火星探测器舰队

蔡立英/编译

火星探测器舰队

蔡立英/编译

美国宇航局的“洞察”号火星登陆器的太阳能电池阵列在丹佛的洛克希德·马丁洁净室展出（见左图）。火星探测任务的降落伞测试（见右图）在加州莫非特基地的美国宇航局艾姆斯研究中心完成

●5枚探测器将在2016年飞向火星这颗红色星球。然而，美国宇航局（NASA）在确定没有足够时间修复和全面测试探测器上的地震仪的真空密封后，宣布取消原定于2016年3月的“洞察”号（InSight）发射。火星探测任务的下一个有利的发射窗口期将在2018年。

当“海盗1号”和“海盗2号”登陆器（twin Viking landers）于1976年登陆火星时，每个登陆器都携带了一个地震仪，但是，传感器在行星振动方面几乎没有测量到数据。其中一个地震仪没能张开，另一个地震仪（像它的同伴一样爬上登陆器的甲板）捕捉到的大部分都是风。

40年后，美国宇航局的“洞察”号（InSight）火星登陆探测器准备对火星进行第二次地震研究。当本期IEEE Spectrum出版时，“洞察”号研究团队仍在努力修复探测器的地震仪部件出现的问题，其目标是维持原定于2016年3月在加州范登堡空军基地发射的时间表。如果一切按计划进行，“洞察”号将于2016年9月抵达火星表面，将在那里使用地震仪测量火星缓慢变冷和收缩时产生的震动、流星体相撞产生的振动以及其他来源的运动。研究者希望利用声波建立火星内部的图像，就像用声波图产生的信号对人体进行成像一样。

为了节省努力和成本，“洞察”号借鉴了美国宇航局的太阳能驱动的“凤凰”号登陆器（Phoenix lander）的很多设计，“凤凰”号于2008年抵达火星。美国宇航局喷气推进实验室（JPL，位于加州帕萨迪纳）的行星地质学家、“洞察”号项目首席研究员布鲁斯·班纳特（Bruce Banerdt）说道，正在由美国承包商洛克希德·马丁公司制造的“洞察”号，具有很强的国际色彩，法国、德国等国家投入约一亿美元用于科学实验。美国在2010年出资4.25亿美元，包括了探测器及其在火星表面运行两年的成本（发射费用另计）。

法国航天局（CNES）主导了“洞察”号地震仪的研制，若干其他国家的研究机构也做出了贡献。领导“洞察”号有效载荷研制工作的巴黎地球物理研究所的菲利普·洛尼奥内（Philippe Lognonné）说道，“洞察”号地震仪的灵敏度是“海盗”号登陆器携带的地震装置的1 000倍，在某些频率范围内的灵敏度甚至更大，。研制的传感器具有极强的耐受性，能够在至少两个地球年的时间里经受住火星表面温度的剧烈变化。

登陆火星后，“洞察”号将用其机械臂把地震仪从探测器甲板上移出来，放置在地面上，而后在上面罩上一个铝质圆顶保护罩，以降低风和温度变化对地震仪采集数据的影响。机械臂还将放置由德国宇航中心提供的热量探测器，测量火星内部的热量损失。“洞察”号将测量火星内部温度，用一个机电锤每次把热量探测器向地下钻入1毫米左右，直到最终钻入地下深达5米。这个过程将会周期性停顿以进行测量，预计需要数周时间。第三个实验将留在探测器上进行，测量探测器和地球之间互相发出的无线电信号的变化，从而跟踪火星旋转轴的缓慢摆动，这种摆动受到火星内部结构的影响。

探测火星内部结构

“洞察”号借鉴了美国宇航局2008年发射的“凤凰”号火星登陆器的很多设计，包括一个用于把实验仪器放置到火星表面上的机械臂。

1.HP3由德国宇航中心提供的热量流及物理特性研究装置（HP3），将用于研究热量如何从火星内部消失。该装置将钻入地下深达5米，周期性停顿以进行测量，它背后拖拽的系链带有温度传感器。

2.RISE由美国宇航局喷气推进实验室领导的火星旋转及内部结构实验（RISE），将使用“洞察”号的X波段无线电设备向地球发出信号。这些无线电信号的变化将用于定位登陆器的位置，精度达到厘米级别，登陆器的位置将用于跟踪火星旋转轴的摆动。

3.SEIS“洞察”号的火星内部结构地震实验装置（SEIS）由法国航天局研制，包含了用摆式和弹簧式传感器或微型机电设备制成的多个地震仪。该实验装置包含一个真空球，真空球将放置在地面上，用一个屏蔽罩盖上，从而使风吹过和温度变化产生的信号最小化。

班纳特说道，现代的地球内部地震研究依赖于很多分布式传感器，研究者最初以为对火星内部的研究也需要部署一个分散于火星周围的传感器网络。但是他和他的同事最终得出的结论是：利用现代信号分析技术，他们能够用设置在一个地点的地震仪获得关于火星内部构造的有用信息，这种研究方法的成本要低很多。

班纳特说，这种研究方法的诀窍在于单个震动会同时产生双向环绕火星的多个信号，从这些信号的到达时间能推断出震动源的位置以及震动传播的速度。这些信息将帮助行星科学家改善对火星壳厚度和火星幔成分的估计。探测器的无线电实验的测量数据（这些测量数据将添加到之前的火星登陆器收集的大量数据中）将细化火星内核的图像。

班纳特说，“洞察”号的探测结果将不仅说明火星内部结构，而且帮助科学家理解：一般的岩质行星在最初数千万年如何形成和演化。班纳特说：“我们实际上提议这个项目不只是火星探测任务，更是太阳系探测任务，我们正在努力了解行星是如何形成的，以及为什么金星、地球和火星会如此不同。”

比较行星学

地球的板块运动形成了高山和海洋，相比之下，火星则安静得出奇。比利时皇家天文台的韦罗妮克·德昂特（Véronique Dehant）解释道，行星科学家期待在这颗红色星球上测到的震动，是由火星的缓慢收缩和火星表面重岩层的压力导致的。

不止如此，火星和地球之间还存在更大的不同：地球的液态内核的铁循环产生了全球的磁场，保护着大气层；火星似乎一度也曾有过这样一个磁场，但在数十亿年前消失了。

尽管这个磁场消失了，但从火星如何受太阳的潮汐引力而伸展以及火星自转而收集的数据表明：火星内核依然至少部分是液态的。德昂特说，在火星历史上的某个时期，火星内核变得太冷而无法通过对流形成循环。现在科学家认为：火星内核通过效率较低的热传导过程损失热量。德昂特（她是“洞察”号无线电频率实验装置RISE的联合研究员）说：“火星内核的液体状态仍然需要进一步证实。”她补充道，“洞察”号能把火星内核直径的不确定性减少10倍，这将有助于确定火星内核的特性。

火星是关于早期太阳系的很好窗口，几乎是另一个地球，虽然比地球小，但经历了和地球在大约45亿年前形成时相似的温度和压力。地质过程已经抹掉了早期地球样貌的很多证据，但火星大致保持了不活跃的特征，所以其早期状态得到了保留。

2016年里，可能将有多达12枚火星探测器在运行。“洞察”号是能在2016年抵达这颗红色星球的5枚探测器之一。运载“洞察”号的火箭同时还将发射两颗立方卫星（CubeSats），承担代号为“火星立方一号”（Mars Cube One）的任务，在“洞察”号进入、降落和着陆期间协助传递信号。这两颗卫星收起时差不多是公文包那么大，将是发射到地球轨道之外的首颗立方卫星。

欧洲空间局和俄罗斯将发射两枚火星生命探测器（ExoMars），第一枚同样把发射日期定在了2016年3月。它将发射微量气体轨道器（Trace Gas Orbiter），寻找火星大气层中的气体的光谱特征，比如甲烷，这些气体可能有生物学或地质学的来源。该任务还将运载“斯基亚帕雷利”（Schiaparelli）航天器，用于测试登陆技术。它将为计划于2018年发射的ExoMars漫游车铺平道路。

[资料来源：IEEE Spectrum][责任编辑：岳峰]