火星探測(cè)器艦隊(duì)

蔡立英/編譯

火星探測(cè)器艦隊(duì)

蔡立英/編譯

美國(guó)宇航局的“洞察”號(hào)火星登陸器的太陽(yáng)能電池陣列在丹佛的洛克希德·馬丁潔凈室展出（見(jiàn)左圖）?；鹦翘綔y(cè)任務(wù)的降落傘測(cè)試（見(jiàn)右圖）在加州莫非特基地的美國(guó)宇航局艾姆斯研究中心完成

●5枚探測(cè)器將在2016年飛向火星這顆紅色星球。然而，美國(guó)宇航局（NASA）在確定沒(méi)有足夠時(shí)間修復(fù)和全面測(cè)試探測(cè)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(hào)（InSight）發(fā)射。火星探測(cè)任務(wù)的下一個(gè)有利的發(fā)射窗口期將在2018年。

當(dāng)“海盜1號(hào)”和“海盜2號(hào)”登陸器（twin Viking landers）于1976年登陸火星時(shí)，每個(gè)登陸器都攜帶了一個(gè)地震儀，但是，傳感器在行星振動(dòng)方面幾乎沒(méi)有測(cè)量到數(shù)據(jù)。其中一個(gè)地震儀沒(méi)能張開(kāi)，另一個(gè)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(fēng)。

40年后，美國(guó)宇航局的“洞察”號(hào)（InSight）火星登陸探測(cè)器準(zhǔn)備對(duì)火星進(jìn)行第二次地震研究。當(dāng)本期IEEE Spectrum出版時(shí)，“洞察”號(hào)研究團(tuán)隊(duì)仍在努力修復(fù)探測(cè)器的地震儀部件出現(xiàn)的問(wèn)題，其目標(biāo)是維持原定于2016年3月在加州范登堡空軍基地發(fā)射的時(shí)間表。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，“洞察”號(hào)將于2016年9月抵達(dá)火星表面，將在那里使用地震儀測(cè)量火星緩慢變冷和收縮時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)、流星體相撞產(chǎn)生的振動(dòng)以及其他來(lái)源的運(yùn)動(dòng)。研究者希望利用聲波建立火星內(nèi)部的圖像，就像用聲波圖產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)人體進(jìn)行成像一樣。

為了節(jié)省努力和成本，“洞察”號(hào)借鑒了美國(guó)宇航局的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的“鳳凰”號(hào)登陸器（Phoenix lander）的很多設(shè)計(jì)，“鳳凰”號(hào)于2008年抵達(dá)火星。美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL，位于加州帕薩迪納）的行星地質(zhì)學(xué)家、“洞察”號(hào)項(xiàng)目首席研究員布魯斯·班納特（Bruce Banerdt）說(shuō)道，正在由美國(guó)承包商洛克希德·馬丁公司制造的“洞察”號(hào)，具有很強(qiáng)的國(guó)際色彩，法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家投入約一億美元用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。美國(guó)在2010年出資4.25億美元，包括了探測(cè)器及其在火星表面運(yùn)行兩年的成本（發(fā)射費(fèi)用另計(jì)）。

法國(guó)航天局（CNES）主導(dǎo)了“洞察”號(hào)地震儀的研制，若干其他國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)也做出了貢獻(xiàn)。領(lǐng)導(dǎo)“洞察”號(hào)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(nèi)（Philippe Lognonné）說(shuō)道，“洞察”號(hào)地震儀的靈敏度是“海盜”號(hào)登陸器攜帶的地震裝置的1 000倍，在某些頻率范圍內(nèi)的靈敏度甚至更大，。研制的傳感器具有極強(qiáng)的耐受性，能夠在至少兩個(gè)地球年的時(shí)間里經(jīng)受住火星表面溫度的劇烈變化。

登陸火星后，“洞察”號(hào)將用其機(jī)械臂把地震儀從探測(cè)器甲板上移出來(lái)，放置在地面上，而后在上面罩上一個(gè)鋁質(zhì)圓頂保護(hù)罩，以降低風(fēng)和溫度變化對(duì)地震儀采集數(shù)據(jù)的影響。機(jī)械臂還將放置由德國(guó)宇航中心提供的熱量探測(cè)器，測(cè)量火星內(nèi)部的熱量損失?！岸床臁碧?hào)將測(cè)量火星內(nèi)部溫度，用一個(gè)機(jī)電錘每次把熱量探測(cè)器向地下鉆入1毫米左右，直到最終鉆入地下深達(dá)5米。這個(gè)過(guò)程將會(huì)周期性停頓以進(jìn)行測(cè)量，預(yù)計(jì)需要數(shù)周時(shí)間。第三個(gè)實(shí)驗(yàn)將留在探測(cè)器上進(jìn)行，測(cè)量探測(cè)器和地球之間互相發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)的變化，從而跟蹤火星旋轉(zhuǎn)軸的緩慢擺動(dòng)，這種擺動(dòng)受到火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。

探測(cè)火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)

“洞察”號(hào)借鑒了美國(guó)宇航局2008年發(fā)射的“鳳凰”號(hào)火星登陸器的很多設(shè)計(jì)，包括一個(gè)用于把實(shí)驗(yàn)儀器放置到火星表面上的機(jī)械臂。

1.HP3由德國(guó)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(nèi)部消失。該裝置將鉆入地下深達(dá)5米，周期性停頓以進(jìn)行測(cè)量，它背后拖拽的系鏈帶有溫度傳感器。

2.RISE由美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的火星旋轉(zhuǎn)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)（RISE），將使用“洞察”號(hào)的X波段無(wú)線電設(shè)備向地球發(fā)出信號(hào)。這些無(wú)線電信號(hào)的變化將用于定位登陸器的位置，精度達(dá)到厘米級(jí)別，登陸器的位置將用于跟蹤火星旋轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)。

3.SEIS“洞察”號(hào)的火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)裝置（SEIS）由法國(guó)航天局研制，包含了用擺式和彈簧式傳感器或微型機(jī)電設(shè)備制成的多個(gè)地震儀。該實(shí)驗(yàn)裝置包含一個(gè)真空球，真空球?qū)⒎胖迷诘孛嫔?，用一個(gè)屏蔽罩蓋上，從而使風(fēng)吹過(guò)和溫度變化產(chǎn)生的信號(hào)最小化。

班納特說(shuō)道，現(xiàn)代的地球內(nèi)部地震研究依賴于很多分布式傳感器，研究者最初以為對(duì)火星內(nèi)部的研究也需要部署一個(gè)分散于火星周?chē)膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)。但是他和他的同事最終得出的結(jié)論是：利用現(xiàn)代信號(hào)分析技術(shù)，他們能夠用設(shè)置在一個(gè)地點(diǎn)的地震儀獲得關(guān)于火星內(nèi)部構(gòu)造的有用信息，這種研究方法的成本要低很多。

班納特說(shuō)，這種研究方法的訣竅在于單個(gè)震動(dòng)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生雙向環(huán)繞火星的多個(gè)信號(hào)，從這些信號(hào)的到達(dá)時(shí)間能推斷出震動(dòng)源的位置以及震動(dòng)傳播的速度。這些信息將幫助行星科學(xué)家改善對(duì)火星殼厚度和火星幔成分的估計(jì)。探測(cè)器的無(wú)線電實(shí)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)（這些測(cè)量數(shù)據(jù)將添加到之前的火星登陸器收集的大量數(shù)據(jù)中）將細(xì)化火星內(nèi)核的圖像。

班納特說(shuō)，“洞察”號(hào)的探測(cè)結(jié)果將不僅說(shuō)明火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且?guī)椭茖W(xué)家理解：一般的巖質(zhì)行星在最初數(shù)千萬(wàn)年如何形成和演化。班納特說(shuō)：“我們實(shí)際上提議這個(gè)項(xiàng)目不只是火星探測(cè)任務(wù)，更是太陽(yáng)系探測(cè)任務(wù)，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(huì)如此不同?！?/p>

比較行星學(xué)

地球的板塊運(yùn)動(dòng)形成了高山和海洋，相比之下，火星則安靜得出奇。比利時(shí)皇家天文臺(tái)的韋羅妮克·德昂特（Véronique Dehant）解釋道，行星科學(xué)家期待在這顆紅色星球上測(cè)到的震動(dòng)，是由火星的緩慢收縮和火星表面重巖層的壓力導(dǎo)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(tài)內(nèi)核的鐵循環(huán)產(chǎn)生了全球的磁場(chǎng)，保護(hù)著大氣層；火星似乎一度也曾有過(guò)這樣一個(gè)磁場(chǎng)，但在數(shù)十億年前消失了。

盡管這個(gè)磁場(chǎng)消失了，但從火星如何受太陽(yáng)的潮汐引力而伸展以及火星自轉(zhuǎn)而收集的數(shù)據(jù)表明：火星內(nèi)核依然至少部分是液態(tài)的。德昂特說(shuō)，在火星歷史上的某個(gè)時(shí)期，火星內(nèi)核變得太冷而無(wú)法通過(guò)對(duì)流形成循環(huán)?，F(xiàn)在科學(xué)家認(rèn)為：火星內(nèi)核通過(guò)效率較低的熱傳導(dǎo)過(guò)程損失熱量。德昂特（她是“洞察”號(hào)無(wú)線電頻率實(shí)驗(yàn)裝置RISE的聯(lián)合研究員）說(shuō)：“火星內(nèi)核的液體狀態(tài)仍然需要進(jìn)一步證實(shí)?！彼a(bǔ)充道，“洞察”號(hào)能把火星內(nèi)核直徑的不確定性減少10倍，這將有助于確定火星內(nèi)核的特性。

火星是關(guān)于早期太陽(yáng)系的很好窗口，幾乎是另一個(gè)地球，雖然比地球小，但經(jīng)歷了和地球在大約45億年前形成時(shí)相似的溫度和壓力。地質(zhì)過(guò)程已經(jīng)抹掉了早期地球樣貌的很多證據(jù)，但火星大致保持了不活躍的特征，所以其早期狀態(tài)得到了保留。

2016年里，可能將有多達(dá)12枚火星探測(cè)器在運(yùn)行。“洞察”號(hào)是能在2016年抵達(dá)這顆紅色星球的5枚探測(cè)器之一。運(yùn)載“洞察”號(hào)的火箭同時(shí)還將發(fā)射兩顆立方衛(wèi)星（CubeSats），承擔(dān)代號(hào)為“火星立方一號(hào)”（Mars Cube One）的任務(wù)，在“洞察”號(hào)進(jìn)入、降落和著陸期間協(xié)助傳遞信號(hào)。這兩顆衛(wèi)星收起時(shí)差不多是公文包那么大，將是發(fā)射到地球軌道之外的首顆立方衛(wèi)星。

歐洲空間局和俄羅斯將發(fā)射兩枚火星生命探測(cè)器（ExoMars），第一枚同樣把發(fā)射日期定在了2016年3月。它將發(fā)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(xué)或地質(zhì)學(xué)的來(lái)源。該任務(wù)還將運(yùn)載“斯基亞帕雷利”（Schiaparelli）航天器，用于測(cè)試登陸技術(shù)。它將為計(jì)劃于2018年發(fā)射的ExoMars漫游車(chē)鋪平道路。

[資料來(lái)源：IEEE Spectrum][責(zé)任編輯：岳峰]