洞察号火星探测器

洞察号（InSight），名称来自全名“运用地震调查、测地学与热传导对火星内部进行探测”（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，缩写简称InSight）的首字母缩写，是一部用以研究火星内部构造的着陆无人探测器，由洛克希德马丁公司制造，任务由美国国家航空暨太空总署（NASA）的喷射推进实验室（JPL）管理。洞察号任务证实了火星上有“火星地震”（marsquakes），显示火星内部至今仍然活跃。

为了降低成本和风险，洞察号使用于2008年成功登陆火星的凤凰号相同的设计与技术。其三项科学仪器中有两项是由欧洲机构（法国国家太空研究中心、德国航空太空中心）制造。任务目标包括：将名为“内部结构地震实验仪”（SEIS）的地震仪放置于火星表面，以测量地震活动并提供火星内部的精确三维模型；以及使用名为HP3的热探测器测量火星内部热传输，借此研究火星早期的地质演化。研究目标在于进一步了解太阳系类地行星（水星、金星、地球、火星）及月球的形成与演化过程。

洞察号任务最初计划于2016年3月进行发射，但由于仪器问题而延迟，错过了 2016 年的发射窗口。NASA 将发射时间重新安排至 2018 年 5 月，并利用这段时间修复仪器。最后总成本从 6.75 亿美元增加至 8.3 亿美元。

洞察号任务于 2018 年 5 月 5 日 11:05:01（协调世界时，UTC）在美国加州中部的范登堡空军基地以擎天神 5 号运载火箭成功发射，并于 2018 年 11 月 26 日 19:52:59（UTC）成功登陆火星的埃律西昂平原（Elysium Planitia）。由于太阳能电池板上累积了过多灰尘而无法充电，NASA 于 2022 年 7 月将“洞察号”调整为用于探测地震事件的低功耗模式，并持续监控，直到 2022 年 12 月任务结束。2022 年 12 月 20 日，NASA 宣布“洞察号”登陆器已于 2022 年 12 月 15 日与地球失去联系，并于 2022 年 12 月 21 日正式宣布任务结束。洞察号在火星上执行了 1440 个火星日（相当于 1480个地球日；4 年又 19 天）的任务。

## 历史

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“洞察号”最初被称为火星物理监测站（Geophysical Monitoring Station，缩写简称GEMS），但在 2012 年初应NASA要求而更名。在 2010 年提交的 28 个提案中，它是“探索计划”(Discovery Program) 的三个最终入围项目之一，于 2011 年 5 月获得 300 万美元的经费，以进一步进行细部设计。2012年8月，“洞察号”正式获选进行开发与发射。该任务由 NASA喷气推进实验室(JPL)并有多国科学家参与；任务总经费上限为 4.25 亿美元（不包含运载火箭的费用），计划利用 2008 年成功登陆火星的“凤凰号”登陆器的着陆系统以降低任务的成本与风险。

洛克希德马丁公司于2014年5月19日开始建造着陆器，并于2015年5月27日开始对着陆器进行测试。

而由法国国家太空研究中心（CNES）供应的被称为火星内部结构地震实验仪（SEIS）的持续真空泄漏导致NASA宣布推迟洞察号发射计划。此后，NASA的喷气推进实验室接管了SEIS真空容器的开发，而CNES则负责处理仪器集成和测试。洞察号被推迟后，其余的部件全部被送回位于科罗拉多州的洛克希德马丁公司工厂，而用于发射该航天器的宇宙神5型运载火箭则被分配到地球观测卫星WorldView-4的任务中。

之后，NASA官方于2016年3月9日宣布，将额外花费约1.5亿美元对洞察号进行调整，洞察号的成本将从之前的6.75亿美元增加到8.3亿美元，并预计于2018年5月发射，于11月26日进行火星着陆。而飞行计划保持不变，继续使用加州范登堡空军基地的宇宙神5型运载火箭进行发射。NASA的喷气推进实验室的任务是为SEIS仪器重新设计并建造一个新的真空外壳，同时交由CNES进行仪器集成和测试。

2017年11月22日，洞察号完成了被称为TVAC测试的热真空测试，航天器在模拟空间条件下已经可以承受减压和各种热负荷。2018年1月23日，经过长期存放后，再次对洞察号的太阳能电池板进行了部署和测试，含有公众名字的硅芯片也被添加到着陆器中。

2018年2月28日，洞察号通过C-17货机从丹佛的洛克希德马丁太空系统公司运送到加利福尼亚州范登堡空军基地，并准备与运载火箭进行整合。2018年5月5日，洞察号发射，并于2018年11月26日19:54抵达火星表面。

### 任务阶段

洞察号的背景摄像机（上）和仪器部署摄像机（下）传来的首张火星表面照片。上图中的黑点是洞察号着陆时扬起的尘土2018年11月26日，NASA表示洞察号着陆器已成功降落在火星上，并接收到着陆图像。该图像展示的是远处的火星地平线，由于拍摄时半透明的防尘盖尚未去除，因此可以看到沾满尘埃的镜头画面。在未来几天内，该防尘盖将连同另一架相机的防尘盖一同取下。

五小时后，在美国东部时间晚上8:30，NASA的火星奥德赛号轨道飞行器传来了中继信号，表明洞察号的太阳能电池板已成功展开并正在发电。奥德赛号还传回了一组显示洞察号周围着陆点的图像。之后洞察号将进行立体拍摄，以创建3D图像，允许洞察号找到放置热探测器和地震计的最佳位置。在未来几周内，洞察号将持续监测着陆点周围的天气和温度状况。

洞察号的气象套件（TWINS）和磁力计可进行远程操作，但在着陆后十周内并不会启用，而且任务还将需要三个月来部署和调试科学仪器。

2019年4月6日，洞察号上的地震实验仪（SEIS）探测到火星的地震，为人类首次。

2021年7月21日，科学家称发现一些绝对数据来描述火星的内部岩层结构。

2021年1月9日，NASA团队宣布，由于遇到土质问题导致“热传感物理特性箱”的钻头挖掘打滑而无法继续钻探至所需深度，宣布该科学探测组件任务失败。

由于火星上的沙尘逐渐覆盖洞察号的太阳能发电板，导致电力输出下降，存储电量也逐步耗尽，在连续两次和其进行联系失败后，NASA宣布洞察号因为电力耗尽于2022年12月21日结束任务。

## 科学背景

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### 火星的地壳震动

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两艘维京号太空船都有地震仪，于 1976 年侦测到登陆器运作及风力所造成的震动。

不过维京 1 号登陆器的地震仪未能正确解锁运作。维京 2 号的地震仪则成功解锁并正常运作，将数据传回地球。在任务的第 80 个火星日，维京 2 号的地震仪侦测到了一个事件。由于并未同步记录到风力数据，因此无法判断该数据因为地震事件还是阵风所致；如果能有其他数据，将有助于排除其他震动源。另外的问题则是登陆器的位置，以及火星上特定程度的风力会导致维京 2 号地震仪的灵敏度下降。于是洞察号搭载了其他多种感测器，将直接放置于火星表面，且配有防风罩。

利用维京 2 号地震仪数据估算登陆点附近的火星地壳厚度，约在 14 至 18 公里（8.7 至 11.2 英里）之间。维京 2 号的地震仪侦测到的来自火星风的震动可与气象观测结果相互印证。但是仍未能确认曾经记录到的疑似火星地震信号，且并未侦测到广泛且大规模的火星地震。

自 1969 年阿波罗 11 号任务起，有数个阿波罗任务（12、14、15 及 16 号）也在月球上留下了地震仪，发现了月震（moonquakes）并提供了许多资料。运作至 1977 年的阿波罗地震观测网，侦测到至少 28 次震度月震，规模高达里氏震级 5.5。

所以洞察号任务的目标之一，就是提供数据以比较地球、月球与火星的地震。2022年5月4日，洞察号着陆器上的地震仪侦测到了一次规模估计为 5 的大型火星地震。

2022年五月四日侦测到的火星地震。

2023年10月25日，科学家利用洞察号取得的资料，推估认为火星地壳下方有放射性的地函流体层。

### 行星进动 (Planetary precession)

科学家曾利用维京号进以无线电波利用多卜勒原理进行测量，二十年后又利用火星探路者号再次进行测量，用这两次任务估算火星的绕轴旋转情形，并进而推算火星核心大小的极限：利用火星自转轴在 20 年间的变化，研究人员能够估算出进动率，进而推算出火星的转动惯量。洞察号任务计划针对地壳厚度、地函黏度、核心半径与密度以及地震活动的测量，预计将能使精确度较既有数据提升三至十倍。

## 目标

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“洞察号”的首要目标是研究火星早期演化的过程。透过研究火星核心、地函和地壳的尺寸、厚度、密度及整体结构，以及内部热量逃逸的速率，希望了解内太阳系类地行星的演化机制。类地行星的共同起源是吸积作用，而随着体积增加，内部变热并演化为具备地核、地函与地壳结构的类地行星。虽然起源相同，但各个类地行星经过目前尚不清楚的相异分化过程，形塑出各自的面貌。“洞察号”的目标便是透过测量分化过程中形成的行星基础构造——地核、地函与地壳，进而增进对此过程及类地行星演化的了解。

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洞察号的任务设计是侦测火星是否有地震活动、测量火星内部热流速率、估算火星地核的大小，以及了解火星地核为液态或固态；这些数据将是对火星的首次测量与研究。另也预期会有频繁的陨石空爆（预计“洞察号”每年可侦测到 10 至 200 起事件），将提供额外的地震声波讯号，可用来推估火星内部结构。任务的次要目标是针对火星的地质物理学、板块活动以及陨石撞击效应进行深入研究，可为地球上的这类情形提供参考知识。预估洞察号的任务所得数据精确度，在地壳厚度、地函黏度、地核半径与密度，以及地震活动等测量方面，将比当时既有资料提升三至十倍。这个任务也将是无人着陆器首次深入挖掘火星地壳。

就形塑行星形成的基础过程而言，一般认为火星保存了最深入且准确的历史纪录。这是因为火星大到足以经历塑造类地行星的早期吸积与内部加热过程，又小到足以保留这些过程的迹象。洞察号计划将进行两年的科学研究。

2021 年 3 月，NASA 根据“洞察号”在火星上测得的 500 多次火星地震报告指出，火星地核半径约在 1,810 至 1,860 公里（约 1,120 至 1,160 英里）之间，大约为地球地核尺寸的一半，显著小于先前的推测，这暗示火星地核可能由较轻的元素组成。

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## 设计

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洞察号登陆载具的设计将基于凤凰号。其电源来自太阳能电池板，并且将降落于接近赤道处，以实现最大功率，使寿命预期可达2年（一个火星年）。随洞察号发射的，还有两个微型迷你卫星（MARCO），它们将作为洞察号的通讯中转站。

### 规格：

质量

- 总计: 694kg
- 着陆器：358kg
- 减速伞：189kg
- 巡航平台：79kg
- 推进剂和加压剂：67kg
- MARCO迷你卫星：每个13.5千克（30磅）

外形尺寸：太阳能电池板展开后宽约6.0米（19.7英尺）。盖板宽约1.56米（5.1英尺），高0.83至1.08米（2.7至3.5英尺）（由于着陆器支架可以压缩大小可随时变化）。机械臂长度为2.4米（7.9英尺）。

供电：电力来源于两个圆形太阳能电池板，每个直径为2.15米（7.1英尺），是由被诺斯洛普·格鲁曼收购的轨道阿连特公司所生产的多结光伏电池组成，电池采用超柔性材料，主要成分为磷化铟镓/砷化铟镓/锗。在火星表面着陆后，电池板会像折扇一样展开。

## 设备

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洞察号装备总重量为50千克，包括科学仪器和辅助系统，如辅助传感器套件，摄像机，仪器部署系统和激光反射器。有效科学仪器主要有两个，内部结构地震实验仪（SEIS）和热传感物理特性箱（HP3）：

- 内部结构地震实验仪（SEIS）将精确测量火星上的地震和其他内部活动，以便能更好地了解火星的历史和结构。此外，它还将研究陨石撞击对火星地壳和地幔的影响，这为火星的内部结构提供了线索。SEIS由法国国家太空研究中心（CNES）提供，除此之外，巴黎全球物理研究所（IPGP）、苏黎世联邦理工学院（ETH）、马克斯·普朗克太阳系研究所（MPS）、伦敦帝国学院(ICL)、法国高等航空航天学院（ISAE）、喷气推进实验室(JPL)等也参与了研究工作。地震计还将探测来自火星的大气波和来自火星卫星火卫一的重力信号（潮汐力），最高可探测达到50Hz的高频地震波。之后，内部结构地震实验仪（SEIS）发现存在持续真空泄漏，导致洞察号任务被迫推迟两年。

SEIS仪器还装备了一套气象工具，用来探测影响实验的大气扰动。这些工具包括：

1.由加州大学洛杉矶分校提供的矢量磁力计，它将测量由火星电离层或太阳风引起的磁场干扰。

2.由西班牙和芬兰研究的探测车环境监测站，包含气温、风速和风向传感器;

3.由JPL提供的气压计。

- 热传感物理特性箱（HP 3）是由德国航空航天中心（DLR）提供的一种自穿透热传感探头。它也被称为“自锤钉子”，绰号为“鼹鼠”，它预计将在火星地表下5米（16英尺）处挖洞，同时在其尾部带有嵌入式热传感器，可测量热量流经火星核心的速率，从而揭示有关行星内部演变的信息。它包含精确的温度传感器，每隔10厘米（3.9英寸）就对地下的温度分布进行一次测量。尾部的拖拽装置是由波兰Astronika公司提供。
- 自转和内部结构实验仪（RISE）是由喷气推进实验室（JPL）领导的一项无线电科学实验装置，它将通过着陆器发射的X带微波无线电进行分析，从而提供精确的火星自转测量，以便更好地了解火星内部。根据之前的海盗号和探路者号数据的基础，洞察号X带微波无线电跟踪的结果精度误差将被控制在2厘米以内，此外，在洞察号进一步探测后，火星章动的振幅也可以被确定。一旦更准确地确定自转旋转轴方向、进动和章动振幅，就可以计算出火星核心和地幔的大小和密度，从而对类地行星的形成有着更为清楚的理解。
- 天气和环境感应器（TWINS）是由西班牙国家研究委员制造的，它将对着陆点周围的天气、温度和风速风向进行监测。

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- 激光反射器（LaRRI）是由意大利航天局提供的角反射器，它被装在洞察号的最顶层。即使在着陆器退役之后，它也能够通过轨道器进行无源激光测距，并作为拟定的火星轨道运转网络的节点。该装置曾被装在斯基亚帕雷利EDM登陆器上作为着陆激光反射调查器（INRRI），其本身是个直径54毫米（2.1英寸），质量为25克（0.9盎司）的铝质圆顶，拥有8个二氧化硅反射器。
- 仪器展开臂（IDA）是一个2.4米的机械臂，用于将SEIS和HP3部署到火星表面。它也可以用于展开IDC相机。
- 仪器部署摄像机（IDC）是曾在火星探测漫游者和火星科学实验室计划中使用的彩色导航摄像机。它被安装在仪器展开臂上，将对着陆器上的仪器进行成像，并提供着陆点周围地形的立体视图。它具有45度角的视野，并使用1024×1024像素的电荷耦合器件探测器捕捉图像。为获得最佳分辨率，IDC传感器最初设计是黑白色传感器，后来由于开发期限和预算得到满足，且避险相机达到测试标准，IDC最终被替换为彩色传感器。
- 背景摄影机（ICC）是也是曾在火星探测漫游者和火星科学实验室计划中使用的避险彩色相机。它被安装在着陆器表面的下面，并拥有视角为120度的广角全景摄像机，提供仪器部署区域的互补视图。同IDC一样，它也使用了1024×1024像素的电荷耦合器件探测器。

## 发射

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2018 年 2 月 28 日，洞察号由 C-17 运输机从丹佛的洛克希德马丁太空大楼，运送至加州的范登堡空军基地，之后装上运载火箭。后于 2018 年 5 月 5 日 11:05 （UTC），由擎天神 5 号 401 型运载火箭（编号 AV-078），自范登堡空军基地的东三发射场（Space Launch Complex 3-East）发射升空。这也是美国首次从加州发射的行星际探测任务。

发射由NASA的发射任务计划管理。最初计划于 2016 年 3 月 4 日从美国加州的范登堡空军基地，使用擎天神 5 号 401 型火箭发射，但因内部结构地震实验仪发生真空泄漏，于 2015 年 12 月取消。重新规划的发射窗口为 2018 年 5 月 5 日至 6 月 8 日。

运载火箭的主要组成为：通用核心助推器（未加装固体火箭助推器）、搭载中继通讯用立方卫星的半人马座上级火箭、位于酬载整流罩内的洞察号。

前往火星的旅程耗时 6.5 个月，航行距离达 4.84 亿公里（约 3.01 亿英里），并于 2018 年 11 月 26 日约 19:54 （UTC）成功在火星着陆。之后展开为期三个月的部署阶段；这是其两个地球年（略多于一个火星年）主要任务的一部分。

## 着陆位置

由于洞察号的科学目标与火星特定表面特征无关，因此潜在着陆地点的选择主要是基于实用性的考量。登陆地点选择条件为：接近火星赤道以确保整年充足的阳光供太阳能板发电，位于低海拔以确保在进入大气层后，登陆之前有足够时间进行大气刹车，平坦少岩石以减低登陆时遇到困境的机率，以及够松软的地质使热流探测器能深入地层内。

由于埃律西昂平原完全符合上述要求的最佳选择，因此所有22个最初登陆位置都位于此区域。其他唯二位于赤道且低海拔的区域，伊希地平原及水手峡谷的岩石都太多了，此外水手峡谷的地形梯度太陡，无法确保安全着陆。在2013年9月，最初的22个候选地点减少到仅剩4个，火星侦察轨道器将观测此四个地点取得更多资讯，直到确定最终地点为止。每个地点都由一个着陆椭圆组成，这个尺寸大约是130×27公里（81×17英里）。

2017年3月，喷气推进实验室的科学家宣布着陆点已经确定。它位于埃律西昂平原西部，北纬4.5°东经135.9°的位置。登陆点位于好奇号火星车在盖尔撞击坑着陆区域以北约600公里（370英里）。

### 着陆

2018年11月26日19:54，洞察号成功登陆于埃律西昂平原。将开始为期三个月的部署阶段，之后将开始为期两年（约一个火星年）的任务。

### 探勘

2018年12月7日，洞察号首次捕捉到火星的风声。

### 每日播报

美国航天局从2019年2月19日开始根据“洞察”号无人探测器提供的数据在网上发布火星每日天气报告，提供火星气温、风速、气压等信息。

## 立方卫星／太空船

“火星立方卫星一号”（Mars Cube One, MarCO）是构造相同的两个 6U 立方卫星（分别编为MarCO A与MarCO Bs），目标是测试立方卫星在深空的导航与耐受能力，并于探测器的进入、下降与着陆阶段协助中继即时通讯（因距离而与地球有八分钟延迟）。这两颗卫星与“洞察号”一同发射，进入太空后不久便分离并伴随洞察号着陆器航行。它们并未进入火星轨道，而是在进入、下降与着陆阶段飞掠火星，并即时转发“洞察号”的遥测数据。MarCO 成功证明了立方卫星平台可用于深空任务，也是未来类似任务的技术验证范例。2019 年 2 月 5 日，NASA称这些立方卫星已失去联系，未来不太可能再收到来自它们的讯号。

- 质量：每个 13.5 公斤（30 磅）。
- 尺寸：每个 30 公分 × 20 公分 × 10 公分（11.8 英寸 × 7.9 英寸 × 3.9 英寸）。
- 均配备反射阵列高增益天线
- 微型化无线电系统（UHF 波段仅供接收，X波段用于收发讯息）
- 搭载微型广角摄影机。
- 冷气体推进器用于调整姿态。
- 星象仪用于导航

## 参与团队

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洞察号的科学和工程团队十分强大。他们由来自美国、法国、德国、奥地利、比利时、加拿大、日本、瑞士、西班牙、波兰和英国等各个机构和领域科学家组成。

领导火星探测漫游者计划的科学家 W.布鲁斯·巴内特是洞察号计划的主要研究者，并参与了SEIS仪器的研发。苏姗妮·斯姆雷卡尔对行星的演化进行了广泛的研究，并参与设计了热流量仪器，是HP3仪器的主要领导者。RISE的首席研究员则是来自JPL的威廉·福克纳。洞察号的任务团队还包括项目经理汤姆·霍夫曼和项目副经理亨利·斯通。

主要国家机构：

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- 美国国家航空航天局（NASA）
- 法国国家太空研究中心（CNES）
- 德国航空航天中心（DLR）
- 意大利航天局（ASI）

其他贡献机构：

- 喷气推进实验室（JPL）
- 洛克希德马丁公司（LMT）
- 巴黎全球物理研究所（IPGP）
- 苏黎世联邦理工学院（ETHZ）
- 马克斯·普朗克太阳系研究所（MPS）
- 伦敦帝国学院（ICL）
- 法国高等航空航天学院（ISAE-SUPAERO）
- 牛津大学（Oxford）
- 西班牙天体生物学中心（CAB）
- 波兰科学院空间研究中心（CBK）

## 姓名芯片

作为公众宣传活动的一部分，NASA组织了一项计划，让公众可以在洞察号上将他们的名字发送到火星上。由于之前的推迟发布，共进行了两轮注册，在2015年登记了826923个名字，2017年又增加了1602884个名字，共计达2429807个名字。全部通过电子束蚀刻到大小为8mm（0.3英寸）硅芯片中，每个字母蚀刻宽度只有头发宽度的1/1000。第一块芯片于2015年11月安装在着陆器上，第二块芯片于2018年1月23日安装。

## 图像

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- 洞察号被装入波音C-17，准备前往加州的发射中心

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- 洞察号预订着陆区域

## 外部链接

- InSight NASA洞察号
- InSight NASA火星探测计划
- InSight NASA洞察号传回图片(RAW)
- InSight NASA – 洞察号任务
- InSight NASA– 洞察号的Raw影像
- InSight NASA –（视频/03:31；2018年11月18日；细节）
- InSight NASA –（视频/01:38；2018年11月26日；着陆)
- InSight NASA –（视频/01:39；2018年12月1日；风声）
- InSight NASA –（视频/02:48；2019年7月19日；火星地震）
- 火星天气： InSight

## 基本资料

- 日语原文：洞察号、InSight
- 说明：微型卫星MarCO（上）与洞察号登陆器（下）
- 运营单位：NASA · JPL
- COSPAR_ID：2018-042A
- 卫星目录序号：43457
- 任务类型：火星登陆探测器
- 任务时长：预定709个火星日（约728日）、实际共运作个火星日、（4年零18日 / 日）
- 制造商：洛克希德·马丁
- 弹头量：694kg
- landing_mass：358kg
- 尺寸：长6.0米，宽1.56米，高1.0米（完全展开时）
- 功耗：600 瓦、太阳能 / 锂离子电池
- 推出时间：2018年5月5日、11时5分 UTC
- launch_rocket：擎天神5号运载火箭 401型
- 发射地点：范登堡空军基地 范登堡空军基地3号航太发射复合体
- launch_contractor：ULA
- last_contact：2022年12月15日
- 宣布票数：2022年12月21日
- 分类：探索计划
- previous_mission：GRAIL
- next_mission：露西号
- 类型：lander
- object：火星
- arrival_date：2018年11月26日、19时52分59秒 UTC
- 地点：埃律西昂平原、4.5°N 135.0°E
- 类型：flyby
- component：MarCO
- arrival_date：2018年11月26日、19时52分59秒 UTC
- 距离：3500公里
- 缩写：SEIS
- 气缸盖：内部构造地震仪
- 缩写：HP3
- 名称：热流及物理特性综合探测器
- 缩写：RISE
- 名称：自转和内部结构实验仪
- 缩写：TWINS
- 名称：天气和环境感应器