洞察号与火星探测专题

Space Exploration - - CONTENTS - 文/ 徐蒙

“洞察号”怎样洞察火星内部“瓦力”“爱娃”:火星附近第一对人造小不点“火星2020”:人类历史上最贵的“车”

2018年5月5日,宇宙神5号火箭搭载美国宇航局的洞察号(Insight)火星探测器从美国加州范登堡空军基地启程,开启了为期205天的太空之旅。它将于 2018 年 11 月 26日登陆火星表面,在火星上安置一枚火星地震仪(以下简称火震仪),并把一根长长的探针刺入地下。火星内部的秘密也将被一一揭开。

“抠门”项目之一

“洞察号”是美国宇航局的知名抠门项目——“发现(Discovery)”项目的成员之一,有多抠门呢?就是每项预算一般不超过4.5亿美元。什么概念呢?作为美国宇航局旗舰项目之一的“好奇号”花了25个亿,“卡西尼号”花了 39个亿。不过平心而论,美国宇 航局对“洞察号”实在不算抠门了,花了 8.3亿美元,远远超过了“发现”项目的预算标准。

虽然成本低,但“发现”项目的每个任务都是短准狠:任务设计寿命短(一般不超过36个月,当然仪器状态良好的话会延长,有些会延长很久),探测目标精简明确,而且大多成果惊人。例如,探测小行星谷神星和灶神星的“黎

明号”,探测月球全球高分辨率重力场的GRAIL,寻找系外行星的开普勒空间望远镜……这些探测器无一不在短短几年里就刷新了人类对它们所探测天体的认知,是名副其实的“发现新世界”。科学家们对“洞察号”也抱有这样的期待。

到目前为止,人类对火星的了解可不算多:探测火星表面地形、地貌特 征和重力场;探测火星水冰和矿物分布;探测火星大气层和空间粒子以及几辆火星车实地考察火星的地质状况……这些都还始终停留在火星表面和大气层,虽然重力场和一些粗略的火星物理数据(平均密度、惯量矩等)隐约向我们透露了一点火星内部的样子,知道火星像我们的地球和月球那样有壳、幔、核的分层结构,知道火星内部的热能已 经不足以维持它的自发磁场和各种活跃地质活动,但更多的呢?一共分了多少层?壳、幔、核每一层有多深?每一层的固液状态是怎样的?火星内部的热能到底还剩多少?火星的热量是以什么样的形式和速率耗散的?火星的热演化历史是怎样的?为什么火星几乎没有板块活动?……对这些,我们几乎一无所知。

着陆点如何选取

和之前那些火星着陆器不同,“洞察号”是一枚纯“地球物理探测器”,因此,它的选址比之前几枚火星车和着陆器要简单得多,因为它几乎不需要考虑具体的科学目标。而“好奇号”着陆在盖尔撞击坑是为了寻找水和生命,“凤凰号”着陆在北极是为了探测极区水冰,有些探测器还需要考虑整个路径的安全性和可移动性。从这个角度来说,“洞察号”的选址更有代表性。

“洞察号”的选址经过了长达4

年的考察和探讨。首先是基于工程上考虑(着陆、安全、功能)的初步筛选,例如:考虑太阳能的供给,着陆区划定在赤道附近;着陆过程中必须经过足够厚的大气层来保证降落伞的缓冲需要,着陆区地理位置要尽量低;地形要平坦(坡度小于15°)、石头不能太多、风化层较松软(方便着陆和热流探测器钻5米深的孔),等等……

初步筛选之后,选定了埃律西昂平原西部的16个区域。然后才逐区域排除直到选定最终的着陆区域。

“洞察号”要探测什么?

洞察号火星探测器,全名是“采用地震研究、测地学和传热学的火星内部结构探测器”,这样一看,它的探测目标可以说是一目了然了。

从整体上看,“洞察号”机身的

设计很大程度上直接继承了之前的凤凰号火星着陆器,这也是“洞察号”可以如此低成本的原因之一。

“洞察号”采用的是支腿式火星着陆器总体设计结构。起飞质量694千克,着陆器质量为358千克,热防护罩189千克,巡航级79千克,推进剂67千克。探测器本体高2.7米,三条支腿在着陆时具有着陆缓冲作用。洞察号探测器电源系统采用两块直径2.15 米圆形太阳能电池翼,输出功率为3000 度 / 日。除此之外,还有25安时的锂离子电池作为储能电池。

工欲善其事,必先利其器。看看“洞察号”都带了些什么仪器吧。

“洞察号”此去的主要探测目标有两个:一个是火星内部结构,另一个是火星内部的热状态。针对这两个目标, “洞察号”配备了一台火星地震仪、一台热流和物理性质探测仪(HP3)这两个主要科学探测仪器,当然还有其他的科学设备。

火星地震仪

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火震仪呢?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。

火星上虽然几乎没有板块活动,但还是有一些大大小小的火震来源,例如断层、大气影响等,这些震动都无法准确判断震源位置,为此,“洞察号”采取了一个巧妙的办法:探测陨石撞击火星引起的火震。

在火星勘测轨道探测器(MRO) 高分辨率影像的配合之下,一旦发生陨石撞击引起的火震,“洞察号”将会迅速搜索到新产生的陨石坑的精确位置,也就确定了震源的坐标,进而测量火星地震波的行进时间。

当然,单个火震仪观测会有很多局限性,因为火震仪数目越多,分布越广,才能探测到越深、越准确的内部结构。事实上,即使当年的阿波罗登月任务安装了四台月震仪,也还是没能解决这一问题。因为这些月震仪实在是靠得太近了,全部扎堆于月球近月面的低纬度区域,造成的后果是很难探测到远月 面的月震,也无法探测到深于 11001300公里的具体结构了。也就是说,尽管我们知道内部的分层状况和各层状态,但对下月幔和月核的深度和密度还是有很大的不确定性。

只不过,如今的“洞察号”,有了更灵敏的火震仪,也有更高分辨率的“MRO”影像帮助定位震源位置。希望它能够单枪匹马,做得比“阿波罗号”的月震仪更好。

另外,虽然每多观测到一次撞击,我们就能多了解火星内部一点点,但“洞察号”的设计寿命只有1个火星年(约2个地球年),而陨石撞击毕竟是纯概率事件,这2年期间能观测到多少次强度足够大的陨石撞击引起的火震呢?或许我们需要一点耐心,还需要一点运气。

热流探测仪

至于热流和物理性质探测仪(简称HP3)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,了解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。

和火震仪一样,热流探测仪这事儿美国宇航局也不是第一次干了,算是颇有经验。阿波罗 13、15、16 和 17号登月任务也都携带了热流探测仪,不过只有15 和 17号安装成功,而且“阿 波罗 15号”的热流探测仪在钻孔的过程中发现这里的风化层比预想得硬,钻不动……结果探针并没有插到计划的深度。考虑到“阿波罗15号”的前车之鉴,这次“洞察号”选址的时候就充分考虑了测区的风化层厚度和岩石硬度,确保可以钻到5米那么深……

除了火震仪和热流仪,“洞察号”还带了一台“自转和内部结构探测仪” (RISE)——它将通过多普勒频移测量火星的自转速度和自转轴变化。自转参数也是约束行星深层内部结构的重要依据之一。有了这些数据,我们就能更好地推测火星内部是啥样啦。

而且,不只是火星,“洞察号”的探测结果还可以帮助人类加深对整个内太阳系所有岩质天体(水星、金星、火星、地球、月球)演化的认识,追溯整个内太阳系早期的热演化历史和热分异过程。

从这个角度来说,“洞察号”还将是人类追溯整个内太阳系历史的一台时光机。

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。★

▲ “宇宙神5号”搭载“洞察号”踏上火星之旅

▲ “洞察号”将解开火星地质结构的秘密

▲ “凤凰号”和洞察号火星车对比图

▲在火星上着陆的各种着陆器

在长达四年的多轮选址讨论之下,洞察号最终选定的预计着陆点为位于火星北半球埃律西昂平原西部(小图白色椭圆区域,中心位置约北纬4.5 度,东经 136 度,表面重力加速度约 3.71 米 / 秒2)。

▲科学家们可以通过测量地震波在地下不同地层中的传播的时间,来研究这个天体内部结构是什么样的

▲火星地震仪工作示意图

▲测试热流探测仪

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