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第8次火星打卡!——洞察号

图文:升级包

导语:11月27日“洞察号”顺利登陆火星,开启了第8次火星打卡!前几天,它在火星表面部署第一个科学仪器,它的项目主管汤姆∙霍夫曼表示:“‘洞察号’在火星上的勘测活动比我们期望的要顺利,‘地震仪’在火星表面安全着陆是一件很棒的圣诞礼物!”

2018年5月5日“洞察号”搭乘“宇宙神”V型火箭从加州范登堡空军基地发射升空,这是NASA第一次在这里发射深空探测器(之前都是在佛罗里达州卡纳维拉尔角发射)。

火星和地球都围绕太阳旋转,火星绕一圈的时间大约是两个地球年,它们之间的距离不断变化,最近时大约5500万公里,最远时则超过4亿公里。一般来说,火星和地球距离较近的年份是登陆火星和地面观测火星的绝佳时机。“洞察号”发射时,火星和地球的距离大约是5700万公里。5700万公里有多远?地球的赤道周长大约是4万公里,能绕地球1400多圈。如果是乘坐时速300公里的高铁,要不停地行驶大约21年,如果是时速800公里的空客,要持续飞行大约8年。

“洞察号”飞行4个月后用摄像头拍摄的火星(图片来源:NASA/JPL/Caltech)

如此遥远的距离,使得火星在地球上看起来就是一个点(上图中你能找到火星吗,还有2个月就要飞到了,这个点也还并不明显),想要击中火星实在是太难了。有人比喻说,探测器进入火星轨道的难度就仿佛从巴黎打一个高尔夫球,正好落到东京的某个球洞里。但这和打靶还不完全一样,因为目标是活动的,探测器在靠近火星的过程中要做多次轨道调整,越靠近的时候调整的次数越多。

“洞察号”发射和到达时地球与火星的位置变化以及轨道调整(TCM:Trajectory Correction Maneuver 轨道修正机动 图片来源:NASA/JPL/Caltech)

在“洞察号”之前,人类已经发射了40多个火星探测器,成功进入火星大气层的探测器只有14个,而真正成功着陆火星并开展工作的仅有7个,着陆的成功率只有50%!不过,这些成功案例也都是NASA的。

NASA成功着陆并开展工作的火星着陆器/巡视器家族(图片素材来源:NASA)

目前,探测器在火星软着陆的方式主要有三种。

一是气囊弹跳式。这种方式比较简单,采用降落伞+气囊弹跳方式,成本低,不过只能满足小重量探测器的软着陆,并且着陆精度不高。“火星探路者”和“火星漫游者”(“勇气号”和“机遇号”火星车)都是采用这种方式着陆的。

二是反推着陆腿式。这种方式复杂一些,采用降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿方式,成本高,可以满足较大重量探测器的软着陆要求,并且着陆精度较高。美国“海盗号”“凤凰号”都是采用这种方式着陆的。

三是空中起重机式。这种方式最为复杂,采用降落伞+缓冲发动机反推+空中起重机的方式,成本最高,技术最先进,但可以满足重量更大的探测器的软着陆要求,能精确着陆。美国的“火星科学实验室”(“好奇号”火星车)就是采用这种“黑科技”的方式着陆的,它可是有将近1吨的重量啊!

“洞察号”就不需要空中起重机啦,它只有不到400公斤的重量,是采用反推着陆腿式降落的。

近20年来,着陆技术已经相对发展地成熟多了,但依然有NASA的“火星极地着陆者号”“深空2号”,欧空局的“小猎犬2号”“斯基亚帕雷利号”遗憾失败,着陆期间有上千个预先设置好参数的复杂操作需完全由探测器自主完成,甚至还有几个阶段会信号中断,所以直到今天,着陆火星仍然可以说是生死难卜,不过好在,“洞察号”历尽艰险,闯过了这关!

首先,携带“洞察号”的进入舱和巡航器分离,相对火星表面以一定的角度开始着陆(这个角度是科学家精确计算并预先设定好的角度大了,进入舱会被火星大气层烧毁,角度小了,进入舱则会被反弹回太空中),时速达到20000公里。

接下来,进入舱以12g的加速度穿越火星大气层,艰难降至时速1600公里,隔热罩最高温达到1500℃。

在距离火星表面约16千米时,一顶超音速降落伞在飞船背部打开,15秒后,下部的隔热罩分离。

紧接着,打开着陆架,开启着陆雷达,持续测量洞察号与地面的距离。

距离火星表面约2千米高时,洞察号从后壳和降落伞中脱离,0.5秒后下降引擎点火,22秒后,洞察号探测器降至时速8公里。

最后,在接触火星地表的那一瞬间,引擎必须立马熄火,否则,着陆器将翻倒在地。

虽然“洞察号”此次着陆采用的是“老掉牙”的反推着陆腿式,长得也和“凤凰号”非常像,但还是有一些创新的,打卡的任务也是前所未有的!

其中有一项新技术,是陪伴“洞察号”一起飞向火星的两颗立方体星——“瓦力”和“伊娃”,想必大家对这两个昵称也很熟悉啦,它们是最先造访地球以外其他行星的两颗立方体星呢。“瓦力”和“伊娃”只有公文包那么大,没有喷气推进装置,是不带动力的,在快要进入火星大气的时候被抛出,它们的任务是在“洞察号”着陆期间承担“洞察号”和地球之间的通讯中继工作,第一时间向地球传回“洞察号”的着陆情况。

两颗立方体星担任中继通信任务(图片来源:NASA/JPL/Caltech)

我们都知道根据3个点可以确定一个位置,两颗立方体星不断和“洞察号”联络,并立马将信息传回地球,从而能够精确获得“洞察号”的位置,这相比之前通过“火星勘测轨道器”进行中继通信的形式,可以减少一个多小时,甚至几个小时的延迟,可是大大缓解了地球上科研人员和无数关注火星探索的朋友们那忐忑不安、焦急等待的心情啊!

“洞察号”顺利着陆工作人员喜悦庆祝(图片来源:NASA)

着陆后的“洞察号”当即用它的ICC相机拍摄了它火星打卡中第一张照片,首次出场的瓦力和伊娃则以近乎实时的速度(信号传播时间只延迟了8分钟左右)将这张照片传回了地球。于是,仅仅在“洞察号”着陆10分钟左右,地球上的我们就看到了这张令人激动不已的限量照片!

伊娃传回“洞察号”探测器在火星着陆后拍摄的首张照片(图片来源:NASA/JPL/Caltech)

因为“瓦利”和“伊娃”没有用于减速和调整轨道的燃料,所以完成任务之后的它们便会掠过火星、扬长而去,继续在太阳系中漂泊游历,而剩下的火星探索任务就要靠“洞察号”了!

着陆后,“洞察号”一直在做准备工作,检查各项设备,并给自己拍了很多照片,工作人员选取了其中11张拼合在一起,“洞察号”目前就是这个样子了。

(图片来源:NASA/JPL/Caltech)

“洞察号”的“前辈们”都是针对火星全球、地表、大气和磁场等开展探测的,数十年来,火星的内部结构依然是迷雾一般,科学家们想知道,火星乃至太阳系中其他岩石星球从核心到地壳是如何建构的,所以,此次“洞察号”将打卡火星内部,首次使用探测法了解火星的“心”。 

(图片来源:NASA/JPL/Caltech)

“洞察号”主要通过三个实验来打开火星的“心扉”。

第一个,就是要用星震仪收听“火星地震”。这些振动将揭示火星岩石层的位置以及组成。前几天,“洞察号”完成了星震仪的部署,也就是前面我们提到的“圣诞礼包”。“洞察号”用机械臂“掏出”星震仪,并将它平稳地放在了火星地表,不过这一熟练动作,它早已在“出生地”进行过很多次练习,而加州也正是一个小地震频发的地区,科学家们对“洞察号”利用星震仪探测地震做了很多很多次测试和调整。

加州理工学院喷气推进实验室练习部署“洞察号”仪器(图片来源:NASA/JPL/Caltech)

有人比喻说,星震仪的部署就仿佛将一个听诊器,紧贴到火星地表,帮助我们倾听火星的心跳,来进一步了解火星的内部结构。

“洞察号”部署星震仪(图片来源:NASA/JPL/Caltech)

第二个,是用热流探测仪向地下挖掘5米,来获取火星的温度,这将让我们了解火星的活跃程度。这项操作相当直接,好比把一只“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!

你可能会疑问火星地表会不会很硬,钻不了孔?哇!那你可跟科学家想到一起去啦!“洞察号”选择着陆在埃律西昂平原足足考察和探讨了四年之久,包括考虑太阳能的供给,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,着陆区地理位置要尽量低,地形要平坦、石头不能太多、风化层较松软(这一条就是为热流探测器钻5米深的孔考虑的),等等。探测火星那可真是一项庞大又繁杂,周密的还要更周密的巨型工程啊!

第三个实验,则是通过旋转方位及内部结构测定天线,利用无线电传输来精确地确定火星在其轴上的摆动情况。至此,可能火星探测的最后一块空白,也将被“洞察号”逐渐填上。

科学家非常清楚地球内部是如何构建的,并且他们有一些很好的模型来描述太阳系在45亿年前诞生时的原始结构。但地球只是一个数据点,火星探索的数据将为研究人员提供一个不同的视角,让我们了解岩石行星如何通过时间组装和演化的。所以,人类对火星的探测早已不仅仅局限于寻找水、地外生命和移民火星,更多地则是追寻宇宙的起源和演化以及人类、地球,乃至宇宙的最终命运。

 

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