火星探測器艦隊

蔡立英/編譯

火星探測器艦隊

蔡立英/編譯

美國宇航局的“洞察”號火星登陸器的太陽能電池陣列在丹佛的洛克希德·馬丁潔凈室展出（見左圖）。火星探測任務的降落傘測試（見右圖）在加州莫非特基地的美國宇航局艾姆斯研究中心完成

●5枚探測器將在2016年飛向火星這顆紅色星球。然而，美國宇航局（NASA）在確定沒有足夠時間修復和全面測試探測器上的地震儀的真空密封后，宣布取消原定于2016年3月的“洞察”號（InSight）發射。火星探測任務的下一個有利的發射窗口期將在2018年。

當“海盜1號”和“海盜2號”登陸器（twin Viking landers）于1976年登陸火星時，每個登陸器都攜帶了一個地震儀，但是，傳感器在行星振動方面幾乎沒有測量到數據。其中一個地震儀沒能張開，另一個地震儀（像它的同伴一樣爬上登陸器的甲板）捕捉到的大部分都是風。

40年后，美國宇航局的“洞察”號（InSight）火星登陸探測器準備對火星進行第二次地震研究。當本期IEEE Spectrum出版時，“洞察”號研究團隊仍在努力修復探測器的地震儀部件出現的問題，其目標是維持原定于2016年3月在加州范登堡空軍基地發射的時間表。如果一切按計劃進行，“洞察”號將于2016年9月抵達火星表面，將在那里使用地震儀測量火星緩慢變冷和收縮時產生的震動、流星體相撞產生的振動以及其他來源的運動。研究者希望利用聲波建立火星內部的圖像，就像用聲波圖產生的信號對人體進行成像一樣。

為了節省努力和成本，“洞察”號借鑒了美國宇航局的太陽能驅動的“鳳凰”號登陸器（Phoenix lander）的很多設計，“鳳凰”號于2008年抵達火星。美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL，位于加州帕薩迪納）的行星地質學家、“洞察”號項目首席研究員布魯斯·班納特（Bruce Banerdt）說道，正在由美國承包商洛克希德·馬丁公司制造的“洞察”號，具有很強的國際色彩，法國、德國等國家投入約一億美元用于科學實驗。美國在2010年出資4.25億美元，包括了探測器及其在火星表面運行兩年的成本（發射費用另計）。

法國航天局（CNES）主導了“洞察”號地震儀的研制，若干其他國家的研究機構也做出了貢獻。領導“洞察”號有效載荷研制工作的巴黎地球物理研究所的菲利普·洛尼奧內（Philippe Lognonné）說道，“洞察”號地震儀的靈敏度是“海盜”號登陸器攜帶的地震裝置的1 000倍，在某些頻率范圍內的靈敏度甚至更大，。研制的傳感器具有極強的耐受性，能夠在至少兩個地球年的時間里經受住火星表面溫度的劇烈變化。

登陸火星后，“洞察”號將用其機械臂把地震儀從探測器甲板上移出來，放置在地面上，而后在上面罩上一個鋁質圓頂保護罩，以降低風和溫度變化對地震儀采集數據的影響。機械臂還將放置由德國宇航中心提供的熱量探測器，測量火星內部的熱量損失。“洞察”號將測量火星內部溫度，用一個機電錘每次把熱量探測器向地下鉆入1毫米左右，直到最終鉆入地下深達5米。這個過程將會周期性停頓以進行測量，預計需要數周時間。第三個實驗將留在探測器上進行，測量探測器和地球之間互相發出的無線電信號的變化，從而跟蹤火星旋轉軸的緩慢擺動，這種擺動受到火星內部結構的影響。

探測火星內部結構

“洞察”號借鑒了美國宇航局2008年發射的“鳳凰”號火星登陸器的很多設計，包括一個用于把實驗儀器放置到火星表面上的機械臂。

1.HP3由德國宇航中心提供的熱量流及物理特性研究裝置（HP3），將用于研究熱量如何從火星內部消失。該裝置將鉆入地下深達5米，周期性停頓以進行測量，它背后拖拽的系鏈帶有溫度傳感器。

2.RISE由美國宇航局噴氣推進實驗室領導的火星旋轉及內部結構實驗（RISE），將使用“洞察”號的X波段無線電設備向地球發出信號。這些無線電信號的變化將用于定位登陸器的位置，精度達到厘米級別，登陸器的位置將用于跟蹤火星旋轉軸的擺動。

3.SEIS“洞察”號的火星內部結構地震實驗裝置（SEIS）由法國航天局研制，包含了用擺式和彈簧式傳感器或微型機電設備制成的多個地震儀。該實驗裝置包含一個真空球，真空球將放置在地面上，用一個屏蔽罩蓋上，從而使風吹過和溫度變化產生的信號最小化。

班納特說道，現代的地球內部地震研究依賴于很多分布式傳感器，研究者最初以為對火星內部的研究也需要部署一個分散于火星周圍的傳感器網絡。但是他和他的同事最終得出的結論是：利用現代信號分析技術，他們能夠用設置在一個地點的地震儀獲得關于火星內部構造的有用信息，這種研究方法的成本要低很多。

班納特說，這種研究方法的訣竅在于單個震動會同時產生雙向環繞火星的多個信號，從這些信號的到達時間能推斷出震動源的位置以及震動傳播的速度。這些信息將幫助行星科學家改善對火星殼厚度和火星幔成分的估計。探測器的無線電實驗的測量數據（這些測量數據將添加到之前的火星登陸器收集的大量數據中）將細化火星內核的圖像。

班納特說，“洞察”號的探測結果將不僅說明火星內部結構，而且幫助科學家理解：一般的巖質行星在最初數千萬年如何形成和演化。班納特說：“我們實際上提議這個項目不只是火星探測任務，更是太陽系探測任務，我們正在努力了解行星是如何形成的，以及為什么金星、地球和火星會如此不同。”

比較行星學

地球的板塊運動形成了高山和海洋，相比之下，火星則安靜得出奇。比利時皇家天文臺的韋羅妮克·德昂特（Véronique Dehant）解釋道，行星科學家期待在這顆紅色星球上測到的震動，是由火星的緩慢收縮和火星表面重巖層的壓力導致的。

不止如此，火星和地球之間還存在更大的不同：地球的液態內核的鐵循環產生了全球的磁場，保護著大氣層；火星似乎一度也曾有過這樣一個磁場，但在數十億年前消失了。

盡管這個磁場消失了，但從火星如何受太陽的潮汐引力而伸展以及火星自轉而收集的數據表明：火星內核依然至少部分是液態的。德昂特說，在火星歷史上的某個時期，火星內核變得太冷而無法通過對流形成循環。現在科學家認為：火星內核通過效率較低的熱傳導過程損失熱量。德昂特（她是“洞察”號無線電頻率實驗裝置RISE的聯合研究員）說：“火星內核的液體狀態仍然需要進一步證實。”她補充道，“洞察”號能把火星內核直徑的不確定性減少10倍，這將有助于確定火星內核的特性。

火星是關于早期太陽系的很好窗口，幾乎是另一個地球，雖然比地球小，但經歷了和地球在大約45億年前形成時相似的溫度和壓力。地質過程已經抹掉了早期地球樣貌的很多證據，但火星大致保持了不活躍的特征，所以其早期狀態得到了保留。

2016年里，可能將有多達12枚火星探測器在運行。“洞察”號是能在2016年抵達這顆紅色星球的5枚探測器之一。運載“洞察”號的火箭同時還將發射兩顆立方衛星（CubeSats），承擔代號為“火星立方一號”（Mars Cube One）的任務，在“洞察”號進入、降落和著陸期間協助傳遞信號。這兩顆衛星收起時差不多是公文包那么大，將是發射到地球軌道之外的首顆立方衛星。

歐洲空間局和俄羅斯將發射兩枚火星生命探測器（ExoMars），第一枚同樣把發射日期定在了2016年3月。它將發射微量氣體軌道器（Trace Gas Orbiter），尋找火星大氣層中的氣體的光譜特征，比如甲烷，這些氣體可能有生物學或地質學的來源。該任務還將運載“斯基亞帕雷利”（Schiaparelli）航天器，用于測試登陸技術。它將為計劃于2018年發射的ExoMars漫游車鋪平道路。

[資料來源：IEEE Spectrum][責任編輯：岳峰]