文/龐之浩：著名航天專家
經過逾6個月的飛行，美國洞察號火星探測器終於在北京時間2018年11月27日03:56在火星安全著陸。洞察號是2018年5月5日由宇宙神5號火箭發射升空的。這是美國首次從西海岸的范登堡空軍基由西向東發射太空探測器，原因是宇宙神5號的推力足夠大，發射窗也更為適宜。
整個任務分為發射、巡航、進入下降和著陸（EDL）、表面操作等四個階段。它是第一個探測火星深層的航天器，將通過傾聽火星地震和測量它的熱量輸出來研究火星的內部結構，揭示岩質行星的形成，填補火星地球物理空白，更好地了解其他岩石行星（包括地球）是如何誕生的。
1、探測火星不容易
至今，人類已發射了40多個火星探測器，成功率約50%，所以火星被稱為“探測器墳場”或“死亡星球”。其主要原因是火星距地球遙遠，探測器要飛幾億千米才能到達火星，所以對軌道、控制、通信和電源等技術都提出了很高要求。
例如，探測器進入火星軌道的難度被比喻為從巴黎打一個高爾夫球，正好落到東京的某個球洞裡。這是由於通信延時很長，所有數據都要提前注入。在探測器切入火星軌道過程中，如果切入點離火星過遠，則不能被火星的引力捕獲而掠過火星；如果切入點離火星太近，則可能墜毀於火星大氣層。
火星環境複雜、惡劣也是造成火星探測器經常“陣亡”的主要原因。火星大氣密度只有地球大氣密度的1%，因而異塵餘生嚴重。火星上的沙塵暴也很大，有時是地球上12級台風的6倍，時間可達半年，今年機遇號就是因沙塵暴而“犧牲”（最新消息：還有可能復活）。
2、在火星著陸更難
探測器在火星表面著陸的難度更大。因為在探測器進入火星大氣時離地球很遠，遙測和遙控信號比較微弱；另外，當探測器運動到火星背面時，地球上無法準確地確定其軌道參數，這就給再入高度的選擇帶來困難。
進入火星大氣層後，探測器防熱措施如何？降落傘、氣囊和緩衝火箭能否按程式工作，都至關重要，必須非常精確，整個過程要經歷所謂的“恐怖7分鐘”。一名美國科學家曾形容火星探測器著陸時的心情，就好像丈夫在產房外等待妻子分娩一樣。所以，探測器在火星著陸的技術十分複雜，每個環節都不能有閃失。許多探測器都因此功虧一簣。
例如，1999年9月23日，美國“火星氣候軌道器”在即將進入預定軌道前燒毀後，原因是在軌道切入操作中，由於英製和公製部門的混淆而造成導航誤差，使其飛離火星太近而燒毀。
2016年10月20，歐洲“火星生物學-2016”中的“夏帕雷利”進入、降落和著陸演示器在著陸前與地面失去了聯繫，原因由一個僅一秒的計算失誤所致，提前將降落傘與防熱罩分離，導致“夏帕雷利”硬著陸而撞毀。
3、三種方式如何選
目前，探測器在火星軟著陸方式主要有三種，每種方案都各有優缺點。
一是氣囊彈跳式。這種方式比較簡單，成本低，但只能滿足重量小的探測器軟著陸要求，且著陸精度不高。美國“火星探路者”、“火星漫遊者”（勇氣號和機遇號火星車）都採用降落傘＋氣囊彈跳方式。
二是反推著陸腿式。這種方式複雜一些，成本高，可滿足重量較大的探測器軟著陸要求，著陸精度較高。美國海盜號、鳳凰號、洞察號和歐洲的獵兔犬2號、“夏帕雷利”都採用降落傘＋緩衝發動機反推＋著陸腿方式。
三是空中起重機式。這種方式最為複雜，成本最高，技術最先進，可滿足重量更大的探測器軟著陸要求，能精確著陸。美國“火星科學實驗室”採用降落傘＋緩衝發動機反推＋空中起重機方式。
為了載人登火星，美國還在研製“低密度超聲速減速器”(LDSD)。它可用於大型航天器在火星著陸登，也能為大型載荷安全返回地球提供保障的突破性技術,但十分複雜,試驗多次失敗，所以還需要走較長的路。
4、洞察號採用反推式
洞察號與之前在火星北極著陸的鳳凰號的著陸方式一樣，採用反推著陸腿式，具體過程如下。
E－6.3分鐘，開始執行進入程式（E代表進入大氣層時刻）；
E－0.5分鐘，完成進入姿態調整；
E－0秒，高度128千米，速度5.9千米/秒，進入角α=－12°；
E＋99秒，最大受熱點，高度44.2千米；
E＋117秒，最大減速度7.9g；
E＋223秒，張開降落傘，高度12千米，速度415米/秒；
E＋238秒，拋防熱屏蔽殼，高度10.3千米，速度132米/秒；
E＋300秒，雷達開始工作，高度5.5千米；
L－43秒，著陸器與鍾形罩分離，高度1.1千米，速度61米/秒（L表示著陸時刻）；
L－40秒，重力調整，高度0.9千米；
L－16秒，恆速下降，高度51米，速度7.8米/秒；
L＋0秒~L＋15分鐘，等待降塵；
L＋7秒，各種展開用火工品開始點火；
L＋25分鐘，太陽電池翼展開。
5、著陸在極樂淨土
洞察號在升空後飛行4.85億千米，於2018年11月26日在火星北半球赤道附近的埃律西昂平原（Elysium Planitia）著陸，這是傳說中的極樂淨土。
埃律西昂平原位於火星赤道附近（北緯3.0°，東經154.7°），是一片平坦的熔岩平原，著陸場是位於平原的西邊緣長130千米、寬27千米的橢圓區域。在著陸安全性、熱控、光照、測控通信等方面具有較為有利的條件和較強的工程可實現性。它靠近火星的赤道，陽光充足，這對採用太陽能電源的洞察號有利；其海拔較低、地勢平坦，這對著陸來講相對安全。
其著陸點的選址花了4年時間。由於洞察號是研究火星內部的結構，因此需要選擇“表皮”比較薄的地方。二是洞察號是原位式探測器，因此著陸點必須平坦。三是為了鑽開火星地表淺層往下埋放探針，因此還要找個平坦鬆軟的地方。四是著陸點要足夠明亮和溫暖，為探測器提供充分的太陽能。
為了使洞察號能夠獲得足夠的太陽能，剛開始著陸點選在南緯15°~北緯5°，後來縮小到北緯3~5°，具體著落坐標點為：北緯4.5°、東經135.0°。因為這裡地勢平坦，沒有溝壑，陽光充足，能為太陽能電池板充電。另外，該著陸點離好奇號火星車600千米，並且能跟目前運行的幾個火星軌道器通信。為了在著陸過程中有足夠厚的大氣層來保證降落傘的緩衝需要，著陸點要低於火星大地水準面以下2.5千米，地形坡度要小於15°，石頭不能太多，風化層較鬆軟，方便著陸和鑽5米深的孔。
6、由三大部分組成
洞察號器主要包含巡航級，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。
其重量為360千克，最大寬度約6米，有兩塊能像紙扇一樣展開的圓形太陽能電池板提供電源，各太陽電池板直徑為2.2米，攜帶了更先進的科學探測儀器。
著陸後，洞察號展開為期2年的原位勘測，首次探索火星深處的內部。在此之前人類總計開展的47次火星探測都是研究火星全球、地表、大氣和磁場等。執行任務期間，洞察號將總共發回超過30GB的數據。
由於洞察號可探尋太陽系內除地球外的岩石星球內部構造，所以可為是否在其上建造永久建築物提供參考；還能幫助科學家拚湊40多億年前陸地世界的形成過程；也可了解火星內部溫度資訊，研究火星氣象，揭示太陽風、宇宙射線和帶電粒子如何通過大氣傳播衝擊火星表面。其獲得的所有資訊對未來人類登陸火星具有重要參考價值。
7、將聆聽火星之音
洞察號像一台科學的時間機器，為火星做CT，能帶回關於45億年前火星形成的最早階段的資訊。它將通過觀測火星地震來研究火星的地殼、地幔和地核結構，獲得火星構造和太陽系中其他岩石星球的研究數據，了解多岩石天體是如何形成的，包括地球，月球，甚至其他太陽系中的行星，將幫助科學家們理解火星在億萬年間的變化，即通過火星了解太陽系中包括地球在內的類地行星的起源與演化過程。
它有兩大科學任務：一是通過探測火星內部地震活動的規模、頻率和地理分布以及隕石撞擊火星表面的頻率，來確定目前火星地質構造活動的級別以及隕石撞擊火星的頻率；二是通過調查火星內部結構和活動過程，研究類地行星的形成和演化過程，它包括確定火星內部的熱狀態、火星地幔的成分和結構、火星地殼的厚度和結構以及火星地核的尺寸、成分和物理狀態（液體/固體）。
8、六個具體調查項目
為了窺視火星內部深層結構的奧秘，美國航空航天局為洞察號設定了6個具體調查項目：確定火星地核的大小、組成和物理狀態；確定火星地殼的厚度和結構；確定火星地幔的組成和結構；確定火星內部的熱態；測量火星內部地震活動的幅度、速率和地理分布；測量火星表面的隕石撞擊率。
與其“前輩”不同的是，洞察號的考察不再“浮於表面”，而要探測火星內部，獲得火星地質和內部結構方面的全新數據，提高很多火星參數的精度，並且研究內太陽系所有岩態行星演化的過程。
其探頭將鑽入火星地下5米深處進行考察，測量溫度和重力波動等，幫助科學家弄清火星的內核究竟是由液體還是固體構成的，由此研究火星及其他行星的構造及演化。它還將探測紅色星球的旋轉、地核厚度、地殼地幔結構、內部熱能、構造運動、地震活動以及隕石對火星的撞擊等多種情況。
通過人類近50年的火星探測，現已對於火星的氣候環境、表面物質、地形地貌、地質結構等有了比較全面的了解。為此，火星探測已由環繞全面普查朝著陸和巡視區域詳查的方向發展，從探測火星環境向在火星上找水乃至生命的方向發展。
9、更注重科學探究
洞察號任務的特點是偏重科學研究，瞄準岩質行星形成過程；首次探測火星內部，深度研究火星內部活動。
它是一個純火星地球物理探測器，主要目標是了解火星的內部結構，研究火星形成過程的早期發展歷史。科學家將用它解決行星和太陽系科學眾多基本問題之一，也就是40多億年以前內太陽系岩態行星（包括地球在內）的形成過程。
由於洞察號將能探測火星地核、地幔和地殼的尺寸、厚度、密度和整體結構，以及熱量從火星內部逃離的速度，所以可研究內太陽系的所有岩質行星演化過程，提高對這一過程的理解。
以美國為主研製洞察號火星著陸器其實是一項國際合作項目。其中洞察號的管理、平台、組裝、發射和運行以及部分科學探測儀器等由美國航空航天局的噴氣推進實驗室和洛馬公司（研製巡航級和著陸器）等負責。
洞察號著陸器的3個主要科學載荷是法國的“內部結構地震實驗儀”（SEIS，以下簡稱地震儀或火震儀）、德國的“熱流和物理特性模塊”（HP3，以下簡稱熱流探頭）和美國的“旋轉和內部結構實驗”（RISE）天線。
10、探測火星的地震
地震儀是洞察號上最主要的科學探測儀器，由法國國家太空研究中心研製。該儀器的核心是裝在鈦合金球形真空容器內的3個高精度寬頻帶地震傳感器，非常靈敏，能測量不到1/4氫原子直徑（1-10米）的地面運動，記錄火震或者隕石碰撞，精確掌握火震和其他火星內部活動，研究火星地殼和地幔對隕石撞擊影響的響應，為了解行星的內部結構提供線索。因此，技術難度很大。
洞察號首席科學家布魯斯?班納特（BruceBanerdt）說，地震學揭示了地球數十億年來的地質運動歷史，作為岩石星球，火星也一定保存著其誕生時期的早期歷史痕跡。“就像毛毛蟲一定會變成蝴蝶，我們希望利用地震學了解整個行星是如何形成的。”
地震儀用於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。它就像拍快照的相機一樣，能拍下星球內部的影像，相當於給行星做CT掃描。火星上岩石開裂或發生相對移動時，產生的地震波會在整個星球內回蕩。這些地震波的傳播速度取決於它們的傳播過程中通過的介質性質，因此速度會產生差異。地震儀可以檢測這些地震波的強度、頻率和傳播速度，獲知地震波所穿過的地質介質的資訊。
火星上每發生一次地震，洞察號就可對火星內部拍一張快照。在洞察號執行任務期間，它可以記錄數十至數百次地震。火星的大氣層稀薄，時常有小隕石穿過火星大氣落在火星地表上，帶來震動，這也會被地震儀記錄。不過，這次只能在洞察號的著陸地點來測量火星地震，而不能像在地球上設定多個台站進行測量。
其實，早在美國“阿波羅”載人登月時，航天員就在月球上放置過4台地震儀。在20世紀70年代末，美國海盜號火星著陸器也曾攜帶了地震儀，但這些地震儀沒有接觸火星表面，因為它們被裝在著陸器頂部，且著陸器底部有減震器，所以沒能有效記錄到火星的地震資訊。
11、將為火星量體溫
熱流探頭是自穿透熱流探針，用於把溫度傳感器打入風化層內，由德國航空航天中心研製，探測至地表下5米來自火星地核的熱量，並幫助揭露火星的熱歷史。它要比以前火星車上的小鏟子等工具厲害得多，能夠深入火星地表以下更深處，測量火星內部的能量。
“旋轉和內部結構實驗”（RISE）天線好比是一個小榔頭測試火星的“膝跳反應”。它使利用探測器通信系統對行星旋轉進行精確測量，即通過火星與地球之間的無線電傳輸來評估火星繞軸自轉產生的擾動,從而更好的了解火星內部，為研究火星內核大小提供線索。
其上的風和大氣溫度傳感器（TWINS）及高分辨率壓力傳感器由西班牙天體生物學中心研製，用於對著陸地點的氣象進行監控，有助於科學家們排除火星氣象環境對測量帶來的擾動。所以，這次洞察號將允許科學家排除由氣象引起的震動“噪音”，並綜合這些真實數據，提供出最全面的地質“快照”。
12、機械臂用途廣泛
洞察號的儀器部署機械臂（IDA）長2.4米，用於選擇適合位置，部署地震儀和熱流探頭。在火星著陸後，洞察號用機械臂將地震儀和熱流探頭部署在火星表面上。這2台儀器分別測量微小的地面運動和監測火星內部熱活動。
它將用相機和一系列環境敏感器監測火星氣象和磁場變化。其上的儀器部署機械臂末端的挖鬥機（CRAPPLE）用於抓住儀器。其儀器部署相機（IDC）是能指向的中分辨率相機，用於捕獲著陸器甲板上儀器的黑白影像，並得到放置地震儀和熱流探針的3D視圖，可幫助有關專家引導儀器在火星表面部署。其儀器背景相機（ICC）是固定廣角相機，用於擴大著陸器著陸區域的視野，預計第一張照片將在著陸後1小時內就可以拍攝，並在當天傳回地球。
攜帶的磁強計用於測量由火星電離層造成的磁場干擾。電磁測深儀用於采集地殼厚度、地下水和地幔岩石圈的數據。
科學家將通過這些先進的儀器探測到火星的各種“生命跡象”：通過地震儀探測它的“脈搏”，通過熱流探頭測量它的“體溫”，通過“旋轉和內部結構實驗”天線觀察它的“條件反射”。這些“生命跡象”，既是火星億萬年的成長記錄，也是揭開太陽系內類地行星演化之謎的鑰匙。結合上述各種來源的資訊，科學家有望獲得迄今最完整的火星全貌。研究人員將這種對火星“脈搏”、溫度等情況的精準把握，稱為對火星“45億年來的第一次體檢”。
13、大眾名字上火星
在登陸火星的同時，洞察號會攜帶兩個帶有公眾名字的微型芯片一同踏上火星的土地，以此激發公眾對於火星探測的興趣。從2015年開始，美國航空航天局就通過官網，讓公眾將自己的名字發送給洞察號的芯片，這些包含公眾名字的資訊保存在芯片上，將與洞察號一起前往火星，開啟一場虛擬的火星之旅。在2015年8月，就有近82.7萬人將自己的名字寫在了洞察號的芯片上，但由於洞察號因故障推遲發射，所以收集的名字越來越多。
為此，在2017年，美國航空航天局在洞察號上又新增了一枚微型芯片，以便公眾將自己的名字上傳。洞察號火星之旅的姓名收集活動於2017年11月1日截止，全球總共有240多萬人的名字被刻在芯片上，其中美國人的名字有65.3萬多，中國人的名字有26萬多人（包括張國榮），俄羅斯人的名字有6.35萬人。赤道幾內亞人的名字最少，只有7人。這些名字的每個字母寬度僅為400納米（人體頭髮的寬度有10萬納米），佔用的體積極小，所以能夠攜帶的數量很多。
14、探火首用立方星
其實，洞察號是與2顆名叫火星立方1號（Mars Cube One，MarCO）的6U立方體衛星一起飛往火星。這是立方體衛星首次用於執行深空探測任務，目的是看看立方體衛星能否在太空惡劣條件下幸存，在到達目的地後仍能執行任務。
它們功能相同、互為備份，尺寸均為30厘米×20厘米×10厘米，由美國噴氣推進實驗室研製，用於在洞察號進入、下降和著陸火星時，展開它們的高增益天線為洞察號著陸器提供通信中繼服務。如果成功，將開啟立方體衛星在太空探測領域的應用，尤其是火星探測器在大氣進入和下降階段時可依靠這2顆立方體衛星進行中繼通信。在太空探測領域應用成熟的立方體衛星技術，可以縮短研製周期，降低研製低成本。
這對公文包大小的立方體衛星這次主要用於技術驗證，今後也可協助載人深空探索。它們必須在洞察號向火星表面降落的過程中，在距離火星表面約3500千米處飛越火星，並使用一種名叫“反射陣列”的平面天線來把洞察號的數據傳送回地球上的深空網。
如果沒有這兩顆立方體衛星，洞察號的數據需通過美國“火星勘測軌道器”進行中繼傳回地球。由於“火星勘測軌道器”同時接收和發射資訊的能力有限，因而會產生一個多小時的延遲。
不過，火星立方1號隻裝有太陽能電池板和高增益天線，本身不能獲取火星的科學數據。其太陽能電池板尺寸為30厘米×30厘米，可產生35~17瓦的電力，具體取決於它們與太陽的距離。
如果火星立方1號能與洞察號一起接近火星，它們不會進入火星軌道，而是飛越火星，並把洞察號的數據以8千比特/秒的速度回傳到地球。
結語
火星是離地球最近的類地行星，具備了生命存在的必要條件，並有可能成為人類未來移民的理想星球。為此，包括我國在內的許多國家等已將火星作為未來太空探索藍圖的新目的地，都在穩步推進火星探測活動。世界火星探測正掀起新的高潮。總的來講，探測火星的方式與探測月球的方式相似，也是“繞、著、巡、回”，最終實現載人登陸火星的目標。
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