人类与跨越行星物种最接近的一刻洞察号抵达火星

　　洞察号火星着陆器在2018年5月5日出发，花了205天时间、飞行4。8亿千米，美国东部时间2018年11月26日成功降落火星表面！2019年2月5日小行星任务结束。今天，我们近距离接触一下让人类距离成为一个能跨越行星生存的物种，最接近的那一步洞察号抵达火星。
　　一、人类火星探测简史
　　太阳系有个宜居带的概念：在这个区间内，可能稳定存在液态水，能够孕育生命。当早期天文学家们提出这个概念时，他们认为地球母亲和她的邻居金星、火星，都有可能存在生命。
　　金星与地球看起来个头和质量都非常接近（相差在10左右），成为我们最大的幻想，中国古代把她叫做启明、太白，西方还叫她为爱神维纳斯，甚至科幻小说中都把她当作人类踏出地球第一选择。在人类进入苏联与美国的太空竞赛时代，苏联押了国运赌上金星探测，结局非常悲惨：金星只是个周身400多摄氏度、气压是地球92倍、二氧化碳含量96。5（地球仅为0。04）的太阳系最大炼狱。
　　火星、地球与金星真实比例对比（图自：NASA）
　　火星看起来是个小不点（仅有地球15），距离地球更远，通身由于广泛存在的氧化铁变得荧荧如火，在西方成了瘟疫战争之神，在东方荧惑守心也是最为不祥的所在。事实上火星的情况也不理想：大气压只有不到地球1、没有磁场保护、平时零下几十度，但夏天能到2030度、两极拥有海量的干冰和水冰，比金星实在好太多了。美国押宝了火星，不仅实现了第一次飞掠任务（1965年水手四号）、第一次环绕任务（1971年水手九号）、第一次成功软着陆（1976年维京海盗一号），还成功击败了苏联。
　　可是随着这些早期探测器的研究，大家惊奇的发现：火星的心已经凉了，她的体积质量太小，维持不住自己的温度，在快速丢失大气、磁场、水分，变得孤寂不已。且在探测她的过程中，人类也损失惨重。
　　二、火星探测，很痛苦，也收获很大
　　火星距离太阳更远，轨道周期为687天，每隔780天才能和地球会合一次，这意味着人类每隔2年2个月时间才迎来一次探测窗口。
　　洞察号火星着陆器霍曼转移轨迹
　　这并不是唯一的阻碍，人类的科技依然很弱，很难挣脱地球引力的束缚，即便用强大的火箭前往火星也需要老实遵循一个叫做霍曼转移的方式：走完一个外切地球轨道、内切火星轨道的半个椭圆，时长为611个月不等。即便洞察号赶上了1517年一遇的火星大冲（距离地球最近），依然用了6个多月时间。如果未来载人登陆火星，甚至需要等待下一次窗口才能回来地球，总时长在3年左右。
　　在过去的60年内，人类探测火星只有50左右成功率，像洞察号一样尝试最简单的火箭反推方式、但不幸着陆失败的，都有苏联的火星2号3号6号，美国的极地登陆者号深空二号，欧洲的小猎犬2号斯基亚帕雷利号，简直惨不忍睹。
　　洞察号到达之前的火星着陆版图（数据来源：MOLA，制图：Haibaraemily）
　　可是，后来成功的探测器却在火星获得了让人吃惊的回报：水手9号发现了太阳系最高的奥林帕斯山和最长的水手峡谷，全球勘探者号发现了冰川、湖泊和水沟存在的痕迹、奥德赛号发现了广泛存在的地下水分、火星快车号甚至发现了巨大的地底湖泊、好奇号发现了甲烷类有机物存在的直接证据，在今日洞察号成功之前，仍在火星上工作的美国探测器已经高达6部。
　　但它们没有一个能深入火星土壤，感受她的心。
　　因而，人类火星研究还差一个核心内容：火星的心，到底是不是凉的？
　　三、洞察号，为打开你的心扉而来
　　为补充之前火星探测任务没有做过的事情（探测火星的内部地质情况），洞察号主要携带了最先进的行星地震仪（火震仪）和热流侦测器，深入火星内部。笔者曾跟NASA相关负责人交流过，单是热流侦测器就需要通过独特的打井式结构设计在数月时间内像一个小甲虫一样不断往下挖，最终钻下5米左右。未来时间内，它的主要工作将是揭开火星内部热流的神秘面纱，感受她的心。火震仪也将感受火星内部一丝一毫的震动。
　　洞察号将会深入地底，研究那里深藏的秘密（图自：NASA）
　　此外，洞察号还将携带一个小型双星编队飞掠火星，它们仅能执行飞掠任务无法进入火星轨道，不过它们将验证最新的深空探测实时通信和新频段通信技术，这次火星着陆任务能几乎第一时间传回地球（事实上还是经过了数分钟的延迟，这已经是最低限度）就是它们的功劳。随后它们将在火星引力的作用下，被甩向宇宙深处，从此殒命。
　　这种黑科技也造价不菲，即便洞察号是基于2007年凤凰号火星探测器的平台发展而来大大减少了研发费用和相关成本，但由于后续的所有新仪器和发射费用最后还是高达8。3亿美元，让人不禁对火星探测的费用再次咂舌。
　　NASA也没有浪费这个千载难逢的科普机会，在洞察号出发前曾经经过了轰轰烈烈的征名活动。NASA宣布在洞察号任务的芯片储存区间里留出一块给所有愿意前往火星的人：你可以注册下自己的名字。NASA收集了超过240万个名字刻进洞察号的储存器里，跟着洞察号一起飞向火星，并将永远留在那里。
　　笔者的船票
　　你在么？
　　四、今天的死亡七分钟着陆，到底有多难？
　　火星距离地球最近时也在6000万公里级别，这已经意味着至少400秒的往返通讯延迟，而实际着陆时距离更远、时间远大于此，跟月球着陆仅2秒多的通讯延迟可谓天壤之别，这就意味着航天器着陆过程必须全部自主完成。
　　洞察号抵达时没有动力大幅度调整轨道，只能立即冲入火星大气，从开始进入火星大气边缘到最终火星着陆，只有7分钟左右时间。火星大气稀薄，但由于速度巨大意味着摩擦依然能产生很多热量，且热量会不断在航天器表面积累，依然能够抵达惊人的1500多摄氏度。这些因素综合在一起，导致火星的降落难度甚至超过地球。
　　困难从来不是航天科学家们畏缩的借口，他们会穷尽一切技术完成征服火星的任务，将着陆火星分成了几个主要步骤（实际上有1000个左右细节步骤）。
　　靠近火星：包裹的严严实实的探测器抵达火星附近约3000千米，期间探测器保持与地球的联系，最后一遍确认各个系统正常工作；
　　着陆器分离：着陆部分依然携带通讯和辅助装置，在1000多千米高处二者完全分离。自此之后，洞察号失联，剩下的15分钟路程必须靠自己走；
　　调整姿态：仅仅7分钟后，洞察号就已经飞到了火星上空125千米处。它开始向着陆目标进发，期间姿态控制喷气发动机工作，严格控制着陆轨迹角度与方向。它的计算机开始快速计算以目前这个角度入轨时产生的热量，以免超过隔热层能忍受的极限；
　　冲进大气：调整完角度后，探测器开始以近5500米秒速度冲击进火星大气，七分钟的死亡之旅正式开始！
　　核心降落步骤（图自：NASA；译制：Haibaraemily）
　　海水与火焰：在50千米高度处，探测器隔热层热量达到巅峰，它的温度达到了惊人的1500摄氏度，而此时它必须依靠隔热层复合材料升华而快速释放热量。不过不用担心，在各种高科技和隔热层的巨大牺牲下，洞察号所处的温度仅为10度左右，这个温度下人类还需要穿着毛衣，一点都不热；
　　大气减速：隔热层与大气的疯狂摩擦和牺牲不仅是为了保护这个昂贵的探测器，在这个过程中大气也实现了减速效果，着陆器速度降到400米秒左右；
　　降落伞减速：在距离火星表面仅11千米左右时，由几十根线连接、50米高、10余米直径的巨大降落伞打开，探测器受到了近10倍的重力加速度。
　　再见隔热层：在距离火星地面仅10千米时，此时的空气摩擦对于着陆器已经不再是挑战，光荣完成任务的隔热层将会被抛离。它在刚才的几十秒内，被烧得不成样子，现在终于成为整个探测器第一个抵达火星的部分。虽然它的结局是直接摔得粉身碎骨，不过这个第一也算是对它辛勤工作的最后奖励！
　　雷达工作：抛离了隔热层仅仅5秒后，暴露出来的雷达们立即开始急速工作，它们需要时刻紧盯目标着陆区域，认真检验当前着陆器所有状态，监测实际情况与原计划目标着陆地的匹配程度，以传递给计算机正确的信息作出调整，工作速度慢的话探测器可能就直接坠毁！
　　再见降落伞：通过降落伞又继续工作1分钟左右后，整个着陆器的速度终于降到了仅有60米秒。虽然这个速度在地球上跑完人类百米依然只需要1。6秒，但它已经比刚开始的16倍声速好了太多。巨大的降落伞在完成任务后带着上部保护层脱离，剩下的旅程只能靠着陆器自己完成。
　　反冲火箭工作：离开降落伞后，着陆器依靠底部强大的反推火箭工作开始减速，着陆器内部装有较大的燃料罐，减速到逐渐悬停并缓慢下落。在着陆过程中，着陆器底部的各种雷达、激光和传感器等辅助系统快速工作，需要最终极其仔细检查地面情况，避免乱石堆、斜坡、沟谷的特殊地貌，否则探测器极有可能由于着陆姿势不对而前功尽弃。由于巨大的燃料罐和反推火箭（相对着陆器本身体积）、各种传感系统都装在着陆器底部，导致这种着陆器的着陆腿必须很长，还要最大限度降低重心，更需要小心。
　　降落瞬间：发动机必须立即停止工作，否则推力会导致洞察号立即翻转过来，前功尽弃。同时，发动机底部如果激起过多粉尘，也可能对核心仪器产生致命的影响。
　　最后，终于落到火星！
　　洞察号在着陆后几乎第一时间就发回了首张火星表面照片。
　　洞察号拍下的第一张火星照片，可以看到防尘罩上（将被抛掉）依然留有反冲火箭最后工作激起的尘土（图自：NASA）
　　洞察号：205天跨越4。8亿千米深入你的心，火星，你准备好了么？