洞察號火星探測器

洞察號（InSight），名稱來自全名「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，是一部用以研究火星內部構造的著陸無人探測器，由洛克希德馬丁公司製造，任務由美國國家航空暨太空總署（NASA）的噴射推進實驗室（JPL）管理。洞察號任務證實了火星上有「火星地震」（marsquakes），顯示火星內部至今仍然活躍。

為了降低成本和風險，洞察號使用於2008年成功登陸火星的鳳凰號相同的設計與技術。其三項科學儀器中有兩項是由歐洲機構（法國國家太空研究中心、德國航空太空中心）製造。任務目標包括：將名為「內部結構地震實驗儀」（SEIS）的地震儀放置於火星表面，以測量地震活動並提供火星內部的精確三維模型；以及使用名為HP3的熱探測器測量火星內部熱傳輸，藉此研究火星早期的地質演化。研究目標在於進一步了解太陽系類地行星（水星、金星、地球、火星）及月球的形成與演化過程。

洞察號任務最初計畫於2016年3月進行發射，但由於儀器問題而延遲，錯過了 2016 年的發射窗口。NASA 將發射時間重新安排至 2018 年 5 月，並利用這段時間修復儀器。最後總成本從 6.75 億美元增加至 8.3 億美元。

洞察號任務於 2018 年 5 月 5 日 11:05:01（協調世界時，UTC）在美國加州中部的范登堡空軍基地以擎天神 5 號運載火箭成功發射，並於 2018 年 11 月 26 日 19:52:59（UTC）成功登陸火星的埃律西昂平原（Elysium Planitia）。由於太陽能電池板上累積了過多灰塵而無法充電，NASA 於 2022 年 7 月將「洞察號」調整為用於探測地震事件的低功耗模式，並持續監控，直到 2022 年 12 月任務結束。2022 年 12 月 20 日，NASA 宣佈「洞察號」登陸器已於 2022 年 12 月 15 日與地球失去聯繫，並於 2022 年 12 月 21 日正式宣佈任務結束。洞察號在火星上執行了 1440 個火星日（相當於 1480個地球日；4 年又 19 天）的任務。

## 歷史

「洞察號」最初被稱為火星物理監測站（Geophysical Monitoring Station，縮寫簡稱GEMS），但在 2012 年初應NASA要求而更名。在 2010 年提交的 28 個提案中，它是「探索計畫」(Discovery Program) 的三個最終入圍項目之一，於 2011 年 5 月獲得 300 萬美元的經費，以進一步進行細部設計。2012年8月，「洞察號」正式獲選進行開發與發射。該任務由 NASA噴氣推進實驗室(JPL)並有多國科學家參與；任務總經費上限為 4.25 億美元（不包含運載火箭的費用），計畫利用 2008 年成功登陸火星的「鳳凰號」登陸器的著陸系統以降低任務的成本與風險。

洛克希德馬丁公司於2014年5月19日開始建造著陸器，並於2015年5月27日開始對著陸器進行測試。

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（SEIS）的持續真空洩漏導致NASA宣布推遲洞察號發射計劃。此後，NASA的噴氣推進實驗室接管了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克希德馬丁公司工廠，而用於發射該太空飛行器的宇宙神5型運載火箭則被分配到地球觀測衛星WorldView-4的任務中。

之後，NASA官方於2016年3月9日宣布，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，並預計於2018年5月發射，於11月26日進行火星著陸。而飛行計劃保持不變，繼續使用加州范登堡空軍基地的宇宙神5型運載火箭進行發射。NASA的噴氣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。

2017年11月22日，洞察號完成了被稱為TVAC測試的熱真空測試，太空飛行器在模擬空間條件下已經可以承受減壓和各種熱負荷。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著陸器中。

2018年2月28日，洞察號通過C-17貨機從丹佛的洛克希德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。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著陸時揚起的塵土2018年11月26日，NASA表示洞察號著陸器已成功降落在火星上，並接收到著陸圖像。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著陸點的圖像。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，洞察號將持續監測著陸點周圍的天氣和溫度狀況。

洞察號的氣象套件（TWINS）和磁力計可進行遠程操作，但在著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。

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。

2021年7月21日，科學家稱發現一些絕對數據來描述火星的內部岩層結構。

2021年1月9日，NASA團隊宣布，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，宣布該科學探測組件任務失敗。

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宣布洞察號因為電力耗盡於2022年12月21日結束任務。

## 科學背景

### 火星的地殼震動

兩艘維京號太空船都有地震儀，於 1976 年偵測到登陸器運作及風力所造成的震動。

不過維京 1 號登陸器的地震儀未能正確解鎖運作。維京 2 號的地震儀則成功解鎖並正常運作，將數據傳回地球。在任務的第 80 個火星日，維京 2 號的地震儀偵測到了一個事件。由於並未同步記錄到風力數據，因此無法判斷該數據因為地震事件還是陣風所致；如果能有其他數據，將有助於排除其他震動源。另外的問題則是登陸器的位置，以及火星上特定程度的風力會導致維京 2 號地震儀的靈敏度下降。於是洞察號搭載了其他多種感測器，將直接放置於火星表面，且配有防風罩。

利用維京 2 號地震儀數據估算登陸點附近的火星地殼厚度，約在 14 至 18 公里（8.7 至 11.2 英里）之間。維京 2 號的地震儀偵測到的來自火星風的震動可與氣象觀測結果相互印證。但是仍未能確認曾經記錄到的疑似火星地震信號，且並未偵測到廣泛且大規模的火星地震。

自 1969 年阿波羅 11 號任務起，有數個阿波羅任務（12、14、15 及 16 號）也在月球上留下了地震儀，發現了月震（moonquakes）並提供了許多資料。運作至 1977 年的阿波羅地震觀測網，偵測到至少 28 次震度月震，規模高達芮氏規模 5.5。

所以洞察號任務的目標之一，就是提供數據以比較地球、月球與火星的地震。2022年5月4日，洞察號著陸器上的地震儀偵測到了一次規模估計為 5 的大型火星地震。

2022年五月四日偵測到的火星地震。

2023年10月25日，科學家利用洞察號取得的資料，推估認為火星地殼下方有放射性的地函流體層。

### 行星進動 (Planetary precession)

科學家曾利用維京號進以無線電波利用多卜勒原理進行測量，二十年後又利用火星探路者號再次進行測量，用這兩次任務估算火星的繞軸旋轉情形，並進而推算火星核心大小的極限：利用火星自轉軸在 20 年間的變化，研究人員能夠估算出進動率，進而推算出火星的轉動慣量。洞察號任務計畫針對地殼厚度、地函黏度、核心半徑與密度以及地震活動的測量，預計將能使精確度較既有數據提升三至十倍。

## 目標

「洞察號」的首要目標是研究火星早期演化的過程。透過研究火星核心、地函和地殼的尺寸、厚度、密度及整體結構，以及內部熱量逃逸的速率，希望瞭解內太陽系類地行星的演化機制。類地行星的共同起源是吸積作用，而隨著體積增加，內部變熱並演化為具備地核、地函與地殼結構的類地行星。雖然起源相同，但各個類地行星經過目前尚不清楚的相異分化過程，形塑出各自的面貌。「洞察號」的目標便是透過測量分化過程中形成的行星基礎構造——地核、地函與地殼，進而增進對此過程及類地行星演化的了解。

洞察號的任務設計是偵測火星是否有地震活動、測量火星內部熱流速率、估算火星地核的大小，以及了解火星地核為液態或固態；這些數據將是對火星的首次測量與研究。另也預期會有頻繁的隕石空爆（預計「洞察號」每年可偵測到 10 至 200 起事件），將提供額外的地震聲波訊號，可用來推估火星內部結構。任務的次要目標是針對火星的地質物理學、板塊活動以及隕石撞擊效應進行深入研究，可為地球上的這類情形提供參考知識。預估洞察號的任務所得數據精確度，在地殼厚度、地函黏度、地核半徑與密度，以及地震活動等測量方面，將比當時既有資料提升三至十倍。這個任務也將是無人著陸器首次深入挖掘火星地殼。

就形塑行星形成的基礎過程而言，一般認為火星保存了最深入且準確的歷史紀錄。這是因為火星大到足以經歷塑造類地行星的早期吸積與內部加熱過程，又小到足以保留這些過程的跡象。洞察號計畫將進行兩年的科學研究。

2021 年 3 月，NASA 根據「洞察號」在火星上測得的 500 多次火星地震報告指出，火星地核半徑約在 1,810 至 1,860 公里（約 1,120 至 1,160 英里）之間，大約為地球地核尺寸的一半，顯著小於先前的推測，這暗示火星地核可能由較輕的元素組成。

## 設計

洞察號登陸載具的設計將基於鳳凰號。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）。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。

### 規格：

質量

- 總計: 694kg
- 著陸器：358kg
- 減速傘：189kg
- 巡航平台：79kg
- 推進劑和加壓劑：67kg
- MARCO迷你衛星：每個13.5千克（30磅）

外形尺寸：太陽能電池板展開後寬約6.0米（19.7英尺）。蓋板寬約1.56米（5.1英尺），高0.83至1.08米（2.7至3.5英尺）（由於著陸器支架可以壓縮大小可隨時變化）。機械臂長度為2.4米（7.9英尺）。

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英尺），是由被諾斯洛普·格魯曼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。在火星表面著陸後，電池板會像摺扇一樣展開。

## 設備

洞察號裝備總重量為50千克，包括科學儀器和輔助系統，如輔助傳感器套件，攝像機，儀器部署系統和雷射反射器。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）：

- 內部結構地震實驗儀（SEIS）將精確測量火星上的地震和其他內部活動，以便能更好地了解火星的歷史和結構。此外，它還將研究隕石撞擊對火星地殼和地幔的影響，這為火星的內部結構提供了線索。SEIS由法國國家太空研究中心（CNES）提供，除此之外，巴黎全球物理研究所（IPGP）、蘇黎世聯邦理工學院（ETH）、馬克斯·普朗克太陽系研究所（MPS）、倫敦帝國學院(ICL)、法國高等航空航天學院（ISAE）、噴氣推進實驗室(JPL)等也參與了研究工作。地震計還將探測來自火星的大氣波和來自火星衛星火衛一的重力信號（潮汐力），最高可探測達到50Hz的高頻地震波。之後，內部結構地震實驗儀（SEIS）發現存在持續真空洩漏，導致洞察號任務被迫推遲兩年。

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矢量磁力計，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。

- 熱傳感物理特性箱（HP 3）是由德國航空航天中心（DLR）提供的一種自穿透熱傳感探頭。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英尺）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。它包含精確的溫度傳感器，每隔10厘米（3.9英寸）就對地下的溫度分布進行一次測量。尾部的拖拽裝置是由波蘭Astronika公司提供。
- 自轉和內部結構實驗儀（RISE）是由噴氣推進實驗室（JPL）領導的一項無線電科學實驗裝置，它將通過著陸器發射的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。根據之前的海盜號和探路者號數據的基礎，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。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，從而對類地行星的形成有著更為清楚的理解。
- 天氣和環境感應器（TWINS）是由西班牙國家研究委員製造的，它將對著陸點周圍的天氣、溫度和風速風向進行監測。
- 雷射反射器（LaRRI）是由義大利航太局提供的角反射器，它被裝在洞察號的最頂層。即使在著陸器退役之後，它也能夠通過軌道器進行無源雷射測距，並作為擬定的火星軌道運轉網路的節點。該裝置曾被裝在斯基亞帕雷利EDM登陸器上作為著陸雷射反射調查器（INRRI），其本身是個直徑54毫米（2.1英寸），質量為25克（0.9盎司）的鋁質圓頂，擁有8個二氧化矽反射器。
- 儀器展開臂（IDA）是一個2.4米的機械臂，用於將SEIS和HP3部署到火星表面。它也可以用於展開IDC相機。
- 儀器部署攝像機（IDC）是曾在火星探測漫遊者和火星科學實驗室計劃中使用的彩色導航攝像機。它被安裝在儀器展開臂上，將對著陸器上的儀器進行成像，並提供著陸點周圍地形的立體視圖。它具有45度角的視野，並使用1024×1024像素的電荷耦合器件探測器捕捉圖像。為獲得最佳解析度，IDC傳感器最初設計是黑白色傳感器，後來由於開發期限和預算得到滿足，且避險相機達到測試標準，IDC最終被替換為彩色傳感器。
- 背景攝影機（ICC）是也是曾在火星探測漫遊者和火星科學實驗室計劃中使用的避險彩色相機。它被安裝在著陸器表面的下面，並擁有視角為120度的廣角全景攝像機，提供儀器部署區域的互補視圖。同IDC一樣，它也使用了1024×1024像素的電荷耦合器件探測器。

## 發射

2018 年 2 月 28 日，洞察號由 C-17 運輸機從丹佛的洛克希德馬丁太空大樓，運送至加州的范登堡空軍基地，之後裝上運載火箭。後於 2018 年 5 月 5 日 11:05 （UTC），由擎天神 5 號 401 型運載火箭（編號 AV-078），自范登堡空軍基地的東三發射場（Space Launch Complex 3-East）發射升空。這也是美國首次從加州發射的行星際探測任務。

發射由NASA的發射任務計畫管理。最初計畫於 2016 年 3 月 4 日從美國加州的范登堡空軍基地，使用擎天神 5 號 401 型火箭發射，但因內部結構地震實驗儀發生真空洩漏，於 2015 年 12 月取消。重新規畫的發射窗口為 2018 年 5 月 5 日至 6 月 8 日。

運載火箭的主要組成為：通用核心助推器（未加裝固體火箭助推器）、搭載中繼通訊用立方衛星的半人馬座上級火箭、位於酬載整流罩內的洞察號。

前往火星的旅程耗時 6.5 個月，航行距離達 4.84 億公里（約 3.01 億英里），並於 2018 年 11 月 26 日約 19:54 （UTC）成功在火星著陸。之後展開為期三個月的部署階段；這是其兩個地球年（略多於一個火星年）主要任務的一部分。

## 著陸位置

由於洞察號的科學目標與火星特定表面特徵無關，因此潛在著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。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，無法確保安全著陸。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。每個地點都由一個著陸橢圓組成，這個尺寸大約是130×27公里（81×17英里）。

2017年3月，噴氣推進實驗室的科學家宣布著陸點已經確定。它位於埃律西昂平原西部，北緯4.5°東經135.9°的位置。登陸點位於好奇號火星車在蓋爾撞擊坑著陸區域以北約600公里（370英里）。

### 著陸

2018年11月26日19:54，洞察號成功登陸於埃律西昂平原。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。

### 探勘

2018年12月7日，洞察號首次捕捉到火星的風聲。

### 每日播報

美國航太局從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布火星每日天氣報告，提供火星氣溫、風速、氣壓等資訊。

## 立方衛星／太空船

「火星立方衛星一號」（Mars Cube One, MarCO）是構造相同的兩個 6U 立方衛星（分別編為MarCO A與MarCO Bs），目標是測試立方衛星在深空的導航與耐受能力，並於探測器的進入、下降與著陸階段協助中繼即時通訊（因距離而與地球有八分鐘延遲）。這兩顆衛星與「洞察號」一同發射，進入太空後不久便分離並伴隨洞察號著陸器航行。它們並未進入火星軌道，而是在進入、下降與著陸階段飛掠火星，並即時轉發「洞察號」的遙測數據。MarCO 成功證明了立方衛星平台可用於深空任務，也是未來類似任務的技術驗證範例。2019 年 2 月 5 日，NASA稱這些立方衛星已失去聯繫，未來不太可能再收到來自它們的訊號。

- 質量：每個 13.5 公斤（30 磅）。
- 尺寸：每個 30 公分 × 20 公分 × 10 公分（11.8 英寸 × 7.9 英寸 × 3.9 英寸）。
- 均配備反射陣列高增益天線
- 微型化無線電系統（UHF 波段僅供接收，X波段用於收發訊息）
- 搭載微型廣角攝影機。
- 冷氣體推進器用於調整姿態。
- 星象儀用於導航

## 參與團隊

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。

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。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，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。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。

主要國家機構：

- 美國國家航空航天局（NASA）
- 法國國家太空研究中心（CNES）
- 德國航空航天中心（DLR）
- 義大利航太局（ASI）

其他貢獻機構：

- 噴氣推進實驗室（JPL）
- 洛克希德馬丁公司（LMT）
- 巴黎全球物理研究所（IPGP）
- 蘇黎世聯邦理工學院（ETHZ）
- 馬克斯·普朗克太陽系研究所（MPS）
- 倫敦帝國學院（ICL）
- 法國高等航空航天學院（ISAE-SUPAERO）
- 牛津大學（Oxford）
- 西班牙天體生物學中心（CAB）
- 波蘭科學院空間研究中心（CBK）

## 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。由於之前的推遲發布，共進行了兩輪註冊，在2015年登記了826923個名字，2017年又增加了1602884個名字，共計達2429807個名字。全部通過電子束蝕刻到大小為8mm（0.3英寸）矽晶片中，每個字母蝕刻寬度只有頭髮寬度的1/1000。第一塊晶片於2015年11月安裝在著陸器上，第二塊晶片於2018年1月23日安裝。

## 圖像

- 洞察號被裝入波音C-17，準備前往加州的發射中心
- 洞察號預訂著陸區域

## 外部連結

- InSight NASA洞察號
- InSight NASA火星探測計劃
- InSight NASA洞察號傳回圖片(RAW)
- InSight NASA – 洞察號任務
- InSight NASA– 洞察號的Raw影像
- InSight NASA –（影片/03:31；2018年11月18日；細節）
- InSight NASA –（影片/01:38；2018年11月26日；著陸)
- InSight NASA –（影片/01:39；2018年12月1日；風聲）
- InSight NASA –（影片/02:48；2019年7月19日；火星地震）
- 火星天氣： InSight

## 基本資料

- 日語原文：洞察號、InSight
- 說明：微型衛星MarCO（上）與洞察號登陸器（下）
- 運營單位：NASA · JPL
- COSPAR_ID：2018-042A
- 衛星目錄序號：43457
- 任務類型：火星登陸探測器
- 任務時長：預定709個火星日（約728日）、實際共運作個火星日、（4年零18日 / 日）
- 製造商：洛克希德·馬丁
- 彈頭量：694kg
- landing_mass：358kg
- 尺寸：長6.0公尺，寬1.56公尺，高1.0公尺（完全展開時）
- 功耗：600 瓦、太陽能 / 鋰離子電池
- 推出時間：2018年5月5日、11時5分 UTC
- launch_rocket：擎天神5號運載火箭 401型
- 發射地點：范登堡空軍基地 范登堡空軍基地3號航太發射複合體
- launch_contractor：ULA
- last_contact：2022年12月15日
- 宣布票數：2022年12月21日
- 分類：探索計畫
- previous_mission：GRAIL
- next_mission：露西號
- 類型：lander
- object：火星
- arrival_date：2018年11月26日、19時52分59秒 UTC
- 地點：埃律西昂平原、4.5°N 135.0°E
- 類型：flyby
- component：MarCO
- arrival_date：2018年11月26日、19時52分59秒 UTC
- 距離：3500公里
- 縮寫：SEIS
- 氣缸蓋：內部構造地震儀
- 縮寫：HP3
- 名稱：熱流及物理特性綜合探測器
- 縮寫：RISE
- 名稱：自轉和內部結構實驗儀
- 縮寫：TWINS
- 名稱：天氣和環境感應器