洞察号，且听风吟 | 火星探测简史

InSight（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，意为利用地震勘测、地质测量与热传导的火星内部探测，中文一般按英文缩写译为洞察号）是美国宇航局发现计划的一部分，也是火星探测计划的组成部分。

洞察号的任务

洞察号的任务是向火星表面发射一颗火星地质物理研究的着陆器，利用地震仪等设备对火星内部进行立体化探测研究，主要目标是研究火星内部地质结构，通过对火星核、地幔、地壳的大小、厚度、密度等进行探测，找出与地球地质状况的异同，由此探究太阳系类地行星的形成和演化。

尽管洞察号的研究是通过火星开展的，但对于太阳系类地行星40亿年的形成和演化研究也具有重要意义。

洞察号着陆器

美国20世纪70年代发射的海盗号探测器装有地震仪。海盗2号探测到着陆器所在地火星地壳厚度为14-18千米。海盗2号地震仪探测到了来自火星风的振动，补充了气象学的结果。

阿波罗计划登月时也携带了月震仪，为月球地震学提供了许多资料，包括发现了月震。阿波罗月震台网一直运行到1977年，至少探测到28次里氏5.5级的月震。

洞察号的一个任务便是比较地球、月球和火星的“地震”数据以了解更多信息，寻找一个最为基本的科学问题的答案：固体行星是如何形成的？

洞察号采用的技术与以前的探测器相似，但更加精准可靠。

这些仪器将测量火星表面以下的结构、物理和化学特性，探测固体行星形成过程的“指纹”，以及测量行星的“生命体征”，包括“脉搏”（地震学）、“温度”（热流探测器）和“反射”（精确跟踪）。

洞察号着陆器防热外壳组装

洞察号携带的仪器

洞察号探测器采用了凤凰号着陆器的设计方案，可以节约时间和成本。

探测器总重量694千克，含巡航级、防热外壳、着陆器、推进剂等。

一般将着陆器直接称为洞察号，重量为358千克，尺寸为6.0×1.56×1.0米，配备两个可折叠的太阳能板，展开后宽度约6米。星上设备等由太阳能电池和锂电池提供，功率600瓦。

洞察号着陆器

洞察号可谓是一个多国合作的项目，安装的仪器分别来自于美国和欧空局，主要有：

内部结构地震实验仪（SEIS），由法国航天局（CNES）提供，法国、瑞士、德国、英国等共同参与制造；热流和物理特性包（HP3），包括加州大学洛杉矶分校提供的矢量磁力计，德国航空航天中心提供的辐射计和热流探头；旋转和内部结构实验（RISE），由喷气推进实验室提供；温度和风监测仪（TWINS），由西班牙天体生物学中心制造；激光逆向回流器（LaRRI），由意大利航天局提供；仪器机械臂（IDA）；仪器部署相机（IDC）；仪器上下方相机（ICC）等。

旋转和内部结构实验RISE

可防风的地震测量仪灵敏度极高，足以“感知”尺度为氢原子半径的地面运动，记录火星震或陨石冲击所引发的震波；温度测量装置可通过锤击到达火星地下3米或更深处，测量火星内核释放的热量；而旋转和内部结构实验仪可以通过火星与地球间的无线电传输，来评估火星绕轴旋转产生的扰动，用以提供火星内核大小的线索。

内部结构地震实验仪剖面图

另外，洞察号还配备了 两颗13.5千克的双胞胎迷你卫星，它们也是首批进入行星际空间的立方体卫星，在洞察号着陆时，把远距离遥测结果直接发回地球，提供中继服务。

洞察号的伴随立方星

洞察号装备的两台相机则进行天气方面的测量工作。

洞察号着陆火星

2018年5月5日，洞察号在范登堡基地由宇宙神V型火箭发射。

洞察号发射

为了确保洞察号成功进入、下降和着陆火星，工程师们在接近段开始紧张的准备工作。时间大约在洞察号进入火星大气层前60天开始，一直持续到其进入火星大气层。

主要操作包括最后的轨道修正，对洞察号进入火星的轨道进行最后调整，必要时更新通信和电源的控制软件；频繁的遥测工作，监视洞察号位置，确保准确启动制动系统。然后启动进入、下降和着陆软件，更新参数。

2018年11月26日上午12时，洞察号登陆火星。

着陆前，洞察号着陆器需要穿过火星稀薄的大气层，首先是防热外壳减速阶段，在下降过程中，防热罩被加热到1500°C。

距离火星表面11.1千米时（此时速度约385米/秒）展开降落伞。几秒钟后，防热外壳从着陆器上脱落，洞察者支脚伸展，并启动着陆雷达。

当下降速度降到约60米/秒、高度下降到1100米时，抛掉后保护壳，同时启动反推固体火箭。

最终，洞察号以大约每秒2.2米的速度降落， 准确降落地为一个叫极乐世界（Elysium Planitia）的地方，着陆点为火星北纬4.5°，东经135.6°。

洞察号着陆位置（偏右）

记录到火星风

洞察号着陆器降落火星后， 温度和风监测仪气象套件 （TWINS）和磁强计开始投入使用。部署和调试其他地质科学仪器大约需要延迟3个月。

温度和风监测仪TWINS

由于接近赤道，洞察号太阳电池板全部展开后，产生的电能高达4.6千瓦时/火星日，创造了火星着陆器的新纪录。 这个电能足以支持各仪器开展正常探测工作。

12月7日，洞察号用内部结构地震实验仪记录到火星风的声音，虽然声音相当低，却是人类首次记录到火星风的声音。

洞察号着陆后发回的第一张照片

2018年12月19日，内部结构地震实验仪由机械臂部署在火星表面，在2019年2月4日调试后，开始全面投入使用。

2019年2月12日又部署了热流和物理特性包。2月28日，热流与物理特性包开始挖掘火星表面。

热流和物理特性包

热流和物理特性实验任务失败

探测器配备的挖掘器名为鼹鼠，计划在此后2个月间挖掘最深5米的深度。但到3月7日，鼹鼠只向前伸了约35厘米，即离开其结构的四分之三。

按计划，必须达到地面以下至少3米才能开展有用的研究，地面技术人员试图找出其工作不良的原因并研究解决方案。

这期间，洞察号探测到了第一个火星震，在2019年9月又发现了不明原因的磁脉冲和磁振荡信号。

鼹鼠挖掘器

2019年10月，喷气推进实验室的研究人员得出结论，鼹鼠挖掘器不能向纵深掘进，可能是由于火星土壤无法为挖掘器四个支脚提供足够的摩擦力，导致鼹鼠反向转动形成宽坑而不是挖得更深。

他们尝试了钉扎的方法，即将铲子压在鼹鼠掘进孔壁的一侧以增加摩擦，但这个方案的效果也不是很好。

经过各种努力，2020年6月，鼹鼠挖掘器终于钻进了地下，但很快又反弹回来。

在近两年的时间里尝试了许多不同的方法 ，以使鼹鼠钻地更深， 但最终尝试没有成功。

2021年1月9日进行了最后一次挖掘尝试，估计最后只掘入地下约43厘米，远远达不到可以开展研究的深度。

鼹鼠的最后努力

2021年1月14日，由于着陆点的土壤性质与仪器设计不能很好配合，热流和物理特性实验任务宣告结束。

正常的表层下热流实验示意图

洞察号对一年工作的总结

2020年2月24日，洞察号对一年的工作进行了总结，研究发现火星存在活跃的地震、旋风式尘暴和磁脉冲。

宇航局根据洞察号获得的新数据，发现着陆点的火星磁场比先前想象的强10倍左右，而且具有较大的波动性。

内部结构地震实验仪、旋转和内部结构实验、温度和风监测仪仍继续运行。

按宇航局最新的计划，洞察号在火星表面任务将延长两年，直到2022年12月底。

本文未注明来源的图片主要引自美国国家宇航局网站

作者简介：李成智，北京航空航天大学人文社会科学高等研究院教授、博士生导师。

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