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洞察號火星探測器

火星无人着陆探测器

洞察號（英語：InSight）是一顆用於研究火星行星內部結構的火星無人着陸探測器。着陸器由洛歇馬丁公司製造。洞察號名字來自其全名「運用地震調查、測地學與熱傳導對火星內部進行探測」（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，縮寫簡稱InSight）的首字母縮寫。[10] 洞察號的任務是將一個裝載有地震儀及熱流偵測器的固定式登陸載具發射到火星表面，這個固定式登陸器SEIS是由法國國家太空研究中心（CNES）生產，並利用德國航空太空中心（DLR）製造的HP3熱傳感探頭來測量火星地質結構的導熱，以此研究火星的地質演化。這可以帶來對太陽系類地行星的新認識。為了降低洞察號的成本和風險，洞察號將使用與2008年登陸火星的鳳凰號相同的設計和技術。

洞察號
InSight

微型衛星MarCO（上）與洞察號登陸器（下）
任務類型火星登陸探測器
營運方NASA · JPL
國際衛星標識符2018-042A
衛星目錄序號43457
網站mars.nasa.gov/insight/
任務時長預定709個火星日（約728日）
實際共運作1440個火星日
（4年零18日 / 1480日）
太空船屬性
製造方洛歇·馬丁
發射質量694公斤（1,530磅）[1]
着陸質量358公斤（789磅）[1]
尺寸長6.0米，寬1.56米，高1.0米（完全展開時）[2]
功率600 瓦
太陽能 / 鋰離子電池[1]
任務開始
發射日期2018年5月5日
11時5分 UTC[3][4]
運載火箭擎天神5號運載火箭 401型[5]
發射場范登堡空軍基地 SLC-3E（英語：Vandenberg AFB Space Launch Complex 3）[5]
承包方ULA
任務結束
公告日期2022年12月21日
最後通訊2022年12月15日
火星著陸器
着陸日期2018年11月26日
19時52分59秒 UTC[6]
着陸點埃律西昂平原[7][8]
4°30′N 135°00′E / 4.5°N 135.0°E / 4.5; 135.0 (InSight landing site)
飛掠火星
太空船組件MarCO
最接近2018年11月26日
19時52分59秒 UTC[6]
距離3500公里[9]
← GRAIL
露西號 →

洞察號最初計劃於2016年3月發射。[11][12]然而，在發射前SEIS儀器發生故障失效，發射窗口也存在着問題，洞察號被送回位於科羅拉多州丹佛市的洛歇馬丁公司工廠進行調整。之後，NASA官方決定將額外花費約1.5億美元對洞察號進行調整，洞察號的成本將從之前的6.75億美元增加到8.3億美元，[13][14]並於2018年5月5日11:05在美國加州中部的范登堡空軍基地成功發射。[15][16] 在2018年11月26日19:52:59，[17]洞察號經過近3億哩（4.58億公里）的旅程，[3][18]成功降落在火星表面的埃律西昂平原上，它將部署地震計與熱挖掘探頭，並展開無線電科學實驗裝置，以補充對火星內部結構的研究。[19]該任務由NASA的噴射推進實驗室進行管理。

歷史

 
在2015年將後蓋和表面着陸器連接的洞察號

該項目一開始被稱為火星物理監測站（Geophysical Monitoring Station，縮寫簡稱GEMS），但應NASA要求在2012年更改為現名。[20] 在2010年的28個提案當中，[21]它是於2011年5月被發現計劃選中的3個提案之一，每個被選中的提案都獲得3百萬美元經費進行詳細的概念研究。[22]2012年8月，洞察號脫穎而出成為最終被選中的提案進行開發。[11]此任務由噴射推進實驗室(JPL)管理，有多國科學家參與，而不包括發射火箭載具在內的經費限制在4.25億美元以內。[23]

洛歇馬丁公司於2014年5月19日開始建造着陸器，[24]並於2015年5月27日開始對着陸器進行測試。[25]

而由法國國家太空研究中心（CNES）供應的被稱為火星內部結構地震實驗儀（英語：Seismic Experiment for Interior Structure）（SEIS）的持續真空泄漏導致NASA宣佈推遲洞察號發射計劃。此後，NASA的噴射推進實驗室接管了SEIS真空容器的開發，而CNES則負責處理儀器集成和測試。洞察號被推遲後，其餘的部件全部被送回位於科羅拉多州的洛歇馬丁公司工廠，而用於發射該太空船的擎天神五號運載火箭則被分配到地球觀測衛星WorldView-4（英語：WorldView-4）的任務中。[26]

之後，NASA官方於2016年3月9日宣佈，將額外花費約1.5億美元對洞察號進行調整，[4][27]洞察號的成本將從之前的6.75億美元增加到8.3億美元，並預計於2018年5月發射，於11月26日進行火星着陸。而飛航計畫保持不變，繼續使用加州范登堡空軍基地的擎天神五號運載火箭進行發射。[4][27]NASA的噴射推進實驗室的任務是為SEIS儀器重新設計並建造一個新的真空外殼，同時交由CNES進行儀器集成和測試。[28][29]

2017年11月22日，洞察號完成了被稱為TVAC測試的熱真空測試，太空船在模擬空間條件下已經可以承受減壓和各種熱負荷。[30]2018年1月23日，經過長期存放後，再次對洞察號的太陽能電池板進行了部署和測試，含有公眾名字的矽晶片也被添加到着陸器中。[31]

2018年2月28日，洞察號通過C-17貨機從丹佛的洛歇馬丁太空系統公司運送到加利福尼亞州范登堡空軍基地，並準備與運載火箭進行整合。[32]2018年5月5日，洞察號發射，並於2018年11月26日19:54抵達火星表面。

任務階段

 
 
洞察號的背景攝像機（上）和儀器部署攝像機（下）傳來的首張火星表面照片。上圖中的黑點是洞察號着陸時揚起的塵土

2018年11月26日，NASA表示洞察號着陸器已成功降落在火星上，並接收到着陸圖像。該圖像展示的是遠處的火星地平線，由於拍攝時半透明的防塵蓋尚未去除，因此可以看到沾滿塵埃的鏡頭畫面。在未來幾天內，該防塵蓋將連同另一架相機的防塵蓋一同取下。

五小時後，在美國東部時間晚上8:30，NASA的火星奧德賽號軌道飛行器傳來了中繼信號，表明洞察號的太陽能電池板已成功展開並正在發電。奧德賽號還傳回了一組顯示洞察號周圍着陸點的圖像。[33]之後洞察號將進行立體拍攝，以創建3D圖像，允許洞察號找到放置熱探測器和地震計的最佳位置。在未來幾周內，洞察號將持續監測着陸點周圍的天氣和溫度狀況。[34]

洞察號的氣象套件（TWINS）和磁力計可進行遠程操作，但在着陸後十周內並不會啟用，而且任務還將需要三個月來部署和調試科學儀器。[34][35]

2019年4月6日，洞察號上的地震實驗儀（SEIS）探測到火星的地震，為人類首次。[36][37]

2021年1月9日，NASA團隊宣佈，由於遇到土質問題導致「熱傳感物理特性箱」的鑽頭挖掘打滑而無法繼續鑽探至所需深度，宣佈該科學探測組件任務失敗。[38][39][40]

由於火星上的沙塵逐漸覆蓋洞察號的太陽能發電板，導致電力輸出下降，存儲電量也逐步耗盡，在連續兩次和其進行聯繫失敗後，NASA宣佈洞察號因為電力耗盡於2022年12月21日結束任務。[41][42]

目標

 
地球、火星和月球內部結構的模擬圖
 
洞察號運作中的想像圖

洞察號的主要目標是研究火星 洞察號在火星上放置了一個固定的着陸器，用來研究其深層內部地質結構，以此探究內太陽系類地行星在40多億年前的形成過程和演變歷史。[43]通過探究火星核心、地幔和地殼的大小、厚度、密度和整體結構，以及行星內部熱量逸散的速度，洞察號將帶我們簡易了解內太陽系類地行星的演變過程。[44][43]類地行星有着類似的形成方式，開始於一個叫吸積的過程。隨着原行星尺寸的增加，它的內部受到壓力變熱，並逐漸發展成為一個包含核心、地幔和地殼的陸地行星。[45]儘管這些類地行星有着類似的形成方式，但每個陸地行星後來的分化過程我們卻知之甚少。洞察號的任務是通過測量火星內部構成，了解火星演化並與地球對比，進而探究類地行星演化的異同點。[45]

洞察號在執行任務期間將探測火星的地震活動，測量來自內部熱量的熱流率，以此估計火星核心的大小以及核心是液體還是固體，[46]這都將是人類首次獲取這類數據。[47]在火星上洞察號預計每年將探測到10-200個流星爆炸氣流，這些氣流將提供額外的地震聲信號，以此進一步探測火星內部。[48]洞察號次要目標是深入研究地質物理學，並分析火星上的構造活動和隕石對火星的撞擊影響，從而了解地球上同樣過程的影響。洞察號採集的數據同現有數據相比，其地殼厚度，地幔粘度，岩心半徑和密度以及地震活動精確度都將提升3倍至10倍。[47]

就行星形成過程而言，火星是最適合的，同衛星相比，火星足夠大，足以經歷類地行星的早期吸積和內部加熱階段，但同其他類地行星相比也足夠小，可以最大限度地保留這些過程的跡象。[43]

登陸後，洞察號將需要三個月的時間來部署科學儀器。[35]之後它將開始觀察火星的任務，預計將持續兩年。[10]

設計

 
尚在無塵室內進行太陽能板調整的洞察號。2015年攝於洛歇·馬丁太空系統部門丹佛總部

洞察號登陸載具的設計將基於鳳凰號。[49]其電源來自太陽能電池板，並且將降落於接近赤道處，以實現最大功率，使壽命預期可達2年（一個火星年）。[10]隨洞察號發射的，還有兩個微型迷你衛星（MARCO），它們將作為洞察號的通訊中轉站。[50]

規格：

質量
  • 總計: 694公斤（1,530磅）[1]
    • 着陸器：358公斤（789磅）[1]
    • 減速傘：189公斤（417磅）[1]
    • 巡航平台：79公斤（174磅）[1]
    • 推進劑和加壓劑：67公斤（148磅）[1]
    • MARCO迷你衛星：每個13.5公斤（30磅）[1]
外形尺寸
太陽能電池板展開後寬約6.0米（19.7呎）。蓋板寬約1.56米（5.1呎），高0.83至1.08米（2.7至3.5呎）（由於着陸器支架可以壓縮大小可隨時變化）。[1]機械臂長度為2.4米（7.9呎）。[1]
供電
電力來源於兩個圓形太陽能電池板，每個直徑為2.15米（7.1呎），是由被諾斯洛普·格魯門收購的軌道阿連特公司所生產的多結光伏電池組成，電池採用超柔性材料，主要成分為磷化銦鎵/砷化銦鎵/鍺。在火星表面着陸後，電池板會像摺扇一樣展開。[51][52]

設備

 
洞察號着陸器的標記儀器
 
正在用於測試的洞察號儀器展開臂

洞察號裝備總重量為50公斤，包括科學儀器和輔助系統，如輔助傳感器套件，攝像機，儀器部署系統和激光反射器。[1]有效科學儀器主要有兩個，內部結構地震實驗儀（SEIS）和熱傳感物理特性箱（HP3）：

SEIS儀器還裝備了一套氣象工具，用來探測影響實驗的大氣擾動。這些工具包括：
1.由加州大學洛杉磯分校提供的向量磁力計，它將測量由火星電離層或太陽風引起的磁場干擾；
2.由西班牙和芬蘭研究的探測車環境監測站，包含氣溫、風速和風向傳感器;
3.由JPL提供的氣壓計。[60][61]
  • 熱傳感物理特性箱（HP 3）是由德國航空太空中心（DLR）提供的一種自穿透熱傳感探頭。[59][49][62][63]它也被稱為「自錘釘子」，綽號為「鼴鼠」，它預計將在火星地表下5米（16呎）處挖洞，同時在其尾部帶有嵌入式熱傳感器，可測量熱量流經火星核心的速率，從而揭示有關行星內部演變的資訊。[59][49][62][63]它包含精確的溫度傳感器，每隔10厘米（3.9吋）就對地下的溫度分佈進行一次測量。[59][64]尾部的拖拽裝置是由波蘭Astronika公司提供。[65]
  • 自轉和內部結構實驗儀（RISE）是由噴射推進實驗室（JPL）領導的一項無線電科學實驗裝置，它將通過着陸器發射的X帶微波無線電進行分析，從而提供精確的火星自轉測量，以便更好地了解火星內部。[66]根據之前的海盜號和探路者號數據的基礎，[59]洞察號X帶微波無線電跟蹤的結果精度誤差將被控制在2厘米以內，此外，在洞察號進一步探測後，火星章動的振幅也可以被確定。[59]一旦更準確地確定自轉旋轉軸方向、進動和章動振幅，就可以計算出火星核心和地幔的大小和密度，[59]從而對類地行星的形成有着更為清楚的理解。[59]
  • 天氣和環境感應器（TWINS）是由西班牙國家研究委員製造的，它將對着陸點周圍的天氣、溫度和風速風向進行監測。[47][60]
 
洞察號的激光反射器

發射

 
正在發射的洞察號
 
2018年5月5日-11月26日期間的洞察號軌跡圖
  洞察號 ·   地球 ·   火星

洞察號於2018年5月5日11:05在范登堡空軍基地的第三（東）發射場由擎天神五號運載火箭成功發射。[73]這也是從加利福尼亞州發射的第一個行星際飛行任務。[74]

該項發射計劃由NASA負責管理。洞察號原定於2016年3月4日從范登堡空軍基地發射，[74]但由於SEIS儀器上的持續真空泄漏，[75][76][77]已於2015年12月被取消，新安排的任務將於2018年5月5日。

在2018年11月26日，在耗時6.54個月，跨越4.84億公里（3.01億哩）後，[3][18]洞察號登陸成功，將開始為期三個月的部署階段，之後將開始為期兩年（約一個火星年）的任務。[35]

着陸位置

由於洞察號的科學目標與火星特定表面特徵無關，因此潛在着陸地點的選擇主要是基於實用性的考量。登陸地點選擇條件為：接近火星赤道以確保整年充足的陽光供太陽能板發電，位於低海拔以確保在進入大氣層後，登陸之前有足夠時間進行大氣剎車，平坦少岩石以減低登陸時遇到困境的機率，以及夠鬆軟的地質使熱流探測器能深入地層內。

由於埃律西昂平原完全符合上述要求的最佳選擇，因此所有22個最初登陸位置都位於此區域。[78]其他唯二位於赤道且低海拔的區域，伊希地平原及水手峽谷的岩石都太多了，此外水手峽谷的地形梯度太陡，無法確保安全着陸。[7]在2013年9月，最初的22個候選地點減少到僅剩4個，火星偵察軌道器將觀測此四個地點取得更多資訊，直到確定最終地點為止。[7][79]每個地點都由一個着陸橢圓組成，這個尺寸大約是130×27公里（81×17哩）。[80]

2017年3月，噴射推進實驗室的科學家宣佈着陸點已經確定。它位於埃律西昂平原西部，北緯4.5°東經135.9°的位置。[81]登陸點位於好奇號火星車在蓋爾撞擊坑着陸區域以北約600公里（370哩）。[82]

 
 
藝術家想像下正在着陸和展開儀器的洞察號
 
埃律西昂平原上的四個預訂着陸地點(橢圓為最終着陸點)
 
洞察號預訂着陸區域的軌跡橢圓，從東到西大約160公里

着陸

2018年11月26日19:54，洞察號成功登陸於埃律西昂平原。[3][16][18]將開始為期三個月的部署階段，[35]之後將開始為期兩年（約一個火星年）的任務。[10]

探勘

2018年12月7日，洞察號首次捕捉到火星的風聲[83]。

每日播報

美國太空總署從2019年2月19日開始根據「洞察」號無人探測器提供的數據在網上發佈火星每日天氣報告，提供火星氣溫、風速、氣壓等資訊[84]。

微型衛星

 
MarCO微型衛星
 
藝術家想像下用於中繼的MarCO微型衛星

MarCO是一對立方體衛星，來幫助洞察號在進入、下降和着陸階段進行中繼實時通信（8分鐘延遲[35]）。[85][86]兩顆命名為MarCO A和B的衛星是完全一樣的。[87]它們大小為30厘米×20厘米×10厘米(11.8吋×7.9吋×3.9吋)，並進行互補飛行。兩顆微型衛星連同洞察號一起發射，之後它們與巡航平台分離，並從登陸器兩側飛向火星。[50]在洞察號進去大氣時，它們沒有進入軌道，而是在火星上方飛行，並與洞察號實時傳輸信號。[88][89]


參與團隊

 
洞察號團隊在美國太空總署噴射推進實驗室前合影

洞察號的科學和工程團隊十分強大。他們由來自美國、法國、德國、奧地利、比利時、加拿大、日本、瑞士、西班牙、波蘭和英國等各個機構和領域科學家組成。[90]

領導火星探測漫遊者計劃的科學家 W.布魯斯·巴內特是洞察號計劃的主要研究者，並參與了SEIS儀器的研發。[91]蘇姍妮·斯姆雷卡爾對行星的演化進行了廣泛的研究，並參與設計了熱流量儀器，[92]是HP3儀器的主要領導者。RISE的首席研究員則是來自JPL的威廉·福克納。[93]洞察號的任務團隊還包括項目經理湯姆·霍夫曼和項目副經理亨利·斯通。[90]

主要國家機構：[68]

 
2018年11月26日，NASA工作人員慶祝洞察號着陸成功

其他貢獻機構：[68]

姓名晶片

作為公眾宣傳活動的一部分，NASA組織了一項計劃，讓公眾可以在洞察號上將他們的名字發送到火星上。由於之前的推遲發佈，共進行了兩輪註冊，在2015年登記了826923個名字，[94]2017年又增加了1602884個名字，[95]共計達2429807個名字。[96][97]全部通過電子束蝕刻到大小為8mm（0.3吋）矽晶片中，每個字母蝕刻寬度只有頭髮寬度的1/1000。[94]第一塊晶片於2015年11月安裝在着陸器上，第二塊晶片於2018年1月23日安裝。[94][95]

洞察號姓名晶片
 
洞察號的第一枚姓名晶片
 
洞察號的第二枚姓名晶片(包含大約160萬人的姓名)

圖像

  •  
    洞察號被裝入波音C-17，準備前往加州的發射中心
  •  
    洞察號預訂着陸區域
洞察號
 
藝術家想像下的外部
 
表面
 
內部

參見

參考

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