。發(fā)射后93min左右，“洞察”與“半人馬座”上面級分離。在釋放“洞察”探測器之后，“半人馬座”上面級進(jìn)行一次滾轉(zhuǎn)并釋放火星立方一-A，再旋轉(zhuǎn)180°后釋放火星立方一-B。從上面級分離后10min內(nèi)，“火星立方一”展開太陽電池翼，之后通過NASA深空網(wǎng)與地面控制團(tuán)隊(duì)建立聯(lián)系。

“洞察”將飛行約6個(gè)月，于2018年11月26日抵達(dá)火星并著陸在埃律西昂平原（Elysium Planitia）。著陸火星之后，“洞察”將立刻開始表面操作，并在第一周開始收集一些科學(xué)數(shù)據(jù)，完成科學(xué)儀器在火星表面的部署則需要大約10周的時(shí)間。“洞察”的主任務(wù)設(shè)定為1個(gè)火星年（約2個(gè)地球年），即708個(gè)火星日（728個(gè)地球日）。在任務(wù)執(zhí)行期間，“洞察”將每年發(fā)回超過30GB的數(shù)據(jù)。

2 任務(wù)基本情況

“洞察”全稱“地震調(diào)查、測地學(xué)和熱傳遞內(nèi)部探索”，是NASA“發(fā)現(xiàn)”（Discovery）計(jì)劃的第12次任務(wù)。任務(wù)目標(biāo)是向火星表面發(fā)送一個(gè)攜帶地震儀和熱傳輸探測器的著陸器，以研究火星早期地質(zhì)演變情況，從而增進(jìn)對太陽系巖質(zhì)行星形成和演化的理解。發(fā)射“洞察”的運(yùn)載火箭還發(fā)射了NASA的立方體衛(wèi)星“火星立方一”，試驗(yàn)利用立方體衛(wèi)星進(jìn)行深空通信的能力。

任務(wù)科學(xué)目標(biāo)

“洞察”將研究火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)，揭示太陽系巖質(zhì)行星或系外巖質(zhì)行星的早期形成。選擇火星的主要原因是火星足夠大，進(jìn)而能夠經(jīng)歷最早期形成巖質(zhì)行星內(nèi)部的加熱和分化過程；同時(shí)又足夠小、地質(zhì)活動較少，進(jìn)而在火星地殼、地幔和地核等行星基本構(gòu)造模塊中，保留了更完整的歷史記錄，是研究巖質(zhì)行星形成和演化的理想地點(diǎn)。在火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征中，可能包含了關(guān)于太陽系巖質(zhì)行星形成過程的最深入和最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。通過研究火星地殼、地幔和地核的尺寸、厚度、密度和整體結(jié)構(gòu)，以及熱量從火星內(nèi)部散逸的速率，“洞察”任務(wù)將幫助人類揭示內(nèi)太陽系中所有巖質(zhì)行星的進(jìn)化過程。此外，“洞察”還將測量現(xiàn)在火星上的構(gòu)造活動和隕石撞擊。

“洞察”任務(wù)的具體科學(xué)目標(biāo)包括：

1）通過調(diào)查火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和活動過程，理解巖質(zhì)行星的形成和演化過程：①確定火星地核的尺寸、成分和物理狀態(tài)（液體/固體）；②確定火星地殼的厚度和結(jié)構(gòu)；③確定火星地幔的成分和結(jié)構(gòu)；④確定火星內(nèi)部的熱狀態(tài)。

2）確定現(xiàn)在火星地質(zhì)構(gòu)造活動的活躍程度以及隕石撞擊火星的頻率：①測量內(nèi)部地震活動的規(guī)模、頻率和地理分布；②測量隕石撞擊火星表面的頻率。

探測器研制

“洞察”探測器由多國機(jī)構(gòu)合作研制，其中NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）負(fù)責(zé)管理，牽頭科學(xué)研究、系統(tǒng)工程、導(dǎo)航、任務(wù)運(yùn)行、儀器部署機(jī)械臂和相機(jī)的研制等；洛馬公司（LM）負(fù)責(zé)探測器的研發(fā)、裝配、集成、測試、發(fā)射運(yùn)行和任務(wù)運(yùn)行的支持；法國國家空間研究中心（CNES）負(fù)責(zé)管理、集成和交付“內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)儀”（SEIS）；德國航空航天中心（DLR）負(fù)責(zé)研制和交付“熱流和物理特性儀器套件”（HP3）；西班牙天體生物學(xué)中心（CAB）將提供風(fēng)和大氣溫度傳感器?！岸床臁庇?014年5月正式開始建造，于2015年5月進(jìn)入測試階段，原計(jì)劃于2016年3月發(fā)射。

2015年12月，“洞察”任務(wù)進(jìn)入發(fā)射前的準(zhǔn)備階段，探測器的組裝和測試已經(jīng)基本完成，然而關(guān)鍵載荷“內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)儀”在測試過程中發(fā)現(xiàn)真空容器泄漏的問題，導(dǎo)致NASA被迫將任務(wù)推遲至2018年發(fā)射。任務(wù)推遲后，“洞察”探測器返廠儲存，“內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)儀”真空容器由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量管理，導(dǎo)致“洞察”探測器的成本由6.75億美元增至8.288億美元。該問題在此前的測試中并未被發(fā)現(xiàn)，暴露出儀器故障的一個(gè)最重要原因是沒有做好事先的質(zhì)量控制和測試工作。此外，“內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)儀”是由法國國家空間研究中心作為承包商，多個(gè)國家的機(jī)構(gòu)合作研制的。問題在最終階段才被發(fā)現(xiàn)，不僅反映出了法國國家空間研究中心的質(zhì)量管理問題，還反映出NASA在國際合作項(xiàng)目管理方面存在著問題。

探測器構(gòu)成

“洞察”任務(wù)的設(shè)計(jì)主要是基于2008年發(fā)射的“鳳凰”（Phoenix）任務(wù)的探測器和著陸器設(shè)計(jì)的，同時(shí)采用了“火星勘察軌道器”（MRO）和“圣杯”（GRAIL）月球探測器中的航空電子設(shè)備?！岸床臁碧綔y器主要包含巡航級，進(jìn)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(jìn)入、下降和著陸系統(tǒng)包括保護(hù)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。

“洞察”著陸器質(zhì)量為360kg，太陽電池翼展開時(shí)寬度約為6.1m，頂板直徑約1.56m，頂板高度為0.83～1.08m，機(jī)械臂長2.4m，能源由2個(gè)圓形太陽能板提供，各太陽板的直徑為2.2m。

“洞察”著陸器的科學(xué)有效載荷包含3個(gè)主要儀器，分別為法國國家空間研究中心提供的“內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)儀”、德國航空航天中心提供的“熱流和物理特性儀器套件”和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室提供的“旋轉(zhuǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)”（RISE）天線。“內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)儀”負(fù)責(zé)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，研制機(jī)構(gòu)包括法國國家空間研究中心、巴黎地球物理學(xué)院（IPGP）、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）、馬克斯·普朗克太陽系研究所（MPS）、英國帝國理工學(xué)院（Imperial College）以及NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室?！盁崃骱臀锢硖匦詢x器套件”是自穿透熱流探針，將深入地表下5m，以測量火星內(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(shí)驗(yàn)”天線是利用探測器通信系統(tǒng)對行星旋轉(zhuǎn)進(jìn)行精確測量。除此之外，有效載荷還包括西班牙天體生物學(xué)中心提供的風(fēng)和溫度傳感器，以及高分辨率（10mPa）氣壓傳感器等。其中“內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)儀”是協(xié)助進(jìn)行火星深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究的主要科學(xué)有效載荷，核心組成是裝在鈦合金球形容器內(nèi)的3個(gè)高精度寬頻帶地震傳感器。傳感器需要在真空環(huán)境中運(yùn)行，可以對小到1/4氫原子直徑（1-10m）的地面運(yùn)動進(jìn)行測量。

在著陸火星之后，“洞察”著陸器利用機(jī)械臂將“內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)儀”和“熱流和物理特性儀器套件”部署在火星表面，2個(gè)儀器將分別用于測量微小的地面運(yùn)動和監(jiān)測火星內(nèi)部熱活動。同時(shí)，“洞察”還將利用無線電測量行星的自轉(zhuǎn)，利用相機(jī)和一系列環(huán)境敏感器監(jiān)測火星天氣和磁場變化。

“火星立方一”

“火星立方一”任務(wù)包括2顆6U立方體衛(wèi)星，將和“洞察”搭載同一枚火箭發(fā)射并緊隨“洞察”獨(dú)自飛行，主要目標(biāo)是測試新的小型深空通信設(shè)備。如果能夠順利抵達(dá)火星，“火星立方一”將在“洞察”著陸期間從距離火星3500km處飛越火星，裝備折疊高增益天線的“火星立方一”將在“洞察”著陸器進(jìn)入、下降和著陸期間為其提供中繼服務(wù)。這是首次在地外行星上進(jìn)行小型立方體衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)。

“火星立方一”并不屬于“洞察”任務(wù)的一部分，盡管可以在“洞察”著陸期間為其提供中繼服務(wù)，但并不是“洞察”探測器傳輸數(shù)據(jù)必需的設(shè)備?！盎鹦橇⒎揭弧北旧韺⒉粓?zhí)行科學(xué)探測任務(wù)，其主要任務(wù)將是首次在深空測試立方體衛(wèi)星技術(shù)，驗(yàn)證立方體衛(wèi)星在未來太陽系探測的工作方式。如果抵達(dá)火星，“火星立方一”將測試一種通信中繼方法，使其可以成為未來火星著陸器的“黑匣子”，幫助工程師理解著陸火星的困難過程。

2顆立方體衛(wèi)星由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制，兩者將執(zhí)行相同的功能以形成互補(bǔ)和備份。“火星立方一”未展開太陽電池翼的尺寸為36.6cm×24.3cm×11.8cm，2副太陽電池翼尺寸均為30cm×30cm，在地球附近功率為35W，在火星附近功率為17W，能源系統(tǒng)還包括可充電的鋰離子電池?！盎鹦橇⒎揭弧睌y帶的高增益X頻段天線為平板反射陣，能夠以較低功耗實(shí)現(xiàn)地火之間的信息傳輸?！盎鹦橇⒎揭弧钡膹椈刹渴鹣到y(tǒng)位于“半人馬座”上面級的船尾艙壁載體上，接近上面級的底部，不在包裹“洞察”探測器的整流罩內(nèi)。從發(fā)射到上面級與火箭分離，船尾艙壁載體處于級間適配器中，受級間適配器的保護(hù)。

3 任務(wù)特點(diǎn)分析

“洞察”屬于NASA“發(fā)現(xiàn)”計(jì)劃，其任務(wù)定位與目標(biāo)相比于近期NASA執(zhí)行的火星任務(wù)而言存在較大不同，更偏重于科學(xué)問題的研究，而不是對火星環(huán)境的探測。從探測內(nèi)容的角度而言，“洞察”是首個(gè)研究地外行星內(nèi)部的探測器，將首次測量火星地震，研究火星火山形成等，幫助人類追溯火星的歷史。此外，“洞察”還是首個(gè)從美國西海岸發(fā)射的深空探測任務(wù)，其搭乘的運(yùn)載火箭同時(shí)承載立方體衛(wèi)星的首次深空之旅。

任務(wù)偏重科學(xué)研究，瞄準(zhǔn)巖質(zhì)行星形成過程

“洞察”任務(wù)屬于“發(fā)現(xiàn)”計(jì)劃，但更側(cè)重于科學(xué)探測，與美國火星探測長遠(yuǎn)計(jì)劃中尋找火星生命信號、奠定未來載人探測基礎(chǔ)等目標(biāo)關(guān)聯(lián)性不大。2011年，NASA宣布美國的火星探測從“追蹤水的痕跡”正式轉(zhuǎn)變?yōu)椤八褜ど盘枴薄?013年“火星大氣與揮發(fā)物演變”之后任務(wù)的科學(xué)戰(zhàn)略目標(biāo)主要是“尋找生命信號”、“探測適居性”和“為載人探測做準(zhǔn)備”。在2010年以前制定的美國火星探測演進(jìn)科學(xué)戰(zhàn)略中，2016年3月和2018年5月2個(gè)火星探測窗口的項(xiàng)目為歐洲航天局（ESA）牽頭的“火星生物學(xué)”（ExoMars）項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)NASA還未退出該項(xiàng)目?！岸床臁比蝿?wù)的科學(xué)目標(biāo)與目前美國的火星探測科學(xué)戰(zhàn)略目標(biāo)關(guān)系不大，2012年8月入選“發(fā)現(xiàn)”計(jì)劃與2012年2月NASA退出“火星生物學(xué)”有一定關(guān)聯(lián)，接近于填補(bǔ)火星探測空白期的任務(wù)。

“洞察”任務(wù)的定位與近年來開展的多個(gè)火星探測任務(wù)之間存在明顯不同。從其探測內(nèi)容而言，“洞察”不僅僅是一個(gè)火星探測任務(wù)，更是一個(gè)類地行星探測者，它將解決行星和太陽系科學(xué)眾多基本問題之一，即40多億年以前內(nèi)太陽系巖質(zhì)行星（包括地球在內(nèi)）的形成過程。研究將有助于更好地理解巖質(zhì)行星和太陽系，幫助人類尋找類似地球的系外行星。

首次探測火星內(nèi)部，深度研究火星內(nèi)部活動

經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的探測，人類對于火星基本物理參數(shù)、空間與表面環(huán)境、地形地貌與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、表面物質(zhì)等方面都取得了一定的認(rèn)知，已經(jīng)從全球遙感探測向表面和巡視探測進(jìn)行轉(zhuǎn)變。然而，還沒有火星探測任務(wù)對火星內(nèi)部進(jìn)行過深入研究，“洞察”將首次研究火星內(nèi)部，測量火星的“脈沖”（地震）、“溫度”（熱流）和“反射”（當(dāng)被太陽和衛(wèi)星牽引時(shí)行星的擺動方式）等“生命體征”，進(jìn)而揭示巖質(zhì)行星的形成過程。

“洞察”將首次探測火星地震，研究火星地下運(yùn)動。此前，NASA曾嘗試在“海盜”（Viking）火星著陸器的頂端裝載地震儀，但獲得的數(shù)據(jù)噪聲過大。“洞察”的地震儀將直接放置在火星表面，獲得更為清晰的數(shù)據(jù)。不同于地球，火星地震主要由板塊移動以外的其他構(gòu)造活動引起，包括火星地殼中形成的火山活動和裂隙。此外，流星撞擊也會產(chǎn)生地震波，“洞察”也將對其進(jìn)行測量。通過研究地震波經(jīng)過火星地殼、地幔和地核的方式，科學(xué)家將能夠確定各層的深度以及組成，就像對火星內(nèi)部進(jìn)行了X射線檢查一樣。

“洞察”還將研究火星火山的形成，其攜帶的熱流探針將深入火星地下5m處，以首次測量來自火星內(nèi)部的熱流?！岸床臁碧綔y的熱流頻率和其他探測數(shù)據(jù)將揭示火星內(nèi)部的能量如何驅(qū)動火星表面的變化。總而言之，“洞察”將首次進(jìn)行火星內(nèi)部的探測，獲得火星地質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的全新數(shù)據(jù)，提高多個(gè)火星參數(shù)的精度，并且研究內(nèi)太陽系所有巖質(zhì)行星演化的過程。

首次從西海岸發(fā)射，可以有效緩解發(fā)射壓力

在“洞察”任務(wù)發(fā)射之前，美國共計(jì)開展了98次月球和深空探測任務(wù)，其中僅有3次月球探測任務(wù)不是從東海岸的卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射的?？{維拉爾角空軍基地緯度較低[28.5°（N）]，東鄰大西洋，向東發(fā)射火箭可以利用地球自轉(zhuǎn)附加速度，因此一般情況，從此處發(fā)射航天器所需燃料較少；而范登堡空軍基地緯度略高[34.7（N）]，適合向西發(fā)射高傾角軌道和極軌道衛(wèi)星。而深空探測任務(wù)通常傾角并不大，從卡納維拉爾角空軍基地進(jìn)行發(fā)射將更節(jié)省燃料，因此，過去所有的深空探測任務(wù)都是從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射。

“洞察”采用宇宙神-5運(yùn)載火箭進(jìn)行發(fā)射，而類似設(shè)計(jì)的“鳳凰”任務(wù)僅采用了發(fā)射能力更小的德爾他-2（Delta-2）運(yùn)載火箭，也就是“洞察”的發(fā)射具有更大的靈活性，可以選擇在卡納維拉爾角空軍基地或范登堡空軍基地進(jìn)行發(fā)射?！岸床臁弊罱K選擇在西海岸的范登堡空軍基地發(fā)射的原因主要是，在“洞察”的發(fā)射窗口內(nèi)，范登堡空軍基地相對更為清閑，發(fā)射任務(wù)壓力較小。事實(shí)上，過去NASA就曾考慮在范登堡空軍基地發(fā)射“火星奧德賽”（Mars Odyssey），這樣做可以減少卡納維拉爾角空軍基地的發(fā)射壓力。首次試驗(yàn)深空立方體衛(wèi)星，開啟立方體衛(wèi)星深空之旅

“洞察”探測器搭乘的運(yùn)載火箭同時(shí)發(fā)射2顆立方體衛(wèi)星“火星立方一”，“火星立方一”將測試新的小型深空通信設(shè)備，并在“洞察”火星著陸器進(jìn)入、下降和著陸期間飛越火星，為著陸器提供通信中繼服務(wù)。在進(jìn)入、下降和著陸期間，“洞察”著陸器利用超高頻（UHF）無線電頻段將信息傳送給上空飛越的NASA火星軌道器MRO，并由MRO利用X頻段將信息傳送回地球。然而，MRO無法在UHF頻段接收信息的同時(shí)在X頻段發(fā)送信息，著陸成功的信息由MRO中繼至地球?qū)⒂谐^1h的延遲。而“火星立方一”攜帶的足球大小的通信設(shè)備具備UHF頻段的接收能力，以及X頻段的接收和發(fā)送能力，能夠在接收UHF頻段信息的同時(shí)利用X頻段將信息發(fā)送給地球，從而減少信息延遲的時(shí)間。

這將是立方體衛(wèi)星首次進(jìn)行深空探測任務(wù)。如果“火星立方一”驗(yàn)證任務(wù)成功，未來的火星探測任務(wù)在大氣進(jìn)入和下降的關(guān)鍵幾分鐘內(nèi)將擁有“自攜帶”的通信中繼選項(xiàng)，并且將引領(lǐng)立方體衛(wèi)星在深空探測任務(wù)中的其他應(yīng)用，包括利用小型相機(jī)等小型儀器進(jìn)行觀測、對空間環(huán)境進(jìn)行就地測量等。

4 小結(jié)

“洞察”任務(wù)推遲主因在于質(zhì)量控制和監(jiān)管的疏漏，應(yīng)予以警惕

由于主要儀器“內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)儀”在最終測試時(shí)發(fā)現(xiàn)真空容器存在漏洞，導(dǎo)致“洞察”任務(wù)不得不推遲2年發(fā)射，造成任務(wù)成本增加了1.538億美元，其深層原因在于NASA和法國國家空間研究中心在設(shè)備制造方面的質(zhì)量控制和監(jiān)管方面存在問題。真空容器在最終測試時(shí)被發(fā)現(xiàn)存在泄漏的問題說明，法國國家空間研究中心在設(shè)備制造時(shí)的質(zhì)量控制和測試存在疏漏，并且NASA作為總體單位沒有做好監(jiān)管措施。

利用立方體衛(wèi)星開展深空探測已成各國關(guān)注熱點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)

“火星立方一”將首次試驗(yàn)立方體衛(wèi)星開展深空探測的能力，奠基未來立方體衛(wèi)星開展深空探測的發(fā)展路程。立方體衛(wèi)星具有低成本、靈活性高的特點(diǎn)，并且可以多顆立方體衛(wèi)星協(xié)作開展多點(diǎn)探測，相比單個(gè)大型探測器，可增加探測范圍并減少任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。近幾年，NASA和ESA都在大力研究立方體衛(wèi)星探測月球的概念，NASA“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）和“獵戶座”（Orion）的首次無人探月任務(wù)將攜帶多顆立方體衛(wèi)星開展月球探測，ESA也在2017年篩選了4個(gè)利用立方體衛(wèi)星探索月球的概念，進(jìn)行進(jìn)一步的研究。此外，2017年NASA還開始研究用于探測金星的立方體衛(wèi)星。