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“洞察”号将为火星做CT

2018年05月09日08:04 | 来源:北京日报
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原标题:“洞察”号将为火星做CT

“洞察”号火星着陆器

“洞察”号将采用降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿的方式在火星着陆。

  新闻背景

北京时间5月5日19时5分,美国使用“宇宙神5号”运载火箭从西海岸的范登堡空军基地将“洞察”号火星着陆器送入太空。“洞察”号是第一个探测火星深层的航天器,将通过倾听火星震动和测量它的热量输出来研究火星的内部结构,揭示岩质行星的形成,填补火星地球物理空白,更好地了解其他岩石行星(包括地球)是如何诞生的。

  深入内部探究竟

“洞察”号着陆火星时的重量为360千克,最大宽度约6米,由两块能像纸扇一样展开的圆形太阳能电池板提供电源。“洞察”号升空后将飞行4.85亿千米,历时6个多月,于2018年11月26日在火星北半球赤道附近的埃律西昂平原着陆。此后,“洞察”号将展开为期2年的原位勘测,首次探索火星深处的内部。在此之前人类总计开展的47次火星探测都是研究火星全球、地表、大气和磁场等。执行任务期间,“洞察”号将总共发回超过30GB的数据。

其着陆点的选址花了4年时间,最后选定的具体着陆坐标点为:北纬4.5°、东经135.0°。因为这里地势平坦,没有沟壑,阳光充足,能为太阳能电池板充电。另外,该着陆点离“好奇”号火星车600千米,并且能跟目前运行的5个火星轨道探测器通信。为了在着陆过程中有足够厚的大气层来保证降落伞的缓冲需要,着陆点要低于火星大地水准面以下2.5千米,地形坡度要小于15°,石头不能太多,风化层较松软,方便着陆和钻5米深的孔。

与其“前辈”不同的是,“洞察”号的考察不再“浮于表面”,而要探测火星内部,获得火星地质和内部结构方面的全新数据,并且研究内太阳系所有岩态行星演化的过程。

其探头将钻入火星地下5米深处进行考察,测量温度和重力波动等,帮助科学家弄清火星的内核究竟是由液体还是固体构成的,由此研究火星及其他行星的构造及演化。它还将探测红色星球的旋转、地核厚度、地壳地幔结构、内部热能、构造运动、火震活动以及陨石对火星的撞击等多种情况。

由于“洞察”号将能探测火星地核、地幔和地壳的尺寸、厚度、密度和整体结构,以及热量从火星内部逃离的速度,因此可研究内太阳系的所有岩质行星演化过程,提高对这一过程的理解。

因为“洞察”号可探寻太阳系内除地球外的岩石星球内部构造,所以可为是否在其上建造永久建筑物提供参考;还能帮助科学家拼凑40多亿年前陆地世界的形成过程;也可了解火星内部温度信息,研究火星天气,揭示太阳风、宇宙射线和带电粒子如何通过大气传播冲击火星表面。其获得的所有信息对未来人类登陆火星具有重要参考价值。

  各国“神探”显身手

以美国为主研制“洞察”号火星着陆器其实是一项国际合作项目。

“洞察”号的管理、平台、组装、发射和运行以及部分科学探测仪器等由美国航空航天局的喷气推进实验室和洛马公司等负责。

火星的大气层稀薄,时常有小陨石穿过火星大气落在火星地表上带来震动,这也会被火震仪记录。火震仪是“洞察”号上最主要的科学探测仪器,由法国国家太空研究中心研制。该仪器的核心是装在钛合金球形真空容器内的3个高精度宽频带火震传感器,非常灵敏,能测量不到1/4氢原子直径(1-10米)的地面运动,记录火震或者陨石碰撞,精确掌握火震和其他火星内部活动,研究火星地壳和地幔对陨石撞击影响的响应,为了解行星的内部结构提供线索,技术难度很大。

火震仪就像拍快照的相机一样,能拍下星球内部的影像,相当于给行星做CT扫描。火星上岩石开裂或发生相对移动时,产生的火震波会在整个星球内回荡。这些火震波的传播速度取决于它们的传播过程中通过的介质性质,因此速度会产生差异。火震仪可以检测这些火震波的强度、频率和传播速度,获知火震波所穿过的地质介质的信息。

火星上每发生一次火震,“洞察”号就可对火星内部拍一张快照。在“洞察”号执行任务期间,它可以记录数十至数百次火震。

其实早在美国“阿波罗”载人登月时,航天员就在月球上放置过4台月震仪。在20世纪70年代末,美国海盗号火星着陆器也曾携带了火震仪,但这些火震仪没有接触火星表面,因为它们被装在着陆器顶部,且着陆器底部有减震器,所以没能有效记录到火星的火震信息。

“洞察”号上的热流探头是自穿透热流探针,由德国航空航天中心研制,用于探测至地表下5米来自火星地核的热量,并帮助揭露火星的热历史。它要比以前火星车上的小铲子等工具厉害得多,能够深入火星地表以下更深处,测量火星内部的能量。

“洞察”号上的风和大气温度传感器及高分辨率压力传感器由西班牙天体生物学中心研制,用于对着陆地点的天气进行监控,有助于科学家们排除火星天气环境对测量带来的扰动。所以,这次“洞察”号将允许科学家排除由天气引起的震动“噪音”,并综合这些真实数据,提供出最全面的地质“快照”。

科学家将通过这些先进的仪器探测到火星的各种“生命迹象”:通过火震仪探测它的“脉搏”,通过热流探头测量它的“体温”,通过“旋转和内部结构实验”天线观察它的“条件反射”。这些“生命迹象”,既是火星亿万年的成长记录,也是揭开太阳系内类地行星演化之谜的钥匙。结合上述各种来源的信息,科学家有望获得迄今最完整的火星全貌。研究人员将这种对火星“脉搏”、温度等情况的精准把握,称为对火星“45亿年来的第一次体检”。

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  240多万人名上火星

在登陆火星的同时,“洞察”号会携带两份带有普通公众名字的微型芯片一同踏上火星的土地,以此激发公众对于火星探测的兴趣。

从2015年开始,美国航空航天局就通过官网,让公众将自己的名字发送给“洞察”号的芯片,这些包含公众名字的信息保存在芯片上,将与“洞察”号一起前往火星,开启一场虚拟的火星之旅。在2015年8月,就有近82.7万人将自己的名字写在了“洞察”号的芯片上,但由于“洞察”号因故障推迟发射,所以收集的名字越来越多。为此在2017年,美国航空航天局在“洞察”号上又新增了一枚微型芯片,以便公众将自己的名字上传。

“洞察”号火星之旅的姓名收集活动于2017年11月1日截止,全球总共有240多万人的名字被刻在芯片上,其中美国人的名字有65.3万多个,中国人的名字有26万多个(包括张国荣),俄罗斯人的名字有6.35万个。赤道几内亚人的名字最少,只有7个。这些名字的每个字母宽度仅为400纳米(人体头发的宽度有10万纳米),占用的体积极小,所以能够携带的数量很多。

  延伸阅读

  姗姗来迟增成本

“洞察”号原定2016年3月发射,但由于在临近发射前,发现“洞察”号上的一台由法国研制的重要科学探测仪器——火震仪出现故障,即该仪器的真空容器泄漏了,错过了发射窗口,不得不再等两年,拖到2018年才发射,这中间就要多花费1.5亿美元,使得项目总价飙升到超过8亿美元。这一事件不光暴露出技术方面存在问题,还表明在国际合作方面存在质量管理方面的问题,因为真空容器并不是一个技术难度很高的装置。在推迟期间,真空容器改由美国喷气推进实验室进行重新设计和制造。(杭添仁)

(责编:王小艳、王珩)

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