火星探测器天问一号五个首次（第一个专门探测火星内部的探测器）

NASA工作人员介绍“洞察号” 成功登陆后传回的首张图像。 路透社

一.什么是“洞察号”？

根据新浪科技报道，“洞察”（Insight）是“INterior exploration using Seismic Investigations， Geodesy and Heat Transport”的缩写，意思是“借助地震，大地测量以及热流手段进行内部探测”。属于NASA “发现”（Discovery）项目。

“洞察号”飞船和着陆器基本基于成功的“凤凰号”任务开展，并加装了来自MRO和GRAIL的最先进电子设备。发射时整个Insight飞船质量694公斤，其中包括着陆器（358公斤），隔热罩（189公斤），巡航级（79公斤），以及推进剂和压缩气体共计67公斤；其中各类载荷总质量大约50公斤。在火星表面着陆之后，由于支撑脚着陆火星后会有一定程度压缩，高度在83-108厘米之间，太阳能帆板展开后翼展6米，平台宽度1.56米，机械臂长度2.4米。

今年5月5日，“洞察号”从加州范登堡空军基地发射升空，这也是首次从美国西海岸，而不是东海岸的卡纳维拉尔角发射行星际探测器。发射时还搭载了两颗立方体小卫星“MarCO”，分别命名为“瓦力”和“伊娃”。这两个小卫星非常小，每个均为36.6厘米，24.3厘米，11.8厘米，但却发挥了重大作用，在“洞察号”着陆时提供了实时的信号中继服务。第一幅传回的火星地表图像，就来自于这两颗小卫星的数据中继。事实上，这也是人类航天史上首次将立方体小卫星发射到火星，代表了未来的某种技术趋势。

二.这次任务有哪些特别之处？

简单明了的回答，至少可以列出以下这八项“第一”：

1）“洞察号”是第一个专用于研究火星深部地下的探测任务；

2）“洞察号”是第一个将地震仪直接放置在火星地表的探测器；

3）“洞察号”将第一次在另一颗行星上探测地震现象；

4）“洞察号”是第一个使用自钻式钻头，深入火星地下的探测器，钻进深度比以往任何探测器深15倍以上，最深达到5米；

5）“洞察号”是第一个从美西海岸发射升空的行星际探测器；

6）“洞察号”是第一个使用机械臂将设备直接布放到其他行星地表的探测器；

7）“洞察号”将首次在火星表面使用磁强计；

8）搭载发射的MarCO小卫星是首次在深空任务中使用的立方体卫星。

三.为什么要选择去火星？

同样简单明了的回答是：类地行星的内部结构存在高度相似性，可是火星仍有不同。由于地幔物质对流和板块运动，地球早期物质分异和演化的历史线索几乎已经完全灭失，而根据其地表或是纵深方向上物质成分的变化，火星或许仍然留存有这些信息；其次，针对火星陨石的同位素分析显示孤立的岩浆房在火星早期历史时期长期存在，这表明火星上的地幔物质对流并不充分，不足以导致其地幔均一化，火星地壳的很大一部分定年结果显示其形成于太阳系最初的5亿年内甚至更早，因此，对火星内部的调查将有望帮助了解行星早期物质分异阶段的情况。

简单说，至少有以下几点理由：首先有证据显示火星的壳/幔基本结构在形成后数亿年至今没有发生大的变化，去那里可以帮助我们回顾类地行星形成早期的历史；其次，相比其他类地行星，比如金星和水星，火星相对要更容易抵达。

四.“洞察号”是怎么着陆的？

这是整个任务极为关键的一环。今年5月5日升空，飞行将近半年时间，在太空中飞行4.85亿公里，终于在11月26日抵达火星，此时此刻，火星与地球之间相距大约1.46亿公里，大致与地球到太阳的距离相当，以光速传播的无线电信号单程需要走8分钟。这要分几个关键阶段，总耗时大约7分钟，这一阶段必须依靠探测器完全自主完成，因为信号单程都要8分钟，等到地面反应过来，该发生的灾难早就已经发生了。由于极具风险，因此这一过程常常被人称作“恐怖7分钟”。以下分介个阶段来做详细解答：

1）进入大气层之前

进入大气前7分钟，巡航级与飞船分离。分离后飞船的剩余部分叫做“进入器”，其包括隔热罩以及内部的着陆器。在与巡航级分离后，“洞察号”将开始开始通过设在其背罩上的一台全向天线发出一个仅有载波（不含数据）的信号。

大约在巡航级分离30秒后，“进入器”将开始调整方位，将隔热大底对准前方，准备大气进入，这一调整大约需要90秒。在进入大气之前，“洞察号” 背罩上的全向天线将开始以每秒8kb的速度，在特高频波段（UHF）传输数据。

2）冲入火星大气层

在完成转动动作，将隔热大底对准前方之后大约5分钟，“洞察号”将开始感受到火星大气摩擦。在冲入大气层之后，到降落伞打开之前大约3.5分钟，大气与隔热大底之间的剧烈摩擦将实现90%的减速。在进入大气层之后大约1.5分钟，隔热大底将面临最高温度考验，其外侧温度将达到1500摄氏度。大约17秒后，减速速率将达到最高，过载达到8个G左右。飞船被电离气体包裹，进入黑障，与地球的通讯将可能出现暂时性中断。

“洞察号”顶部的降落伞可能会由速度值或者减速速率触发，大约在进入大气层后3.5分钟左右开伞，此时距离地面大约12公里，速度约为每秒415米。开伞的一瞬间，降落伞承受的负载大约为12500磅（55600牛顿）。大约开伞后10秒钟，飞船着陆雷达将开始通电加温，辅助电池组将被激活，支持着陆器的主电池组，为接下来几分钟内耗电量较大的几项事件做好准备。

着陆器将在降落伞下下降大约3分钟。在最开始的25秒，“洞察号”将抛弃隔热大底并伸展开三条着陆支撑腿。开伞后大约75秒（距离着陆还有130秒），着陆器将开始使用雷达检测距离地面的高度。

当着陆器与背罩和降落伞分离时，下降速度已经减低到大约60米/秒，此时距离地面还有大约1200米，距离着陆还有45秒。按照设计，这次分离事件是由雷达检测飞船高度和速度来触发的。

当通讯联系从背罩上的“包裹式贴片天线”转向着陆器本身安装的螺旋状UHF发报机时，通讯出现暂时性中断。

3）减速降落

在着陆器分离半秒钟之后，着陆器上的12台降落引擎启动。搭载的用于下降末端的导航软件控制发动机喷口对准探测器运动方向，以补偿横向偏移量并进一步实现减速。如果探测器检测到其横向速度已经低于软件中的预设值，探测器将开始机动，以避免与仍在降落伞上下降的背罩发生碰撞。

这种机动将调整发动机喷口方向，以防止降落伞和背罩落下来之后距离着陆器太近。最后，探测器将旋转，调整到合适方位才缓缓降落到地面：它的太阳能电池板要在着陆器平台东西方向上展开，其机械臂的工作区域则应该朝南。

在距离地面大约50米时，“洞察号”将转入匀速下降阶段，速度大约每秒2.4米。大约不到半分钟后，探测器就将降落到地面上。

五.这项目花了多少钱？

这是一个美国主导的国际合作项目。美方投入资金8.138亿美元，包括1.634亿美元的火箭与发射服务开支，其余用于飞船研发以及一直到2020年预定任务结束期间的运行费用。同时，法国，德国以及其他一些欧洲国家也投入了大约1.8亿美元，主要用于开发SEIS，HP3的科学设备。另外，JPL和NASA还在两颗MarCO小卫星项目上投入了大约1850万美元。