美国“洞察”探测器发射，将为人类聆听火星之音

王帅（北京空间科技信息研究所）

2018年5月，时隔26个月之后火星探测窗口再度开启，延期2年的美国国家航空航天局（NASA）“洞察”（lnSight）火星探测器发射升空，将实施首次“火星体检”，对火星内部进行深入研究，包括火星地壳、地幔和地核。“洞察”是第一个从美国西海岸发射的深空探测器，此次发射还首次携带了立方体卫星——“火星立方一”（MarCO）开展深空任务，任务对西海岸发射能力以及立方体卫星深空探测能力进行验证，将为未来深空探测任务提供更多的选择。

1 任务发射概况

北京时间2018年5月5日19：05，“洞察”火星探测器在美国西海岸加利福尼亚州的范登堡空军基地搭载宇宙神-5（Atlas-5）运载火箭发射升空。发射后13min16s，“半人马座”（Centaur）上面级携带“洞察”进入地球停泊轨道。发射后79min，“半人马座”上面级再次点火，将“洞察”送入地球到火星转移轨道。发射后93min左右，“洞察”与“半人马座”上面级分离。在释放“洞察”探测器之后，“半人马座”上面级进行一次滚转并释放火星立方一-A，再旋转180°后释放火星立方一-B。从上面级分离后10min内，“火星立方一”展开太阳电池翼，之后通过NASA深空网与地面控制团队建立联系。

“洞察”将飞行约6个月，于2018年11月26日抵达火星并着陆在埃律西昂平原（Elysium Planitia）。着陆火星之后，“洞察”将立刻开始表面操作，并在第一周开始收集一些科学数据，完成科学仪器在火星表面的部署则需要大约10周的时间。“洞察”的主任务设定为1个火星年（约2个地球年），即708个火星日（728个地球日）。在任务执行期间，“洞察”将每年发回超过30GB的数据。

2 任务基本情况

“洞察”全称“地震调查、测地学和热传递内部探索”，是NASA“发现”（Discovery）计划的第12次任务。任务目标是向火星表面发送一个携带地震仪和热传输探测器的着陆器，以研究火星早期地质演变情况，从而增进对太阳系岩质行星形成和演化的理解。发射“洞察”的运载火箭还发射了NASA的立方体卫星“火星立方一”，试验利用立方体卫星进行深空通信的能力。

任务科学目标

“洞察”将研究火星内部结构，揭示太阳系岩质行星或系外岩质行星的早期形成。选择火星的主要原因是火星足够大，进而能够经历最早期形成岩质行星内部的加热和分化过程；同时又足够小、地质活动较少，进而在火星地壳、地幔和地核等行星基本构造模块中，保留了更完整的历史记录，是研究岩质行星形成和演化的理想地点。在火星内部结构特征中，可能包含了关于太阳系岩质行星形成过程的最深入和最准确的数据。通过研究火星地壳、地幔和地核的尺寸、厚度、密度和整体结构，以及热量从火星内部散逸的速率，“洞察”任务将帮助人类揭示内太阳系中所有岩质行星的进化过程。此外，“洞察”还将测量现在火星上的构造活动和陨石撞击。

“洞察”任务的具体科学目标包括：

1）通过调查火星内部结构和活动过程，理解岩质行星的形成和演化过程：①确定火星地核的尺寸、成分和物理状态（液体/固体）；②确定火星地壳的厚度和结构；③确定火星地幔的成分和结构；④确定火星内部的热状态。

2）确定现在火星地质构造活动的活跃程度以及陨石撞击火星的频率：①测量内部地震活动的规模、频率和地理分布；②测量陨石撞击火星表面的频率。

探测器研制

“洞察”探测器由多国机构合作研制，其中NASA喷气推进实验室（JPL）负责管理，牵头科学研究、系统工程、导航、任务运行、仪器部署机械臂和相机的研制等；洛马公司（LM）负责探测器的研发、装配、集成、测试、发射运行和任务运行的支持；法国国家空间研究中心（CNES）负责管理、集成和交付“内部结构地震实验仪”（SEIS）；德国航空航天中心（DLR）负责研制和交付“热流和物理特性仪器套件”（HP3）；西班牙天体生物学中心（CAB）将提供风和大气温度传感器。“洞察”于2014年5月正式开始建造，于2015年5月进入测试阶段，原计划于2016年3月发射。

2015年12月，“洞察”任务进入发射前的准备阶段，探测器的组装和测试已经基本完成，然而关键载荷“内部结构地震实验仪”在测试过程中发现真空容器泄漏的问题，导致NASA被迫将任务推迟至2018年发射。任务推迟后，“洞察”探测器返厂储存，“内部结构地震实验仪”真空容器由NASA喷气推进实验室进行重新设计、制造和质量管理，导致“洞察”探测器的成本由6.75亿美元增至8.288亿美元。该问题在此前的测试中并未被发现，暴露出仪器故障的一个最重要原因是没有做好事先的质量控制和测试工作。此外，“内部结构地震实验仪”是由法国国家空间研究中心作为承包商，多个国家的机构合作研制的。问题在最终阶段才被发现，不仅反映出了法国国家空间研究中心的质量管理问题，还反映出NASA在国际合作项目管理方面存在着问题。

探测器构成

“洞察”任务的设计主要是基于2008年发射的“凤凰”（Phoenix）任务的探测器和着陆器设计的，同时采用了“火星勘察轨道器”（MRO）和“圣杯”（GRAIL）月球探测器中的航空电子设备。“洞察”探测器主要包含巡航级，进入、下降和着陆系统，以及着陆器三大部分，巡航级将携带着陆器和着陆系统完成地球到火星的旅程，进入、下降和着陆系统包括保护罩、降落伞和下降级，着陆器则是在火星表面开展探测工作的核心部件。

“洞察”着陆器质量为360kg，太阳电池翼展开时宽度约为6.1m，顶板直径约1.56m，顶板高度为0.83～1.08m，机械臂长2.4m，能源由2个圆形太阳能板提供，各太阳板的直径为2.2m。

“洞察”着陆器的科学有效载荷包含3个主要仪器，分别为法国国家空间研究中心提供的“内部结构地震实验仪”、德国航空航天中心提供的“热流和物理特性仪器套件”和喷气推进实验室提供的“旋转和内部结构实验”（RISE）天线。“内部结构地震实验仪”负责精确地测量震动和火星内部其他活动，以更好地了解火星的历史和构造，研制机构包括法国国家空间研究中心、巴黎地球物理学院（IPGP）、瑞士联邦理工学院（ETH）、马克斯·普朗克太阳系研究所（MPS）、英国帝国理工学院（Imperial College）以及NASA喷气推进实验室。“热流和物理特性仪器套件”是自穿透热流探针，将深入地表下5m，以测量火星内部散逸的热量，并帮助揭露火星的热历史。“旋转和内部结构实验”天线是利用探测器通信系统对行星旋转进行精确测量。除此之外，有效载荷还包括西班牙天体生物学中心提供的风和温度传感器，以及高分辨率（10mPa）气压传感器等。其中“内部结构地震实验仪”是协助进行火星深层内部结构研究的主要科学有效载荷，核心组成是装在钛合金球形容器内的3个高精度宽频带地震传感器。传感器需要在真空环境中运行，可以对小到1/4氢原子直径（1-10m）的地面运动进行测量。

在着陆火星之后，“洞察”着陆器利用机械臂将“内部结构地震实验仪”和“热流和物理特性仪器套件”部署在火星表面，2个仪器将分别用于测量微小的地面运动和监测火星内部热活动。同时，“洞察”还将利用无线电测量行星的自转，利用相机和一系列环境敏感器监测火星天气和磁场变化。

“火星立方一”

“火星立方一”任务包括2颗6U立方体卫星，将和“洞察”搭载同一枚火箭发射并紧随“洞察”独自飞行，主要目标是测试新的小型深空通信设备。如果能够顺利抵达火星，“火星立方一”将在“洞察”着陆期间从距离火星3500km处飞越火星，装备折叠高增益天线的“火星立方一”将在“洞察”着陆器进入、下降和着陆期间为其提供中继服务。这是首次在地外行星上进行小型立方体卫星技术试验。

“火星立方一”并不属于“洞察”任务的一部分，尽管可以在“洞察”着陆期间为其提供中继服务，但并不是“洞察”探测器传输数据必需的设备。“火星立方一”本身将不执行科学探测任务，其主要任务将是首次在深空测试立方体卫星技术，验证立方体卫星在未来太阳系探测的工作方式。如果抵达火星，“火星立方一”将测试一种通信中继方法，使其可以成为未来火星着陆器的“黑匣子”，帮助工程师理解着陆火星的困难过程。

2颗立方体卫星由NASA喷气推进实验室研制，两者将执行相同的功能以形成互补和备份。“火星立方一”未展开太阳电池翼的尺寸为36.6cm×24.3cm×11.8cm，2副太阳电池翼尺寸均为30cm×30cm，在地球附近功率为35W，在火星附近功率为17W，能源系统还包括可充电的锂离子电池。“火星立方一”携带的高增益X频段天线为平板反射阵，能够以较低功耗实现地火之间的信息传输。“火星立方一”的弹簧部署系统位于“半人马座”上面级的船尾舱壁载体上，接近上面级的底部，不在包裹“洞察”探测器的整流罩内。从发射到上面级与火箭分离，船尾舱壁载体处于级间适配器中，受级间适配器的保护。

3 任务特点分析

“洞察”属于NASA“发现”计划，其任务定位与目标相比于近期NASA执行的火星任务而言存在较大不同，更偏重于科学问题的研究，而不是对火星环境的探测。从探测内容的角度而言，“洞察”是首个研究地外行星内部的探测器，将首次测量火星地震，研究火星火山形成等，帮助人类追溯火星的历史。此外，“洞察”还是首个从美国西海岸发射的深空探测任务，其搭乘的运载火箭同时承载立方体卫星的首次深空之旅。

任务偏重科学研究，瞄准岩质行星形成过程

“洞察”任务属于“发现”计划，但更侧重于科学探测，与美国火星探测长远计划中寻找火星生命信号、奠定未来载人探测基础等目标关联性不大。2011年，NASA宣布美国的火星探测从“追踪水的痕迹”正式转变为“搜寻生命信号”。2013年“火星大气与挥发物演变”之后任务的科学战略目标主要是“寻找生命信号”、“探测适居性”和“为载人探测做准备”。在2010年以前制定的美国火星探测演进科学战略中，2016年3月和2018年5月2个火星探测窗口的项目为欧洲航天局（ESA）牵头的“火星生物学”（ExoMars）项目，当时NASA还未退出该项目。“洞察”任务的科学目标与目前美国的火星探测科学战略目标关系不大，2012年8月入选“发现”计划与2012年2月NASA退出“火星生物学”有一定关联，接近于填补火星探测空白期的任务。

“洞察”任务的定位与近年来开展的多个火星探测任务之间存在明显不同。从其探测内容而言，“洞察”不仅仅是一个火星探测任务，更是一个类地行星探测者，它将解决行星和太阳系科学众多基本问题之一，即40多亿年以前内太阳系岩质行星（包括地球在内）的形成过程。研究将有助于更好地理解岩质行星和太阳系，帮助人类寻找类似地球的系外行星。

首次探测火星内部，深度研究火星内部活动

经历了近半个世纪的探测，人类对于火星基本物理参数、空间与表面环境、地形地貌与地质结构、表面物质等方面都取得了一定的认知，已经从全球遥感探测向表面和巡视探测进行转变。然而，还没有火星探测任务对火星内部进行过深入研究，“洞察”将首次研究火星内部，测量火星的“脉冲”（地震）、“温度”（热流）和“反射”（当被太阳和卫星牵引时行星的摆动方式）等“生命体征”，进而揭示岩质行星的形成过程。

“洞察”将首次探测火星地震，研究火星地下运动。此前，NASA曾尝试在“海盗”（Viking）火星着陆器的顶端装载地震仪，但获得的数据噪声过大。“洞察”的地震仪将直接放置在火星表面，获得更为清晰的数据。不同于地球，火星地震主要由板块移动以外的其他构造活动引起，包括火星地壳中形成的火山活动和裂隙。此外，流星撞击也会产生地震波，“洞察”也将对其进行测量。通过研究地震波经过火星地壳、地幔和地核的方式，科学家将能够确定各层的深度以及组成，就像对火星内部进行了X射线检查一样。

“洞察”还将研究火星火山的形成，其携带的热流探针将深入火星地下5m处，以首次测量来自火星内部的热流。“洞察”探测的热流频率和其他探测数据将揭示火星内部的能量如何驱动火星表面的变化。总而言之，“洞察”将首次进行火星内部的探测，获得火星地质和内部结构方面的全新数据，提高多个火星参数的精度，并且研究内太阳系所有岩质行星演化的过程。

首次从西海岸发射，可以有效缓解发射压力

在“洞察”任务发射之前，美国共计开展了98次月球和深空探测任务，其中仅有3次月球探测任务不是从东海岸的卡纳维拉尔角空军基地发射的。卡纳维拉尔角空军基地纬度较低[28.5°（N）]，东邻大西洋，向东发射火箭可以利用地球自转附加速度，因此一般情况，从此处发射航天器所需燃料较少；而范登堡空军基地纬度略高[34.7（N）]，适合向西发射高倾角轨道和极轨道卫星。而深空探测任务通常倾角并不大，从卡纳维拉尔角空军基地进行发射将更节省燃料，因此，过去所有的深空探测任务都是从卡纳维拉尔角空军基地发射。

“洞察”采用宇宙神-5运载火箭进行发射，而类似设计的“凤凰”任务仅采用了发射能力更小的德尔他-2（Delta-2）运载火箭，也就是“洞察”的发射具有更大的灵活性，可以选择在卡纳维拉尔角空军基地或范登堡空军基地进行发射。“洞察”最终选择在西海岸的范登堡空军基地发射的原因主要是，在“洞察”的发射窗口内，范登堡空军基地相对更为清闲，发射任务压力较小。事实上，过去NASA就曾考虑在范登堡空军基地发射“火星奥德赛”（Mars Odyssey），这样做可以减少卡纳维拉尔角空军基地的发射压力。首次试验深空立方体卫星，开启立方体卫星深空之旅

“洞察”探测器搭乘的运载火箭同时发射2颗立方体卫星“火星立方一”，“火星立方一”将测试新的小型深空通信设备，并在“洞察”火星着陆器进入、下降和着陆期间飞越火星，为着陆器提供通信中继服务。在进入、下降和着陆期间，“洞察”着陆器利用超高频（UHF）无线电频段将信息传送给上空飞越的NASA火星轨道器MRO，并由MRO利用X频段将信息传送回地球。然而，MRO无法在UHF频段接收信息的同时在X频段发送信息，着陆成功的信息由MRO中继至地球将有超过1h的延迟。而“火星立方一”携带的足球大小的通信设备具备UHF频段的接收能力，以及X频段的接收和发送能力，能够在接收UHF频段信息的同时利用X频段将信息发送给地球，从而减少信息延迟的时间。

这将是立方体卫星首次进行深空探测任务。如果“火星立方一”验证任务成功，未来的火星探测任务在大气进入和下降的关键几分钟内将拥有“自携带”的通信中继选项，并且将引领立方体卫星在深空探测任务中的其他应用，包括利用小型相机等小型仪器进行观测、对空间环境进行就地测量等。

4 小结

“洞察”任务推迟主因在于质量控制和监管的疏漏，应予以警惕

由于主要仪器“内部结构地震实验仪”在最终测试时发现真空容器存在漏洞，导致“洞察”任务不得不推迟2年发射，造成任务成本增加了1.538亿美元，其深层原因在于NASA和法国国家空间研究中心在设备制造方面的质量控制和监管方面存在问题。真空容器在最终测试时被发现存在泄漏的问题说明，法国国家空间研究中心在设备制造时的质量控制和测试存在疏漏，并且NASA作为总体单位没有做好监管措施。

利用立方体卫星开展深空探测已成各国关注热点，应及时跟进

“火星立方一”将首次试验立方体卫星开展深空探测的能力，奠基未来立方体卫星开展深空探测的发展路程。立方体卫星具有低成本、灵活性高的特点，并且可以多颗立方体卫星协作开展多点探测，相比单个大型探测器，可增加探测范围并减少任务风险。近几年，NASA和ESA都在大力研究立方体卫星探测月球的概念，NASA“航天发射系统”（SLS）和“猎户座”（Orion）的首次无人探月任务将携带多颗立方体卫星开展月球探测，ESA也在2017年筛选了4个利用立方体卫星探索月球的概念，进行进一步的研究。此外，2017年NASA还开始研究用于探测金星的立方体卫星。