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超詳細(xì)解讀:洞察號探測器成功降落火星傳回首張圖像

2018/11/27 6:26:51 來源:新浪科技 作者:晨風(fēng) 責(zé)編:孤城

北京時間11月27日凌晨消息,北京時間03:53:20,世界第八個火星著陸器“洞察號”安然度過降落過程中的“恐怖7分鐘”,并成功降落到火星表面。

▲降落到火星地表的“洞察號”火星探測器示意圖

▲迄今人類發(fā)射的全部火星探測器

探測器以極快的速度傳回了第一張拍攝的圖像,展示的是遠(yuǎn)處的火星地平線,拍攝時半透明的防塵蓋尚未去除,因此可以看到沾滿塵埃的鏡頭畫面。

著陸時,著陸區(qū)火星Elysium平原的地方時大約是下午兩點,與此同時在任務(wù)控制中心,地球上美國的加利福尼亞州則是26號的大中午,而在小編所在的中國北京(上海),則是27號凌晨將近4點。美國宇航局對于火星著陸區(qū)的天氣預(yù)報是:當(dāng)天最高溫大約零下8度,最低溫大約零下96度;地球上,加州此時25度;北京6度,上海13度。此時在著陸區(qū)的火星北半球,正值深秋初冬,和我們地球上北半球的情況差不多。

NASA在火星擁有良好記錄:1965年以來發(fā)射了很多飛掠,軌道器和著陸器還有漫游車;這并非易事,即便是NASA,火星任務(wù)成功率整體也未超過40%;火星稀薄的大氣層讓著陸變得十分困難,地表巨大的溫差也對設(shè)備提出巨大挑戰(zhàn)。

此次登陸的“洞察號”是人類歷史上首個專門開展火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究的探測器,當(dāng)著陸成功的消息傳來,位于加州帕薩迪納的美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)控制室內(nèi)爆發(fā)出熱烈的掌聲和歡呼聲。

“洞察號”降落的位置位于火星北半球靠近赤道的一塊廣袤,平坦的平原,這里非常適合探測器著陸,甚至被NASA戲稱為“火星上最大的停車場”。

在降落成功之后,探測器以極快的速度傳回了第一張拍攝的圖像,展示的是遠(yuǎn)處的火星地平線,拍攝時半透明的防塵蓋尚未去除,因此可以看到沾滿塵埃的鏡頭畫面。未來幾天,質(zhì)量更好的圖像將陸續(xù)回傳。

一.“洞察號”是什么?

“洞察”(Insight)是“INterior exploration using Seismic Investigations,Geodesy and Heat Transport”的縮寫,意思是“借助地震,大地測量以及熱流手段進(jìn)行內(nèi)部探測”。屬于NASA“發(fā)現(xiàn)”(Discovery)項目。

“洞察號”飛船和著陸器基本基于成功的“鳳凰號”任務(wù)開展,并加裝了來自MRO和GRAIL的最先進(jìn)電子設(shè)備。發(fā)射時整個Insight飛船質(zhì)量694公斤,其中包括著陸器(358公斤),隔熱罩(189公斤),巡航級(79公斤),以及推進(jìn)劑和壓縮氣體共計67公斤;其中各類載荷總質(zhì)量大約50公斤。在火星表面著陸之后,由于支撐腳著陸火星后會有一定程度壓縮,高度在83~108厘米之間,太陽能帆板展開后翼展6米,平臺寬度1.56米,機(jī)械臂長度2.4米。

2018年5月5日,“洞察號”從加州范登堡空軍基地發(fā)射升空,這也是第一次從美國西海岸,而不是東海岸的卡納維拉爾角發(fā)射行星際探測器。發(fā)射時還搭載了兩顆立方體小衛(wèi)星“MarCO”,分別命名為“瓦力”和“伊娃”。這兩個小衛(wèi)星非常小,每個均為36.6厘米,24.3厘米,11.8厘米,但卻發(fā)揮了重大作用,在“洞察號”著陸時提供了實時的信號中繼服務(wù)。第一幅傳回的火星地表圖像,就來自于這兩顆小衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼。事實上,這也是人類航天史上首次將立方體小衛(wèi)星發(fā)射到火星,代表了未來的某種技術(shù)趨勢。

二.“洞察號”和那兩個小衛(wèi)星用什么供電?

很多人忽略了。兩顆小衛(wèi)星,“伊娃”和“瓦力”表現(xiàn)出色,這是人類第一次將這種微型小衛(wèi)星發(fā)射到火星。它們很小,但卻有大用處,正是它們提供了洞察號降落時的信號中轉(zhuǎn)服務(wù)

“洞察號”和MarCO小衛(wèi)星均使用太陽能帆板和鋰離子電池。在洞察號上,兩塊太陽能電池板在地球上的一個晴天可以產(chǎn)生大約1800瓦的電力。這一數(shù)值在同樣晴朗的天氣條件下,在火星上的發(fā)電量大約是600~700瓦,差不多是家用攪拌機(jī)的功率。而如果在沙塵天氣下,發(fā)電量仍可以保持在200~300瓦特,即便電池板被塵土部分覆蓋也無妨。

三.“洞察號”去火星帶了什么科學(xué)設(shè)備?

這是個大問題,值得詳細(xì)回答。

“洞察號”搭載的載荷總質(zhì)量50公斤,包括科學(xué)設(shè)備和支持系統(tǒng),如“輔助載荷傳感器套件”,相機(jī),設(shè)備布放系統(tǒng),以及一臺激光后向反射器。

其中科學(xué)載荷主要包括兩臺主要設(shè)備分別是SEIS和HP3,當(dāng)然還有其他一些較小,但同樣重要的科學(xué)設(shè)備,以下為你做一一介紹。

SEIS:全稱“內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實驗”(The Seismic Experiment for Interior Structure),它將精確測量地震波以及其他內(nèi)部活動信號,以了解火星的歷史和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它也將監(jiān)測火星地殼和地幔如何對隕星撞擊事件作出反應(yīng),而這將幫助探查其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

SEIS由法國空間局(CNES)提供,其余參與研制方還包括:法國巴黎地球物理研究所(IPGP),瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)(ETH),德國馬克斯普朗克太陽系研究所(MPS),英國帝國理工學(xué)院,法國國立高等航空航天學(xué)院(ISAE)以及美國噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)。

這臺地震儀還將可以檢測其他信號,包括大氣波以及火衛(wèi)一產(chǎn)生的重力信號(引潮力),最高檢測頻率可以到50Hz?!岸床焯枴痹?016年升空,但在發(fā)射前SEIS的真空罐被發(fā)現(xiàn)存在泄漏,直接導(dǎo)致發(fā)射推遲兩年;

SEIS設(shè)備還附帶有一套氣象學(xué)支持設(shè)備,用于監(jiān)測大氣擾動,以便進(jìn)行抵扣,從而確保地震儀測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。這其中包括由加州大學(xué)洛杉磯分校研制的一套矢量磁強(qiáng)計,它將測量火星磁場擾動,比如由于火星電離層引起的磁場擾動;另外還有一臺溫度計,風(fēng)速儀以及風(fēng)向感受器,它們由西班牙和芬蘭聯(lián)合研制,基于此前安裝在好奇號上的“火星車環(huán)境監(jiān)測站”(REMS)研制;除此之外,還有一臺JPL提供的氣壓計;

HP3:全稱“熱流與物理性質(zhì)包”(The Heat Flow and Physical Properties Package),由德國空間局(DLR)提供,其為一種自動鉆入式熱流計,被稱作是“自攻螺絲”,并獲得“鼴鼠”的綽號。

其設(shè)計可以鉆入地下5米深處,后部連接安裝有熱感受器的導(dǎo)線,用于測量火星地?zé)崃髦?,從而獲取與火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與演化有關(guān)的信息。這些安裝在導(dǎo)線上的高靈敏度熱感受器每隔10厘米安裝一臺,從而測量地表下垂直溫度剖面。值得一提的是,這臺“鼴鼠”的鉆頭是由波蘭公司Astronika提供的,這也是波蘭首次參與行星際探測項目。

RISE:全稱“自轉(zhuǎn)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)實驗”(The Rotation and Interior Structure Experiment),由JPL領(lǐng)導(dǎo),這是一項無線電科學(xué)實驗項目,使用著陸器的X波段無線電通訊,提供火星自轉(zhuǎn)的精準(zhǔn)測量,從而幫助了解火星內(nèi)部。X波段的無線電測量精度可以達(dá)到2厘米以下,是依據(jù)此間“海盜號”以及“火星探路者”項目的數(shù)據(jù)構(gòu)建的。

對火星內(nèi)核大小的最早約束來自海盜號以及火星探路者計劃期間的無線電多普勒信號測量;Viking(1977)以及Pathfinder(1997)的測量確定了相隔20年,火星自轉(zhuǎn)軸的變化;自轉(zhuǎn)軸指向的這一變化值可以得到進(jìn)動率,進(jìn)而推算火星的轉(zhuǎn)動慣量,這些參數(shù)對于測算火星地幔平均密度,地核半徑和密度十分關(guān)鍵;而InSight將提供再過20年之后的火星自轉(zhuǎn)軸指向最新數(shù)據(jù)。

TWINS:全稱“洞察號溫度與風(fēng)速測量設(shè)備”(Temperature and Winds for InSight),由西班牙天體生物學(xué)中心提供,它將監(jiān)測著陸區(qū)氣象情況;

LaRRI:全稱“洞察號激光后向反射器”(Laser RetroReflector for InSight),這是一個由意大利空間局提供的角錐反射器,安裝在“洞察號”的頂部平臺上。它將讓軌道器可以進(jìn)行被動式激光測距,即便在著陸器已經(jīng)退役情況下也是如此,并將成為擬議中的火星地球物理網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點。此前這一裝置已經(jīng)在“斯恰帕拉利”著陸器(Schiaparelli)上應(yīng)用,當(dāng)時名為“INRRI”,即“著陸漫游車激光后向反射調(diào)查裝置”。這是一個直徑54mm,重25克的鋁制半球體,表面設(shè)有8個熔融氧化硅反射器。

除了以上各部分,另外還有:

IDA:(設(shè)備布放機(jī)械臂,Instrument Deployment Arm),長2.4米,用于將SEIS以及HP3設(shè)備布放到火星表面;

IDC:(設(shè)備布放相機(jī),The Instrument Deployment Camera),這是一臺彩色相機(jī),基于MER火星車以及好奇號導(dǎo)航相機(jī)設(shè)計。其安裝在IDA上,可以拍攝位于著陸器平臺上的設(shè)備,并提供著陸器周圍環(huán)境的立體圖像。

其擁有45度視野,使用1024×1024像素CCD相機(jī)。最開始IDC相機(jī)的設(shè)計是黑白的,這樣可以達(dá)到最高的分辨率,基本是按照避障相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)研制的但由于研制時間和預(yù)算都在計劃內(nèi),因此這臺相機(jī)后來被換成了彩色的。

ICC:(設(shè)備背景相機(jī),The Instrument Context Camera),是一臺基于MER/MSL避障相機(jī)設(shè)計的彩色相機(jī),安裝于著陸器平臺之下,擁有120度立體廣角視野,用于提供設(shè)備布放區(qū)域的輔助視野。它與IDC一樣,使用1024×1024像素CCD相機(jī)?!岸床焯枴敝懼髠骰氐牡谝环掌褪怯蒊CC相機(jī)拍攝的。

四.這次任務(wù)有哪些特別之處?

迄今人類發(fā)射的全部火星探測器

迄今取得成功的人類火星探測器,對比上圖,你會發(fā)現(xiàn)成功率不到50%

簡單明了的回答你,我們至少可以列出以下這八項“第一”:

1)“洞察號”是第一個專用于研究火星深部地下的探測任務(wù);

2)“洞察號”是第一個將地震儀直接放置在火星地表的探測器;

3)“洞察號”將第一次在另一顆行星上探測地震現(xiàn)象;

4)“洞察號”是第一個使用自鉆式鉆頭,深入火星地下的探測器,鉆進(jìn)深度比以往任何探測器深15倍以上,最深達(dá)到5米;

5)“洞察號”是第一個從美國西海岸發(fā)射升空的行星際探測器(發(fā)射時美國西海岸正值黎明破曉時分);

6)“洞察號”是第一個使用機(jī)械臂將設(shè)備直接布放到其他行星地表的探測器;

7)“洞察號”將首次在火星表面使用磁強(qiáng)計;

8)搭載發(fā)射的MarCO小衛(wèi)星是首次在深空任務(wù)中使用的立方體衛(wèi)星;

五.為什么“洞察號”要選擇去火星?

迄今全部8個成功的火星著陸器(漫游車)的位置,亮黃色為“洞察號”(Insight)

同樣簡單明了的回答:類地行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在高度相似性,可是火星仍有不同。由于地幔物質(zhì)對流和板塊運(yùn)動,地球早期物質(zhì)分異和演化的歷史線索幾乎已經(jīng)完全滅失,而根據(jù)其地表或是縱深方向上物質(zhì)成分的變化,火星或許仍然留存有這些信息;其次,針對火星隕石的同位素分析顯示孤立的巖漿房在火星早期歷史時期長期存在,這表明火星上的地幔物質(zhì)對流并不充分,不足以導(dǎo)致其地幔均一化,火星地殼的很大一部分定年結(jié)果顯示其形成于太陽系最初的5億年內(nèi)甚至更早,因此,對火星內(nèi)部的調(diào)查將有望幫助了解行星早期物質(zhì)分異階段的情況;

簡單說,至少有以下幾點理由:

有證據(jù)顯示火星的殼/?;窘Y(jié)構(gòu)在形成后數(shù)億年至今沒有發(fā)生大的變化,去那里可以幫助我們回顧類地行星形成早期的歷史;

相比其他類地行星,比如金星和水星,火星相對要更容易抵達(dá);

我們關(guān)于火星的地質(zhì),化學(xué),氣候歷史等方面的知識儲備將極大有助于我們將這些與內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成方面的考察結(jié)果結(jié)合起來,并加深我們隊太陽系的認(rèn)識;

六.怎么著陸的?

“洞察號”的推特賬號發(fā)文說:我正在高速穿越火星大氣層!此時它正承受8個G的過載,超過1500攝氏度的高溫

這才是今晚的重頭戲,也是整個任務(wù)極為關(guān)鍵的一環(huán)。2018年5月5日升空,飛行將近半年時間,在太空中飛行4.85億公里,終于在今天抵達(dá)火星,此時此刻,火星與地球之間相距大約1.46億公里,大致與地球到太陽的距離相當(dāng),以光速傳播的無線電信號單程需要走8分鐘。這要分幾個關(guān)鍵階段,總耗時大約7分鐘,這一階段必須依靠探測器完全自主完成,因為信號單程都要8分鐘,等到地面反應(yīng)過來,該發(fā)生的災(zāi)難早就已經(jīng)發(fā)生了。由于極具風(fēng)險,因此這一過程常常被人稱作“恐怖7分鐘”。以下,我們分介個階段來做詳細(xì)解答:

1)進(jìn)入大氣層之前

進(jìn)入大氣前7分鐘,巡航級與飛船分離。分離后飛船的剩余部分叫做“進(jìn)入器”,其包括隔熱罩以及內(nèi)部的著陸器。在與巡航級分離后,“洞察號”將開始開始通過設(shè)在其背罩上的一臺全向天線發(fā)出一個僅有載波(不含數(shù)據(jù))的信號。

大約在巡航級分離30秒后,“進(jìn)入器”將開始調(diào)整方位,將隔熱大底對準(zhǔn)前方,準(zhǔn)備大氣進(jìn)入,這一調(diào)整大約需要90秒。在進(jìn)入大氣之前,“洞察號”背罩上的全向天線將開始以每秒8kb的速度,在特高頻波段(UHF)傳輸數(shù)據(jù)。

2)沖入火星大氣層

在完成轉(zhuǎn)動動作,將隔熱大底對準(zhǔn)前方之后大約5分鐘,“洞察號”將開始感受到火星大氣摩擦。在沖入大氣層之后,到降落傘打開之前大約3.5分鐘,大氣與隔熱大底之間的劇烈摩擦將實現(xiàn)90%的減速。在進(jìn)入大氣層之后大約1.5分鐘,隔熱大底將面臨最高溫度考驗,其外側(cè)溫度將達(dá)到1500攝氏度。大約17秒后,減速速率將達(dá)到最高,過載達(dá)到8個G左右。飛船被電離氣體包裹,進(jìn)入黑障,與地球的通訊將可能出現(xiàn)暫時性中斷。

“洞察號”頂部的降落傘可能會由速度值或者減速速率觸發(fā),大約在進(jìn)入大氣層后3.5分鐘左右開傘,此時距離地面大約12公里,速度約為每秒415米。開傘的一瞬間,降落傘承受的負(fù)載大約為12500磅(55600牛頓)。大約開傘后10秒鐘,飛船著陸雷達(dá)將開始通電加溫,輔助電池組將被激活,支持著陸器的主電池組,為接下來幾分鐘內(nèi)耗電量較大的幾項事件做好準(zhǔn)備。

著陸器將在降落傘下下降大約3分鐘。在最開始的25秒,“洞察號”將拋棄隔熱大底并伸展開三條著陸支撐腿。開傘后大約75秒(距離著陸還有130秒),著陸器將開始使用雷達(dá)檢測距離地面的高度。

當(dāng)著陸器與背罩和降落傘分離時,下降速度已經(jīng)減低到大約60米/秒,此時距離地面還有大約1200米,距離著陸還有45秒。按照設(shè)計,這次分離事件是由雷達(dá)檢測飛船高度和速度來觸發(fā)的。

當(dāng)通訊聯(lián)系從背罩上的“包裹式貼片天線”轉(zhuǎn)向著陸器本身安裝的螺旋狀UHF發(fā)報機(jī)時,通訊出現(xiàn)暫時性中斷。

3)減速降落

在著陸器分離半秒鐘之后,著陸器上的12臺降落引擎啟動。搭載的用于下降末端的導(dǎo)航軟件控制發(fā)動機(jī)噴口對準(zhǔn)探測器運(yùn)動方向,以補(bǔ)償橫向偏移量并進(jìn)一步實現(xiàn)減速。如果探測器檢測到其橫向速度已經(jīng)低于軟件中的預(yù)設(shè)值,探測器將開始機(jī)動,以避免與仍在降落傘上下降的背罩發(fā)生碰撞。

這種機(jī)動將調(diào)整發(fā)動機(jī)噴口方向,以防止降落傘和背罩落下來之后距離著陸器太近。最后,探測器將旋轉(zhuǎn),調(diào)整到合適方位才緩緩降落到地面:它的太陽能電池板要在著陸器平臺東西方向上展開,其機(jī)械臂的工作區(qū)域則應(yīng)該朝南。

在距離地面大約50米時,“洞察號”將轉(zhuǎn)入勻速下降階段,速度大約每秒2.4米。大約不到半分鐘后,探測器就將降落到地面上。

七.“洞察號”和“鳳凰號”有什么不一樣?

的確,“洞察號”基本是基于2008年取得成功的“鳳凰號”著陸器的技術(shù)設(shè)計研制的。這當(dāng)然有使用成熟技術(shù),從而降低開支的考慮,并且“鳳凰號”的設(shè)計確實相當(dāng)理想。以它的火星著陸方案為例,2008年取得成功的“鳳凰號”著陸系統(tǒng)重量上要比火星車著陸采用的氣囊彈跳或者“天空起重機(jī)”系統(tǒng)更輕。這種“輕裝上陣”幫助“洞察號”和它的前輩“鳳凰號”一樣,擁有相比火星車更高的科學(xué)載荷/發(fā)射質(zhì)量比,也就是說,能夠?qū)⒏嗟馁|(zhì)量用來搭載科學(xué)設(shè)備,而不是著陸系統(tǒng)。

但相比“鳳凰號”,“洞察號”的著陸系統(tǒng)有四大明顯的差異:

1)“洞察號”進(jìn)入火星大氣層的速度更高,達(dá)到5.9公里每秒,相比之下,鳳凰號則是5.6公里每秒;

2)“洞察號”進(jìn)入器質(zhì)量要比鳳凰號更大,大約是608公斤,而鳳凰號大約573公斤;

3)“洞察號”的著陸點海拔要比鳳凰號高1500米左右,因此其可以用于減速的大氣層厚度更??;

4)相比“鳳凰號”的著陸時間,“洞察號”著陸時的季節(jié)(北半球初冬),按照過去幾年的經(jīng)驗,是容易發(fā)生全球規(guī)模沙塵暴的時間段,風(fēng)險更高;另外,相比鳳凰號使用的EDL系統(tǒng),“洞察號”有部分改動,包括:“洞察號”使用了更厚的隔熱罩,以應(yīng)對可能的沙塵暴沖擊;“洞察號”的降落傘將在更高速度條件下打開,因此其降落傘傘繩也將使用更結(jié)實的材料制作,等等;

八.最后一個問題,這項目花了多少錢?

好問題!這是一個美國主導(dǎo)的國際合作項目。美國方面投入資金8.138億美元,包括1.634億美元的火箭與發(fā)射服務(wù)開支,其余用于飛船研發(fā)以及一直到2020年預(yù)定任務(wù)結(jié)束期間的運(yùn)行費用。除此之外,法國,德國以及其他一些歐洲國家也投入了大約1.8億美元,主要用于開發(fā)SEIS,HP3的科學(xué)設(shè)備。另外,JPL和NASA還在兩顆MarCO小衛(wèi)星項目上投入了大約1850萬美元。

好了,無論如何,此時此刻,人類第八個火星著陸器已經(jīng)安然矗立在火星表面,預(yù)計它將在火星表面工作一個火星年,也就是大約兩個地球年,一直工作到2020年的11月份。一起期待未來全新的科學(xué)之旅吧?。ǔ匡L(fēng))

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