文/徐蒙

2018年5月5日，宇宙神5號(hào)火箭搭載美國(guó)宇航局的洞察號(hào)（InSight）火星探測(cè)器從美國(guó)加州范登堡空軍基地啟程，開啟了為期205天的太空之旅。它將于2018年11月26日登陸火星表面，在火星上安置一枚火星地震儀（以下簡(jiǎn)稱火震儀），并把一根長(zhǎng)長(zhǎng)的探針刺入地下?；鹦莾?nèi)部的秘密也將被一一揭開。

“摳門”項(xiàng)目之一

“洞察號(hào)”是美國(guó)宇航局的知名摳門項(xiàng)目——“發(fā)現(xiàn)（Discovery）”項(xiàng)目的成員之一，有多摳門呢？就是每項(xiàng)預(yù)算一般不超過4.5億美元。什么概念呢？作為美國(guó)宇航局旗艦項(xiàng)目之一的“好奇號(hào)”花了25個(gè)億，“卡西尼號(hào)”花了39個(gè)億。不過平心而論，美國(guó)宇航局對(duì)“洞察號(hào)”實(shí)在不算摳門了，花了8.3億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了“發(fā)現(xiàn)”項(xiàng)目的預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)。

雖然成本低，但“發(fā)現(xiàn)”項(xiàng)目的每個(gè)任務(wù)都是短準(zhǔn)狠：任務(wù)設(shè)計(jì)壽命短（一般不超過36個(gè)月，當(dāng)然儀器狀態(tài)良好的話會(huì)延長(zhǎng)，有些會(huì)延長(zhǎng)很久），探測(cè)目標(biāo)精簡(jiǎn)明確，而且大多成果驚人。例如，探測(cè)小行星谷神星和灶神星的“黎明號(hào)”，探測(cè)月球全球高分辨率重力場(chǎng)的GRAIL，尋找系外行星的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡……這些探測(cè)器無(wú)一不在短短幾年里就刷新了人類對(duì)它們所探測(cè)天體的認(rèn)知，是名副其實(shí)的“發(fā)現(xiàn)新世界”。科學(xué)家們對(duì)“洞察號(hào)”也抱有這樣的期待。

▲“洞察號(hào)”將解開火星地質(zhì)結(jié)構(gòu)的秘密

▲“宇宙神5號(hào)”搭載“洞察號(hào)”踏上火星之旅

到目前為止，人類對(duì)火星的了解可不算多：探測(cè)火星表面地形、地貌特征和重力場(chǎng)；探測(cè)火星水冰和礦物分布；探測(cè)火星大氣層和空間粒子以及幾輛火星車實(shí)地考察火星的地質(zhì)狀況……這些都還始終停留在火星表面和大氣層，雖然重力場(chǎng)和一些粗略的火星物理數(shù)據(jù)（平均密度、慣量矩等）隱約向我們透露了一點(diǎn)火星內(nèi)部的樣子，知道火星像我們的地球和月球那樣有殼、幔、核的分層結(jié)構(gòu)，知道火星內(nèi)部的熱能已經(jīng)不足以維持它的自發(fā)磁場(chǎng)和各種活躍地質(zhì)活動(dòng)，但更多的呢？一共分了多少層？殼、幔、核每一層有多深？每一層的固液狀態(tài)是怎樣的？火星內(nèi)部的熱能到底還剩多少？火星的熱量是以什么樣的形式和速率耗散的？火星的熱演化歷史是怎樣的？為什么火星幾乎沒有板塊活動(dòng)？……對(duì)這些，我們幾乎一無(wú)所知。

著陸點(diǎn)如何選取

和之前那些火星著陸器不同，“洞察號(hào)”是一枚純“地球物理探測(cè)器”，因此，它的選址比之前幾枚火星車和著陸器要簡(jiǎn)單得多，因?yàn)樗鼛缀醪恍枰紤]具體的科學(xué)目標(biāo)。而“好奇號(hào)”著陸在蓋爾撞擊坑是為了尋找水和生命，“鳳凰號(hào)”著陸在北極是為了探測(cè)極區(qū)水冰，有些探測(cè)器還需要考慮整個(gè)路徑的安全性和可移動(dòng)性。從這個(gè)角度來(lái)說，“洞察號(hào)”的選址更有代表性。

“洞察號(hào)”的選址經(jīng)過了長(zhǎng)達(dá)4年的考察和探討。首先是基于工程上考慮（著陸、安全、功能）的初步篩選，例如：考慮太陽(yáng)能的供給，著陸區(qū)劃定在赤道附近；著陸過程中必須經(jīng)過足夠厚的大氣層來(lái)保證降落傘的緩沖需要，著陸區(qū)地理位置要盡量低；地形要平坦（坡度小于15°）、石頭不能太多、風(fēng)化層較松軟（方便著陸和熱流探測(cè)器鉆5米深的孔），等等……

初步篩選之后，選定了埃律西昂平原西部的16個(gè)區(qū)域。然后才逐區(qū)域排除直到選定最終的著陸區(qū)域。

在長(zhǎng)達(dá)四年的多輪選址討論之下，洞察號(hào)最終選定的預(yù)計(jì)著陸點(diǎn)為位于火星北半球埃律西昂平原西部（小圖白色橢圓區(qū)域，中心位置約北緯4.5度，東經(jīng)136度，表面重力加速度約3.71米/秒2）。

“洞察號(hào)”要探測(cè)什么？

▲“鳳凰號(hào)”和洞察號(hào)火星車對(duì)比圖

洞察號(hào)火星探測(cè)器，全名是“采用地震研究、測(cè)地學(xué)和傳熱學(xué)的火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)器”，這樣一看，它的探測(cè)目標(biāo)可以說是一目了然了。

從整體上看，“洞察號(hào)”機(jī)身的設(shè)計(jì)很大程度上直接繼承了之前的鳳凰號(hào)火星著陸器，這也是“洞察號(hào)”可以如此低成本的原因之一。

“洞察號(hào)”采用的是支腿式火星著陸器總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。起飛質(zhì)量694千克，著陸器質(zhì)量為358千克，熱防護(hù)罩189千克，巡航級(jí)79 千克，推進(jìn)劑67 千克。探測(cè)器本體高2.7米，三條支腿在著陸時(shí)具有著陸緩沖作用。洞察號(hào)探測(cè)器電源系統(tǒng)采用兩塊直徑2.15米圓形太陽(yáng)能電池翼，輸出功率為3000 度/日。除此之外，還有25安時(shí)的鋰離子電池作為儲(chǔ)能電池。

工欲善其事，必先利其器。看看“洞察號(hào)”都帶了些什么儀器吧。

“洞察號(hào)”此去的主要探測(cè)目標(biāo)有兩個(gè)：一個(gè)是火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)，另一個(gè)是火星內(nèi)部的熱狀態(tài)。針對(duì)這兩個(gè)目標(biāo)，“洞察號(hào)”配備了一臺(tái)火星地震儀、一臺(tái)熱流和物理性質(zhì)探測(cè)儀（HP3）這兩個(gè)主要科學(xué)探測(cè)儀器，當(dāng)然還有其他的科學(xué)設(shè)備。

▲科學(xué)家們可以通過測(cè)量地震波在地下不同地層中的傳播的時(shí)間，來(lái)研究這個(gè)天體內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的

火星地震儀

火震儀會(huì)在“洞察號(hào)”著陸之后被固定在火星表面上，然后用一個(gè)罩子罩起來(lái)減少外界風(fēng)和熱的干擾。

為什么探測(cè)火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要火震儀呢？簡(jiǎn)單來(lái)說，就是當(dāng)固態(tài)天體發(fā)生震動(dòng)的時(shí)候，震動(dòng)產(chǎn)生的波（地震波）在不同密度的地層中傳播速度不同，那么通過測(cè)量不同地層傳來(lái)的“地震波”之間的時(shí)間差，就可以反推內(nèi)部每一層的厚度和密度了。

火星上雖然幾乎沒有板塊活動(dòng)，但還是有一些大大小小的火震來(lái)源，例如斷層、大氣影響等，這些震動(dòng)都無(wú)法準(zhǔn)確判斷震源位置，為此，“洞察號(hào)”采取了一個(gè)巧妙的辦法：探測(cè)隕石撞擊火星引起的火震。

在火星勘測(cè)軌道探測(cè)器(MRO)高分辨率影像的配合之下，一旦發(fā)生隕石撞擊引起的火震，“洞察號(hào)”將會(huì)迅速搜索到新產(chǎn)生的隕石坑的精確位置，也就確定了震源的坐標(biāo)，進(jìn)而測(cè)量火星地震波的行進(jìn)時(shí)間。

當(dāng)然，單個(gè)火震儀觀測(cè)會(huì)有很多局限性，因?yàn)榛鹫饍x數(shù)目越多，分布越廣，才能探測(cè)到越深、越準(zhǔn)確的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，即使當(dāng)年的阿波羅登月任務(wù)安裝了四臺(tái)月震儀，也還是沒能解決這一問題。因?yàn)檫@些月震儀實(shí)在是靠得太近了，全部扎堆于月球近月面的低緯度區(qū)域，造成的后果是很難探測(cè)到遠(yuǎn)月面的月震，也無(wú)法探測(cè)到深于1100-1300公里的具體結(jié)構(gòu)了。也就是說，盡管我們知道內(nèi)部的分層狀況和各層狀態(tài)，但對(duì)下月幔和月核的深度和密度還是有很大的不確定性。

只不過，如今的“洞察號(hào)”，有了更靈敏的火震儀，也有更高分辨率的“MRO”影像幫助定位震源位置。希望它能夠單槍匹馬，做得比“阿波羅號(hào)”的月震儀更好。

另外，雖然每多觀測(cè)到一次撞擊，我們就能多了解火星內(nèi)部一點(diǎn)點(diǎn)，但“洞察號(hào)”的設(shè)計(jì)壽命只有1個(gè)火星年（約2個(gè)地球年），而隕石撞擊畢竟是純概率事件，這2年期間能觀測(cè)到多少次強(qiáng)度足夠大的隕石撞擊引起的火震呢？或許我們需要一點(diǎn)耐心，還需要一點(diǎn)運(yùn)氣。

熱流探測(cè)儀

至于熱流和物理性質(zhì)探測(cè)儀（簡(jiǎn)稱HP3）就簡(jiǎn)單粗暴多了。它會(huì)直接把一只“溫度計(jì)”插進(jìn)火星表面，這只“溫度計(jì)”的鉆頭被稱為“鼴鼠”，足足可以打5米深的洞，也就是說，可以測(cè)量火星表面到地下5米深的溫度隨深度的變化。這也將是有史以來(lái)人類在火星打的最深的洞了。

▲火星地震儀工作示意圖

▲測(cè)試熱流探測(cè)儀

火星曾經(jīng)也像地球一樣有過地質(zhì)非?；钴S的時(shí)期，但隨著內(nèi)部熱量的不斷耗散，火星也就慢慢“沉寂”了。而通過測(cè)量火星淺表層溫度隨深度的變化，可以幫助我們重建火星的熱演化歷史，推算火星內(nèi)部還有多少熱，火星已經(jīng)失去了多少熱，了解火星這幾十億年來(lái)經(jīng)歷了怎樣的熱變化，火星為什么沒有板塊活動(dòng)等等重要問題。

和火震儀一樣，熱流探測(cè)儀這事兒美國(guó)宇航局也不是第一次干了，算是頗有經(jīng)驗(yàn)。阿波羅13、15、16和17號(hào)登月任務(wù)也都攜帶了熱流探測(cè)儀，不過只有15和17號(hào)安裝成功，而且“阿波羅15號(hào)”的熱流探測(cè)儀在鉆孔的過程中發(fā)現(xiàn)這里的風(fēng)化層比預(yù)想得硬，鉆不動(dòng)……結(jié)果探針并沒有插到計(jì)劃的深度?？紤]到“阿波羅15號(hào)”的前車之鑒，這次“洞察號(hào)”選址的時(shí)候就充分考慮了測(cè)區(qū)的風(fēng)化層厚度和巖石硬度，確?？梢糟@到5米那么深……

除了火震儀和熱流儀，“洞察號(hào)”還帶了一臺(tái)“自轉(zhuǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)儀”（RISE）——它將通過多普勒頻移測(cè)量火星的自轉(zhuǎn)速度和自轉(zhuǎn)軸變化。自轉(zhuǎn)參數(shù)也是約束行星深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)之一。有了這些數(shù)據(jù)，我們就能更好地推測(cè)火星內(nèi)部是啥樣啦。

而且，不只是火星，“洞察號(hào)”的探測(cè)結(jié)果還可以幫助人類加深對(duì)整個(gè)內(nèi)太陽(yáng)系所有巖質(zhì)天體（水星、金星、火星、地球、月球）演化的認(rèn)識(shí)，追溯整個(gè)內(nèi)太陽(yáng)系早期的熱演化歷史和熱分異過程。

從這個(gè)角度來(lái)說，“洞察號(hào)”還將是人類追溯整個(gè)內(nèi)太陽(yáng)系歷史的一臺(tái)時(shí)光機(jī)。

如果說，“好奇號(hào)”是迄今為止最偉大的火星地球化學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家的話，那么“洞察號(hào)”將會(huì)是火星第一位偉大的火星地球物理學(xué)家。