人类首次探索火星内部!“洞察号”今天顺利着陆,加州理工教授解读任务亮点

发布: | 发布时间:2018-11-27,星期二 | 阅读:718

作者:戚译引

NASA 火星探测器“洞察号”(InSight)于北京时间 11 月 27 日凌晨在火星表面软着陆,即将首次探索火星内部结构。科研圈对话加州理工学院喷气推进实验室首席科学家蒋红涛教授,第一时间了解任务情况。

洞察号着陆后拍摄的第一张照片,镜头上的防尘罩还未打开。| 图片来源:NASA

美国国家航天航空局(NASA)的火星探测器“洞察号”(InSight)于北京时间 11 月 27 日凌晨在火星表面软着陆。着陆点位于埃律西昂平原(Elysium Planitia)西部,离好奇号只有 600 千米。这次任务开创了两个第一次:小型卫星 CubeSat 第一次探索深空,以及人类第一次探索火星内部结构。

“恐怖七分钟”

洞察号于 2018 年 5 月 5 日在加利福尼亚中部的范登堡空军基地(Vandenberg Air Force Base)发射升空。到今天凌晨,洞察号以时速 19800 千米抵达火星大气层顶部,然后减速到每小时 8 千米(相当于人类慢跑的速度),最终用三条腿着陆火星。而这样剧烈的减速过程全部发生在 7 分钟之内。

有工程师将着陆火星的过程称为“恐怖七分钟”。火星到地球的信号往返有 15 分钟左右的延迟,因此工程师们无法直接操纵探测器的着陆过程,只能让它按照预设程序运行。在刚刚过去的这个周末,NASA 工程师们一直在密切监测洞察号传回的数据流和火星天气报告,以便在必要时对着陆计划进行最后的调整。

加州理工学院喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)首席科学家蒋红涛教授告诉科研圈:“由于火星独特的大气密度和温度,探测器的着陆过程很难在地球表面进行模拟演练。但是 JPL 有着过去几十年的火星着陆经验,对火星大气对探测器的着陆过程影响已经非常了解。”

完全展开的洞察号,拍摄于位于科罗拉多州利特尔顿(Littleton)的洛克希德马丁航天公司(Lockheed Martin Space)的超净室。太阳能电池阵列完全展开后,在晴朗的天气条件下能提供大约 600~700 瓦的电力,大约相当于一台家用搅拌机消耗的功率。图片来源:Lockheed Martin

具体而言,洞察号的着陆过程分三步,分别是:

  • 进入——火箭控制探测器进入火星大气层,并调整朝向;
  • 降落伞减速——隔热层脱落,洞察号展开降落伞,并伸出三条腿作为着陆时的减震器;
  • 动力减速——探测器脱离后壳和降落伞,启动 12 台引擎向下喷气,探测器搭载的导航软件控制减速过程,直到着陆。

小型卫星首次探索深空

洞察号的着陆过程也是对小型卫星 CubeSat 的一次考验。这是一类由商业化生产的小型设备组装而成的卫星,它的组件是 10 厘米见方的扁平盒子形状,成本低廉,通常用作教学设备。

这次和洞察号一同发射的就有两个 CubeSat,叫做“火星立方体一号” MarCO(Mars Cube One),由加州理工学院的喷气推进实验室设计制造。MarCO 只有手提箱大小,一共使用了 6 个组件,整体尺寸为 36.6 x 24.3 x 4.6 厘米,重 13.6 千克,分别标记为 A 和 B,又叫瓦力和伊娃——这是皮克斯动画《机器人瓦力》(WALL·E)里面的两个主角。

工程师乔尔·斯泰恩克劳斯(Joel Steinkraus)正在用太阳光测试 MarCO 的太阳能电池阵列。| 图片来源:NASA/JPL-Caltech

蒋教授告诉科研圈:“CubeSat 虽然小,但是它的功能和大型的卫星差不多是一样的,只是望远镜的精度要小一些。它这次的任务并不是观测火星,而是作为通讯中介。它可以跟轨道上的卫星联络,然后卫星再和地球联络。

MarCO 在发射后不久就和洞察号分离,自行飞向火星,这是 CubeSat 第一次飞向深空。接下来,在洞察号的着陆过程中,MarCO 飞掠(flyby)着陆地点,将信号发送给火星勘测轨道卫星(Mars Reconnaissance Orbiter,MRO),MRO 再将信号转发给地球,整个过程只有 8 分钟的延迟。

蒋教授说:“洞察号的任务要两年时间,但是 CubeSat 的寿命不到两年。如果大气层比较厚的话,卫星容易和大气摩擦然后发生坠毁;不过火星的大气比较稀薄,它大概还能用几个月,我们每天都能计算它的方位。”

火星上的“听诊器”

当洞察号安全着陆、太阳能电池板正常展开后,它将运行上面的科学仪器,开展为期 709 个火星日的研究,相当于地球上的 728 天。

蒋教授介绍:“洞察号的主要任务是研究火星内部结构。它就像一个听诊器,实际上是一个地震仪。火星就像月球、地球一样,只要内部有板块结构,就经常有地震发生。比如火星表面某一处发生了地震,地震波传过来的时候,就会被洞察号的地震仪探测到;但是如果它有几个不同的结构,地震波就可能不止一个,而是有好几个,包括来自不同层面的反射的波,而且波在不同媒介中传播速度也不一样。通过探测波到达的时间和强度,就可以分析出火星内部的结构。

除此之外,洞察号的另一个任务就是看看火星有没有地下水。如果有地下水,这一定是个重要发现。如果宇航员到了火星,说不定可以挖井取水。”

洞察号工作过程示意图。上方为 RISE 的天线,左前方为地震仪 SEIS,右前方为热流探测器。| 图片来源:NASA

洞察号着陆之后,最先就位的将是 RISE,全称“旋转与内部结构探测实验”(Rotation and Interior Structure Experiment,RISE),在整个任务期间,它将持续监测火星的微小震动。接下来,洞察号将对自己周围环境进行观测,并选择合适地点安放用来探测地震波的 SEIS(Seismic Experiment for Interior Structure )和热流探测仪 HP3(Heat flow and Physical Properties Package)。SEIS 将监测火星上的地震波,而 HP3 计划向下挖掘 3~5 米,以排除地表温度波动的干扰,测量火星真正的“体温”。

本次任务的“幸运花生”。NASA 有在执行重要任务时吃花生的传统,它起源于 1964 年“徘徊者 7 号”(Ranger 7)任务期间。| 图片来源;NASA

科研圈对话蒋红涛

(蒋红涛,加州理工学院喷气推进实验室首席科学家)

科研圈:探测器陆过程会受到天气因素影响吗?科学家会如何应对可能的状况?

蒋红涛:极端气候如沙尘暴会导致着陆失败,不过在火星轨道上的观测卫星会随时监测预警。五个小时之前我们还是挺紧张的,因为成功几率不是百分之百。当然这次着陆还是很成功的。

每次送一个飞船到其他星球,都可能会出现各种各样的状况。刚才还有其他媒体问我, 万一有陨石砸下来怎么办,我说那肯定就完蛋了(笑)。我们选择的这个季节也是沙尘暴发生的可能性最小的季节。当然沙尘暴有大有小,如果是一般的沙尘暴,探测器能够克服,但是如果遇到了大的沙尘暴也会有危险。

科研圈:登陆火星的发射时间是怎样选择的?合适的时间窗口大约多久会出现一次?

蒋红涛:地球到火星的距离,有些学生会用直线距离判断,用光速乘以八分钟计算,这是不对的。我们需要计算探测器到达的时候火星会在哪里,这是我们当时的轨道设计图,在六个月的时间里,探测器飞行的距离远远大于地球和火星的直线距离,它围绕太阳转了半圈才到达火星。

火星和地球都在围绕太阳转动。探测器的轨道是弯的。图上这个 TCM 就是轨道调整操作(trajectory correction manure),可以看到一共有 6 次轨道调整,越接近火星你需要的调整就越多。过去的一两个星期非常忙,要保证探测器对准火星。

洞察号轨道设计图。内部蓝圈为地球轨道,外部红圈为火星轨道,中间黑色弧线为洞察号轨道。左下方为洞察号发射时地球和火星的位置,右上方为洞察号着陆时地球和火星的位置。图片来源:NASA / JPL-Caltech

合适的时间窗口嘛,地球每 365 天绕太阳一周,火星大约两年绕太阳一周。发射的时候火星要在地球边上不太远的地方,然后探测器逐渐追上去,这个时间窗口大概每两年会出现一次。到明年的这个时候就不一样了,地球和火星会出现在太阳的两侧,那时候去火星的话,轨道也要更长、更复杂。

科研圈:先前的火星沙尘暴对好奇号造成了很大的影响,我们该如何避免这样的情况再次发生?洞察号会如何应对可能的沙尘暴?

蒋红涛:火星通过近日点时易发生沙尘暴,但大面积的沙尘暴不会经常发生,大概几年会发生一次。上一次大型的沙尘暴发生在今年 6 月份,今年 11 月份再发生沙尘暴的可能性很小。根据我们的预测,大概今后一两年内不会有大的沙尘暴。

火星轨道上有两个卫星,也能随时关注,如果有大的沙尘暴,我们能提前发现。如果遇到了大的沙尘暴,洞察号可以把太阳栅板像雨伞一样收起来,进入待命(standby)状态,沙尘暴过去之后再打开。

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参考来源:

https://mars.nasa.gov/news/8389/nasa-insight-team-on-course-for-mars-touchdown/?site=insight

https://www.space.com/42515-nasa-mars-insight-ready-to-land.html

https://mars.nasa.gov/insight/timeline/prelaunch/landing-site-selection/

https://mars.nasa.gov/insight/timeline/landing/entry-descent-landing/

https://www.space.com/16927-mars-rover-landing-peanuts-tradition.html


来源:科研圈


 

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