洞察号!有惊无险成功着陆火星
发布时间:2018-11-27
出品:科普中国
制作:haibaraemily
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  北京时间今天(1127日)凌晨4时左右,NASA的新一代火星着陆器洞察号顺利着陆火星 

  洞察号使命是探测火星的内部结构。如果说好奇号是迄今为止最伟大的火星地球化学家和地质学家的话,那么洞察号将会是火星第一位伟大的火星地球物理学家。(前情提要:NASA洞察号发射升空:火星探地黑科技,太阳系的时光机https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3MzE3OTI0Mw==&mid=2247489729&idx=1&sn=45157fc8f6256bd95c9e078dab61115a&chksm=eb266fc5dc51e6d3a7539ea209de3b6caefe356b985b7cce5180140a3d75a603ce95d6235339&mpshare=1&scene=1&srcid=1127kpSh9tYlxHsTCltCD5Mf#rd 

洞察号在火星上的工作示意图。来源:NASA 

   洞察号是如何着陆的? 

  不同于月球,火星有微弱的大气层(不足地球的1%),虽然不多,但总好过没有。所以火星探测器的着陆过程中还是会充分利用这一点点大气层来缓冲减速 

  着陆火星的探测器需要经历上千个步骤,但大体来说都有这么几个主要阶段: 

  *着陆舱与巡航段分离 

  *进入大气层 

  *打开降落伞、扔掉隔热盾 

  *与降落伞分离 

  *缓冲着陆 

  *开始传回讯号、打开太阳能板(如果有的话) 

  洞察号整体机身的设计很大程度上直接继承了之前的凤凰号着陆器,它的着陆过程也和凤凰号几乎一样。 

   

(左)凤凰号的俯视图和正面图;(右)洞察号的俯视图和正面图。两片黑色的大伞是探测器的太阳能板。素材来源:NASA  

    

 

凤凰号的着陆模拟动画。来源:[1],剪辑:尞祡 

    

  那凤凰号是怎么着陆的呢? 

  嗯…隔热盾+降落伞+反冲火箭,非常old school的着陆方式了…已经用了50多年… 

  当年好奇号用了空中吊车黑科技主要是因为它实在太重了,有将近一吨…而只有不到400公斤的洞察号当然就用不着这么费劲了…摊手… 

    

  恐怖7分钟 

  说起来,NASA在着陆火星方面一直保持着遥遥领先的成功率,但直到今天,着陆火星依然是一件极其危险、生死难卜的事儿,即使是NASA也不敢掉以轻心。 

  1960年人类第一次尝试发射火星探测器以来,到洞察号之前,一共有14次火星着陆任务成功进入了火星大气层,但只有7次任务成功着陆并顺利开展探测工作——成功率只有50% 

  即使到了着陆技术已经相对成熟很多的近20年,也依然有NASA的火星极地着陆者号、深空2号,欧空局的小猎犬2号、斯基亚帕雷利号的遗憾失败 

   

洞察号到达之前的火星着陆版图。数据来源:MOLA,制图:haibaraemily 

    

  具体到这次的洞察号。从进入火星大气层到着陆火星表面,洞察号的这一着陆过程大约会持续645(比花了712秒的好奇号要短一点点,除了着陆策略的差异之外,最主要的原因是好奇号的着陆点的地势比洞察号要低上近2000[2])——这也是传说中的“恐怖7分钟”(7 Minutes of Terror[3],因为这一过程的上千个复杂操作都只能在预先设置好参数之后完全由探测器自主完成,甚至中间有几个阶段信号都会中断。 

  成功或者失败,都只能等到探测器着陆之后传回了信号才会知道——远在地球上的人类除了等待之外,无能为力 

  毕竟从探测器刚进入大气层之前传回的信号,最快也要8分多钟之后才能到达地球——那时候无论成败,都已经尘埃落定。 

  不过呢,洞察号之前的7次成功的任务全部都是NASA的…这也算是一种实力背书了… 

  所以说,这次洞察号成功着陆虽然不令人意外(考虑到NASA的成功率),但还是依然让人提心吊胆。 

洞察号顺利完成了预定的着陆计划。汉化自:[2] 

 

现场工作人员的喜悦溢出屏幕。来源:NASA 

  洞察号着陆在哪里? 

  经过长达四年的考察和探讨,洞察号最终选定了北半球埃律西昂平原西部这片平坦的赤道区域,距离好奇号的探测区也很近。 

背景图是火星地形图,红区代表高处,蓝区代表低处,素材来源:NASA 

  但是呢,预计着陆区只是一个椭圆形的范围,也就是说,洞察号实际会着陆在这个圈圈里的哪个位置,还是有很大的不确定性,毕竟着陆阶段是探测器完全自主着陆的嘛。 

  所以洞察号实际着陆在哪里,还要等到着陆之后传回了更多信息才能知道 

    

  机器人总动员 

  半年前,和洞察号同时发射的还有两颗立方星,叫做MarCO-AMarCO-B,这也将是头两颗造访地球以外的其他行星的立方星 

  它们还有更萌的昵称,分别叫做“瓦力”和“伊娃”。两颗立方星都是采用压缩气体的方式来在太空中完成推进的,和电影《机器人总动员》中的瓦力一样[4] 

  两颗立方星长这样… 

瓦力和伊娃。来源:《机器人总动员》 

  哦不,上错图了…是长这样… 

两颗立方星示意图。来源:NASA/JPL-Caltech 

  这两颗立方星要做什么呢? 

  它们的使命是在洞察号着陆期间承担洞察号和地球之间的通讯中继工作,在第一时间向地球传回洞察号的着陆状况甚至洞察号着陆后拍摄的第一张照片。也就是说,如果顺利的话,洞察号着陆10分钟后,地球上的我们就可以收到第一张洞察号拍摄的照片了! 

瓦力和伊娃的工作示意图。汉化自:NASA/JPL-Caltech 

  你好,洞察号! 

  刚到火星,勤奋的洞察号就已经休整状态——用它的ICC相机拍摄了它人生中第一次张限量版照片 

  而实证明首次出场的瓦力和伊娃事也非常给力——它们以近乎实时的速度(也就是只延迟了8分钟左右的信号传播时间)把这张照片传回了地球。 

  于是,地球上的我们仅仅在着陆后10分钟左右就看到了这张令人激动不已的照片! 

洞察号拍摄的第一张火星照片。来源:NASA-JPL-Caltech 

  拍摄这张照片的时候,洞察号还没有拿掉相机的防尘罩,所以看着脏兮兮的也很不清晰,宛如新生儿刚刚睁开眼睛看到的模糊世界 

    

  你好呀,洞察号!欢迎来到火星! 

  但可是绝对的限量版!因为几天后防尘罩就会被摘掉,以后再传回的照片就会很清楚啦。 

  至于瓦利和伊娃,因为立方星只有手提箱大小,没有用于减速和调整轨道的燃料,所以完成任务之后的瓦力和伊娃不会进入火星轨道,而是会扬长而去,继续太阳系中的漂泊人生。 

  但在此之前,伊娃也传回了在一张洞察号着陆之后自己拍摄的火星。 

  再见了,瓦力和伊娃! 

伊娃眼中的火星。来源:NASA-JPL-Caltech 

    

  几个小时后,洞察号与在轨的火星奥德赛号轨道器成功取得联络。奥德赛号告诉我们,洞察号非常健康,已经顺利打开了太阳能板 

  此外,洞察号IDC相机拍摄的第一张火星照片也传回了地球。相比之下也明显可以看出IDC相机的视野比ICC相机窄得多。 

IDC相机拍摄的火星以及洞察号机身的一部分。来源:NASA/JPL-Caltch 

    

  洞察号要探测什么?——听脉搏,测体温 

  洞察号的主要探测目标有两个: 

  一个是火星内部结构,也就是听脉搏 

  另一个是火星内部的热状态,也就是测体温 

  经过这两项“检查”之后,相信我们将会对火星内部有更深刻的认识。 

  针对这两个目标,洞察号配备了一台火震仪和一台热流和物理性质探测仪(HP3 

洞察号的火震仪和热流探测仪。来源:NASA-JPL Caltech 

  火震仪会在洞察号着陆之后被固定在火星表面上,然后用一个罩子罩起来减少外界风和热的干扰。 

  为什么探测火星的内部结构需要地震仪(划掉,在火星就叫火震仪了)呢?简单来说,就是当固态天体发生震动的时候,震动产生的波(地震波)在不同密度的地层中传播速度不同,那么通过测量不同地层传来的地震波之间的时间差,就可以反推内部每一层的厚度和密度了。 

  至于热流和物理性质探测仪(Heat Flow and Physical Properties Probe,简称HP3嘛,就简单粗暴多了。它会直接把一只“温度计”插进火星表面,这只温度计的钻头被称为“鼹鼠”,足足可以打5米深的洞,也就是说,可以测量火星表面到地下5米深的温度随深度的变化。这也将是有史以来人类在火星打的最深的洞了。 

  火星曾经也像地球一样有过地质非常活跃的时期,但随着内部热量的不断耗散,火星也就慢慢“沉寂”了。而通过测量火星浅表层温度随深度的变化,可以帮助我们重建火星的热演化历史,推算火星内部还有多少热,火星已经失去了多少热,火星这几十亿年来经历了怎样的热变化,火星为什么没有板块活动等等重要问题。 

    

  结语:243万个地球人的名字,顺利登上火星 

  洞察号和之前NASA的许多任务一样,会面向所有的地球人征集名字。这几乎算得上是NASA增加普通民众参与度和对深空探测亲切感的经典案例了。 

  最终,全世界有243万多人领到了这张“登机牌”,其中包括26万名中国人[6] 

登机牌的国家分布。来源:NASA 

  本文作者的登机牌~这次没有赶上的小伙伴们也不用遗憾,NASA现在的任务基本都会有这项活动,2020年的火星发射窗口也应该会有Mars 2020的征名活动,不要错过下一次去火星的机会哦~ 

  这些名字被存储在一个直径不足0.8厘米的芯片中,也随着这次洞察号的顺利着陆,成功来到了这片红色星球上。 

存储了243万人名字的芯片。来源:NASA-JPL Caltech 

  期待洞察号正式开始工作之后给我们带来更多惊喜吧! 

  致谢 

  本文感谢只有@鸑鷟鹓鶵、@天才琪露诺、@太空精酿、@尞祡对本文提升所做的帮助~ 

    

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

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