美國“洞察”探測器發射，將為人類聆聽火星之音

王帥（北京空間科技信息研究所）

2018年5月，時隔26個月之后火星探測窗口再度開啟，延期2年的美國國家航空航天局（NASA）“洞察”（lnSight）火星探測器發射升空，將實施首次“火星體檢”，對火星內部進行深入研究，包括火星地殼、地幔和地核。“洞察”是第一個從美國西海岸發射的深空探測器，此次發射還首次攜帶了立方體衛星——“火星立方一”（MarCO）開展深空任務，任務對西海岸發射能力以及立方體衛星深空探測能力進行驗證，將為未來深空探測任務提供更多的選擇。

1 任務發射概況

北京時間2018年5月5日19：05，“洞察”火星探測器在美國西海岸加利福尼亞州的范登堡空軍基地搭載宇宙神-5（Atlas-5）運載火箭發射升空。發射后13min16s，“半人馬座”（Centaur）上面級攜帶“洞察”進入地球停泊軌道。發射后79min，“半人馬座”上面級再次點火，將“洞察”送入地球到火星轉移軌道。發射后93min左右，“洞察”與“半人馬座”上面級分離。在釋放“洞察”探測器之后，“半人馬座”上面級進行一次滾轉并釋放火星立方一-A，再旋轉180°后釋放火星立方一-B。從上面級分離后10min內，“火星立方一”展開太陽電池翼，之后通過NASA深空網與地面控制團隊建立聯系。

“洞察”將飛行約6個月，于2018年11月26日抵達火星并著陸在埃律西昂平原（Elysium Planitia）。著陸火星之后，“洞察”將立刻開始表面操作，并在第一周開始收集一些科學數據，完成科學儀器在火星表面的部署則需要大約10周的時間。“洞察”的主任務設定為1個火星年（約2個地球年），即708個火星日（728個地球日）。在任務執行期間，“洞察”將每年發回超過30GB的數據。

2 任務基本情況

“洞察”全稱“地震調查、測地學和熱傳遞內部探索”，是NASA“發現”（Discovery）計劃的第12次任務。任務目標是向火星表面發送一個攜帶地震儀和熱傳輸探測器的著陸器，以研究火星早期地質演變情況，從而增進對太陽系巖質行星形成和演化的理解。發射“洞察”的運載火箭還發射了NASA的立方體衛星“火星立方一”，試驗利用立方體衛星進行深空通信的能力。

任務科學目標

“洞察”將研究火星內部結構，揭示太陽系巖質行星或系外巖質行星的早期形成。選擇火星的主要原因是火星足夠大，進而能夠經歷最早期形成巖質行星內部的加熱和分化過程；同時又足夠小、地質活動較少，進而在火星地殼、地幔和地核等行星基本構造模塊中，保留了更完整的歷史記錄，是研究巖質行星形成和演化的理想地點。在火星內部結構特征中，可能包含了關于太陽系巖質行星形成過程的最深入和最準確的數據。通過研究火星地殼、地幔和地核的尺寸、厚度、密度和整體結構，以及熱量從火星內部散逸的速率，“洞察”任務將幫助人類揭示內太陽系中所有巖質行星的進化過程。此外，“洞察”還將測量現在火星上的構造活動和隕石撞擊。

“洞察”任務的具體科學目標包括：

1）通過調查火星內部結構和活動過程，理解巖質行星的形成和演化過程：①確定火星地核的尺寸、成分和物理狀態（液體/固體）；②確定火星地殼的厚度和結構；③確定火星地幔的成分和結構；④確定火星內部的熱狀態。

2）確定現在火星地質構造活動的活躍程度以及隕石撞擊火星的頻率：①測量內部地震活動的規模、頻率和地理分布；②測量隕石撞擊火星表面的頻率。

探測器研制

“洞察”探測器由多國機構合作研制，其中NASA噴氣推進實驗室（JPL）負責管理，牽頭科學研究、系統工程、導航、任務運行、儀器部署機械臂和相機的研制等；洛馬公司（LM）負責探測器的研發、裝配、集成、測試、發射運行和任務運行的支持；法國國家空間研究中心（CNES）負責管理、集成和交付“內部結構地震實驗儀”（SEIS）；德國航空航天中心（DLR）負責研制和交付“熱流和物理特性儀器套件”（HP3）；西班牙天體生物學中心（CAB）將提供風和大氣溫度傳感器。“洞察”于2014年5月正式開始建造，于2015年5月進入測試階段，原計劃于2016年3月發射。

2015年12月，“洞察”任務進入發射前的準備階段，探測器的組裝和測試已經基本完成，然而關鍵載荷“內部結構地震實驗儀”在測試過程中發現真空容器泄漏的問題，導致NASA被迫將任務推遲至2018年發射。任務推遲后，“洞察”探測器返廠儲存，“內部結構地震實驗儀”真空容器由NASA噴氣推進實驗室進行重新設計、制造和質量管理，導致“洞察”探測器的成本由6.75億美元增至8.288億美元。該問題在此前的測試中并未被發現，暴露出儀器故障的一個最重要原因是沒有做好事先的質量控制和測試工作。此外，“內部結構地震實驗儀”是由法國國家空間研究中心作為承包商，多個國家的機構合作研制的。問題在最終階段才被發現，不僅反映出了法國國家空間研究中心的質量管理問題，還反映出NASA在國際合作項目管理方面存在著問題。

探測器構成

“洞察”任務的設計主要是基于2008年發射的“鳳凰”（Phoenix）任務的探測器和著陸器設計的，同時采用了“火星勘察軌道器”（MRO）和“圣杯”（GRAIL）月球探測器中的航空電子設備。“洞察”探測器主要包含巡航級，進入、下降和著陸系統，以及著陸器三大部分，巡航級將攜帶著陸器和著陸系統完成地球到火星的旅程，進入、下降和著陸系統包括保護罩、降落傘和下降級，著陸器則是在火星表面開展探測工作的核心部件。

“洞察”著陸器質量為360kg，太陽電池翼展開時寬度約為6.1m，頂板直徑約1.56m，頂板高度為0.83～1.08m，機械臂長2.4m，能源由2個圓形太陽能板提供，各太陽板的直徑為2.2m。

“洞察”著陸器的科學有效載荷包含3個主要儀器，分別為法國國家空間研究中心提供的“內部結構地震實驗儀”、德國航空航天中心提供的“熱流和物理特性儀器套件”和噴氣推進實驗室提供的“旋轉和內部結構實驗”（RISE）天線。“內部結構地震實驗儀”負責精確地測量震動和火星內部其他活動，以更好地了解火星的歷史和構造，研制機構包括法國國家空間研究中心、巴黎地球物理學院（IPGP）、瑞士聯邦理工學院（ETH）、馬克斯·普朗克太陽系研究所（MPS）、英國帝國理工學院（Imperial College）以及NASA噴氣推進實驗室。“熱流和物理特性儀器套件”是自穿透熱流探針，將深入地表下5m，以測量火星內部散逸的熱量，并幫助揭露火星的熱歷史。“旋轉和內部結構實驗”天線是利用探測器通信系統對行星旋轉進行精確測量。除此之外，有效載荷還包括西班牙天體生物學中心提供的風和溫度傳感器，以及高分辨率（10mPa）氣壓傳感器等。其中“內部結構地震實驗儀”是協助進行火星深層內部結構研究的主要科學有效載荷，核心組成是裝在鈦合金球形容器內的3個高精度寬頻帶地震傳感器。傳感器需要在真空環境中運行，可以對小到1/4氫原子直徑（1-10m）的地面運動進行測量。

在著陸火星之后，“洞察”著陸器利用機械臂將“內部結構地震實驗儀”和“熱流和物理特性儀器套件”部署在火星表面，2個儀器將分別用于測量微小的地面運動和監測火星內部熱活動。同時，“洞察”還將利用無線電測量行星的自轉，利用相機和一系列環境敏感器監測火星天氣和磁場變化。

“火星立方一”

“火星立方一”任務包括2顆6U立方體衛星，將和“洞察”搭載同一枚火箭發射并緊隨“洞察”獨自飛行，主要目標是測試新的小型深空通信設備。如果能夠順利抵達火星，“火星立方一”將在“洞察”著陸期間從距離火星3500km處飛越火星，裝備折疊高增益天線的“火星立方一”將在“洞察”著陸器進入、下降和著陸期間為其提供中繼服務。這是首次在地外行星上進行小型立方體衛星技術試驗。

“火星立方一”并不屬于“洞察”任務的一部分，盡管可以在“洞察”著陸期間為其提供中繼服務，但并不是“洞察”探測器傳輸數據必需的設備。“火星立方一”本身將不執行科學探測任務，其主要任務將是首次在深空測試立方體衛星技術，驗證立方體衛星在未來太陽系探測的工作方式。如果抵達火星，“火星立方一”將測試一種通信中繼方法，使其可以成為未來火星著陸器的“黑匣子”，幫助工程師理解著陸火星的困難過程。

2顆立方體衛星由NASA噴氣推進實驗室研制，兩者將執行相同的功能以形成互補和備份。“火星立方一”未展開太陽電池翼的尺寸為36.6cm×24.3cm×11.8cm，2副太陽電池翼尺寸均為30cm×30cm，在地球附近功率為35W，在火星附近功率為17W，能源系統還包括可充電的鋰離子電池。“火星立方一”攜帶的高增益X頻段天線為平板反射陣，能夠以較低功耗實現地火之間的信息傳輸。“火星立方一”的彈簧部署系統位于“半人馬座”上面級的船尾艙壁載體上，接近上面級的底部，不在包裹“洞察”探測器的整流罩內。從發射到上面級與火箭分離，船尾艙壁載體處于級間適配器中，受級間適配器的保護。

3 任務特點分析

“洞察”屬于NASA“發現”計劃，其任務定位與目標相比于近期NASA執行的火星任務而言存在較大不同，更偏重于科學問題的研究，而不是對火星環境的探測。從探測內容的角度而言，“洞察”是首個研究地外行星內部的探測器，將首次測量火星地震，研究火星火山形成等，幫助人類追溯火星的歷史。此外，“洞察”還是首個從美國西海岸發射的深空探測任務，其搭乘的運載火箭同時承載立方體衛星的首次深空之旅。

任務偏重科學研究，瞄準巖質行星形成過程

“洞察”任務屬于“發現”計劃，但更側重于科學探測，與美國火星探測長遠計劃中尋找火星生命信號、奠定未來載人探測基礎等目標關聯性不大。2011年，NASA宣布美國的火星探測從“追蹤水的痕跡”正式轉變為“搜尋生命信號”。2013年“火星大氣與揮發物演變”之后任務的科學戰略目標主要是“尋找生命信號”、“探測適居性”和“為載人探測做準備”。在2010年以前制定的美國火星探測演進科學戰略中，2016年3月和2018年5月2個火星探測窗口的項目為歐洲航天局（ESA）牽頭的“火星生物學”（ExoMars）項目，當時NASA還未退出該項目。“洞察”任務的科學目標與目前美國的火星探測科學戰略目標關系不大，2012年8月入選“發現”計劃與2012年2月NASA退出“火星生物學”有一定關聯，接近于填補火星探測空白期的任務。

“洞察”任務的定位與近年來開展的多個火星探測任務之間存在明顯不同。從其探測內容而言，“洞察”不僅僅是一個火星探測任務，更是一個類地行星探測者，它將解決行星和太陽系科學眾多基本問題之一，即40多億年以前內太陽系巖質行星（包括地球在內）的形成過程。研究將有助于更好地理解巖質行星和太陽系，幫助人類尋找類似地球的系外行星。

首次探測火星內部，深度研究火星內部活動

經歷了近半個世紀的探測，人類對于火星基本物理參數、空間與表面環境、地形地貌與地質結構、表面物質等方面都取得了一定的認知，已經從全球遙感探測向表面和巡視探測進行轉變。然而，還沒有火星探測任務對火星內部進行過深入研究，“洞察”將首次研究火星內部，測量火星的“脈沖”（地震）、“溫度”（熱流）和“反射”（當被太陽和衛星牽引時行星的擺動方式）等“生命體征”，進而揭示巖質行星的形成過程。

“洞察”將首次探測火星地震，研究火星地下運動。此前，NASA曾嘗試在“海盜”（Viking）火星著陸器的頂端裝載地震儀，但獲得的數據噪聲過大。“洞察”的地震儀將直接放置在火星表面，獲得更為清晰的數據。不同于地球，火星地震主要由板塊移動以外的其他構造活動引起，包括火星地殼中形成的火山活動和裂隙。此外，流星撞擊也會產生地震波，“洞察”也將對其進行測量。通過研究地震波經過火星地殼、地幔和地核的方式，科學家將能夠確定各層的深度以及組成，就像對火星內部進行了X射線檢查一樣。

“洞察”還將研究火星火山的形成，其攜帶的熱流探針將深入火星地下5m處，以首次測量來自火星內部的熱流。“洞察”探測的熱流頻率和其他探測數據將揭示火星內部的能量如何驅動火星表面的變化。總而言之，“洞察”將首次進行火星內部的探測，獲得火星地質和內部結構方面的全新數據，提高多個火星參數的精度，并且研究內太陽系所有巖質行星演化的過程。

首次從西海岸發射，可以有效緩解發射壓力

在“洞察”任務發射之前，美國共計開展了98次月球和深空探測任務，其中僅有3次月球探測任務不是從東海岸的卡納維拉爾角空軍基地發射的。卡納維拉爾角空軍基地緯度較低[28.5°（N）]，東鄰大西洋，向東發射火箭可以利用地球自轉附加速度，因此一般情況，從此處發射航天器所需燃料較少；而范登堡空軍基地緯度略高[34.7（N）]，適合向西發射高傾角軌道和極軌道衛星。而深空探測任務通常傾角并不大，從卡納維拉爾角空軍基地進行發射將更節省燃料，因此，過去所有的深空探測任務都是從卡納維拉爾角空軍基地發射。

“洞察”采用宇宙神-5運載火箭進行發射，而類似設計的“鳳凰”任務僅采用了發射能力更小的德爾他-2（Delta-2）運載火箭，也就是“洞察”的發射具有更大的靈活性，可以選擇在卡納維拉爾角空軍基地或范登堡空軍基地進行發射。“洞察”最終選擇在西海岸的范登堡空軍基地發射的原因主要是，在“洞察”的發射窗口內，范登堡空軍基地相對更為清閑，發射任務壓力較小。事實上，過去NASA就曾考慮在范登堡空軍基地發射“火星奧德賽”（Mars Odyssey），這樣做可以減少卡納維拉爾角空軍基地的發射壓力。首次試驗深空立方體衛星，開啟立方體衛星深空之旅

“洞察”探測器搭乘的運載火箭同時發射2顆立方體衛星“火星立方一”，“火星立方一”將測試新的小型深空通信設備，并在“洞察”火星著陸器進入、下降和著陸期間飛越火星，為著陸器提供通信中繼服務。在進入、下降和著陸期間，“洞察”著陸器利用超高頻（UHF）無線電頻段將信息傳送給上空飛越的NASA火星軌道器MRO，并由MRO利用X頻段將信息傳送回地球。然而，MRO無法在UHF頻段接收信息的同時在X頻段發送信息，著陸成功的信息由MRO中繼至地球將有超過1h的延遲。而“火星立方一”攜帶的足球大小的通信設備具備UHF頻段的接收能力，以及X頻段的接收和發送能力，能夠在接收UHF頻段信息的同時利用X頻段將信息發送給地球，從而減少信息延遲的時間。

這將是立方體衛星首次進行深空探測任務。如果“火星立方一”驗證任務成功，未來的火星探測任務在大氣進入和下降的關鍵幾分鐘內將擁有“自攜帶”的通信中繼選項，并且將引領立方體衛星在深空探測任務中的其他應用，包括利用小型相機等小型儀器進行觀測、對空間環境進行就地測量等。

4 小結

“洞察”任務推遲主因在于質量控制和監管的疏漏，應予以警惕

由于主要儀器“內部結構地震實驗儀”在最終測試時發現真空容器存在漏洞，導致“洞察”任務不得不推遲2年發射，造成任務成本增加了1.538億美元，其深層原因在于NASA和法國國家空間研究中心在設備制造方面的質量控制和監管方面存在問題。真空容器在最終測試時被發現存在泄漏的問題說明，法國國家空間研究中心在設備制造時的質量控制和測試存在疏漏，并且NASA作為總體單位沒有做好監管措施。

利用立方體衛星開展深空探測已成各國關注熱點，應及時跟進

“火星立方一”將首次試驗立方體衛星開展深空探測的能力，奠基未來立方體衛星開展深空探測的發展路程。立方體衛星具有低成本、靈活性高的特點，并且可以多顆立方體衛星協作開展多點探測，相比單個大型探測器，可增加探測范圍并減少任務風險。近幾年，NASA和ESA都在大力研究立方體衛星探測月球的概念，NASA“航天發射系統”（SLS）和“獵戶座”（Orion）的首次無人探月任務將攜帶多顆立方體衛星開展月球探測，ESA也在2017年篩選了4個利用立方體衛星探索月球的概念，進行進一步的研究。此外，2017年NASA還開始研究用于探測金星的立方體衛星。