2021年第一篇推送，是個令人惋惜的故事。

就在前幾天（2021年1月14日），掙扎已久的NASA終于選擇躺平，宣布洞察號的熱流探測儀經(jīng)過多次搶救無效，將放棄打洞，告別火星探索舞臺[1]。洞察號著陸器探索火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的藝術(shù)想象 | Credits: IPGP/Nicolas Sarter
熱流探測儀是洞察號探測器的核心科學儀器之一，目標是將鉆頭打入火星地下五米深處，測量火星內(nèi)部的溫度。這個小小的鉆頭還有個親切的昵稱——“鼴鼠”。就是這個小東西 | NASA

然而，打個洞偏偏就這么難，洞察號花了一年半時間，用了種種辦法，愣是沒有把這個“溫度計”打下去。這場歷時一年半的“解救鼴鼠”行動，一直在努力，也一直在失敗，有時好像看到希望了，有時又打回了原點。

事實上，就在2個月前，項目組還把“成功將鼴鼠鉆入地下”作為“兩周年總結(jié)”的成果之一，表示要繼續(xù)打下去呢。
唉，氣氛突然有點尷尬…

Part.1

初登火星時間倒回2年前。
2018年11月26日（美國時間），2018火星窗口里唯一的火星任務，萬眾矚目的洞察號著陸器成功踏上火星赤道以北的埃律西昂平原西部。（詳見：NASA洞察號即將登陸火星，看點都在這里了！和 有驚無險成功著陸火星！你好呀，洞察號?。?img alt="" src="https://pqnoss.kepuchina.cn/2021/01/22/20210122095005_de4ffd">（左）洞察號著陸區(qū)一帶的地形，底圖MOLA；（右）2018年12月6日，NASA火星勘測軌道飛行器（MRO）用HiRISE相機拍到了著陸區(qū)一帶的高清照片（編號ESP_057939_1845、ESP_058005_1845），和隔熱盾、降落傘殘骸。圖像分辨率高達0.25米/像素 | 漢化自：參考文獻 [2]

這里陽光充足、地勢地平，而且土質(zhì)細膩，連石塊都沒有幾個，從工程上來說，埃律西昂平原西部是個足夠安全的著陸點。只是當時誰也沒想到，這里“不尋?！钡耐寥佬再|(zhì)，為之后熱流探測儀的安裝帶來了無盡的困擾。洞察號腳下細膩的紅色土地 | NASA/PIA22872

洞察號著陸器攜帶了兩大核心科學儀器：火震儀（SEIS）和熱流與物理性質(zhì)探測儀（HP3，以下簡稱“熱流探測儀”），通過“系繩”與著陸器主體相連。雖然洞察號本身是NASA主持的任務，但這倆核心儀器都是歐洲研制的：火震儀主要由法國國家空間中心(CNES) 和巴黎地球物理學院(IPGP)負責，熱流探測儀主要由德宇航（DLR）負責。洞察號結(jié)構(gòu) | NASA/JPL-Caltech

兩個儀器都是需要穩(wěn)定安裝在火星表面上然后才能進行科學觀測的。2018年12月上旬，洞察號項目組選定的用于安裝兩個儀器的區(qū)域，約4×2米范圍 | NASA/PIA22874

項目組原本計劃花2-3個月時間來安裝這兩個儀器。當然，現(xiàn)在的我們已經(jīng)知道了，他們當時還是太自信了，對于熱流探測儀來說，這個時間將是——永遠。

Part.2

躊躇滿志安裝火震儀的“夾娃娃”操作還是挺順利的。2018年12月19日，機械臂操縱抓鉤抓出六邊形的火震儀，安置在火星表面。2019年2月2日，洞察號又順利給火震儀罩上了隔風隔熱的保護罩。

洞察號安裝火震儀和保護罩過程實拍 | NASA/JPL-Caltech

2019年2月12日，洞察號開始安裝熱流探測儀。機械臂再次操縱抓鉤，抓起熱流儀挪到距離火震儀約1米開外的預定地點，滿以為前期準備工作不久就要完成了。

洞察號移動熱流探測儀過程實拍 | NASA/JPL-Caltech/DLR

接下來，只要熱流探測儀的鉆頭“鼴鼠”一路打洞到地下5米深就行了，so easy！

洞察號熱流探測儀打洞示意圖 | DLR [3]

遙想下周的打鉆工程，項目組的工程師們在謹慎之中也忍不住洋溢出自信來：“鼴鼠”還沒正式下鉆，大家甚至已經(jīng)提前把慶功蛋糕給吃了。

2019年2月21日，DLR項目組的慶功蛋糕，蛋糕上寫著“恭喜儀器安裝成功！” | DLR [3]

Part.3

這個“鼴鼠”，不會打洞之后的一周里，“鼴鼠”正式啟動打洞程序，大家期待著很快會傳回成功的消息。

但結(jié)果似乎不太理想。

2月28日，“鼴鼠”工作了4個小時，這是它的單次工作時長上限，之后就要休息散熱。這次鉆孔打了約20厘米深，而且還歪了15度，遠沒有達到預定的70厘米深。

傳回的數(shù)據(jù)還顯示，“鼴鼠”在開始打洞的5分鐘后就已經(jīng)到達了這個深度，之后就沒再下得去了。

大約是這樣，打不進去，還歪了 | NASA/JPL-Caltech/DLR

不過在那個時候，項目組還是挺樂觀的，畢竟鉆頭也沒壞，而且五分鐘就打了20厘米哎！不是很膩害么！彼時還沒有人把這當成什么不可克服的大問題。只是誰也沒有想到，噩夢已經(jīng)開始了。

那時的工程師們推測，可能的原因有兩個：1）“鼴鼠”可能遇到了石塊之類的障礙物，被卡住了；2）連接“鼴鼠”的系繩可能被什么纏住了，于是“鼴鼠”被“拽住”了。

到底是哪種原因，還需要更多測試。這些測試既包括在火星上繼續(xù)搗鼓鉆頭，同時用火震儀和相機觀察鉆頭下鉆時候的變化；也包括在地球上模擬鉆頭打洞可能遇到的情況——一臺熱流探測儀的復制品從德宇航被送到了NASA噴氣動力實驗室，供NASA的工程師們共同探討原因和解決方案。

NASA工程師測試“鼴鼠”模型 | NASA/JPL-Caltech

到了4月中旬，兩邊的工程師們都逐漸意識到了第三種可能的原因：可能是著陸區(qū)的土壤摩擦力不足，導致“鼴鼠”打不下去洞。

為啥打洞還跟摩擦力有關(guān)？這就要從“鼴鼠”的結(jié)構(gòu)和打洞原理說起了。

洞察號的熱流探測儀由支撐結(jié)構(gòu)和鉆頭組成，兩者由系繩連接。

洞察號熱流探測儀結(jié)構(gòu)（左）和實物圖（右）| 漢化自：NASA/DLR/HP3 Team

鉆頭長約40厘米，后面連著450多厘米的系繩，系繩上不同的間隔安裝了溫度傳感器。等熱流探測儀就位之后，整個探測儀可以測量從地表到地下5米深處多個深度的溫度和鉆頭處的熱傳導率。

鉆頭“鼴鼠”和系繩上的溫度傳感器分布 | Max Planck Institute/DLR和參考文獻 [4]

顯然，系繩是軟的，只有堅硬的鉆頭有打洞能力，需要鉆頭自己向地下打洞，把系繩帶到地下深處。

“鼴鼠”鉆孔時，內(nèi)部的電機帶動鉆頭，利用彈簧的伸縮推動錘擊系統(tǒng)，一點一點向下前進。

“鼴鼠”的每個打鉆周期 | 參考文獻 [5]

這種“一拱一拱”的樣子神似鼴鼠打洞，這也是鉆頭昵稱“鼴鼠”的由來。

鉆頭“鼴鼠”打洞原理 | DLR [3]

這種打洞方式能夠進行下去的前提條件是，土壤需要有足夠的摩擦力維持鉆頭停留在已有深度處，如果摩擦力不足以平衡反沖力的話…鉆頭就會隨著彈簧的回縮而被拉回去，之前錘進去的那一下也就白干了。

事實上，洞察號遇到的，就是這樣尷尬的狀況。

進去一點，又出來了，真是急死人

但那時候的項目組依然樂觀，認為“如果是第三種原因，那反而好辦了”[3]——增加摩擦力不就行了么。

Part.4

“解救鼴鼠”行動2019年6月，兩邊的工程師們開始了解救“鼴鼠”的嘗試，他們計劃用鏟子壓實“鼴鼠”旁邊的土壤，以此來增加打洞時的摩擦力。

地球上的模擬測試 | NASA/JPL-Caltech

項目組找到了兩個可能有效的“按壓點”（spot 1和spot 2），計算機模擬顯示，1號按壓點的效果會更好，但1號按壓點被支撐結(jié)構(gòu)的底座擋住了。

兩個可能有效的“按壓點”（spot 1和spot2）位置（左）和相應產(chǎn)生的壓力圖（右）| DLR [3]

好辦，擋了就挪走。2019年6月1日，抓鉤再次出動，把支撐結(jié)構(gòu)往后移動了20厘米。

ICC相機和IDC相機分別拍攝的移動過程，支撐結(jié)構(gòu)底座的痕跡清晰可見 | NASA/JPL-Caltech

挪開支架后的影像也證實了“鼴鼠”無法打洞的原因：確實是因為這里的土壤摩擦力太小。

但7-8月的壓土操作沒有成功，“鼴鼠”并沒能繼續(xù)下鉆。

鏟子按壓土壤的痕跡 | NASA/JPL-Caltech

9月是火星合日，通訊中斷，洞察號休假一個月。

10月初，新一輪解救計劃開始，項目組嘗試了另一種增加摩擦力的方法：用鏟子側(cè)壓住“鼴鼠”，直接把它固定住無法回彈。

這次效果好了一點，“鼴鼠”總算又下鉆了2厘米。

總算動了 | NASA/JPL-Caltech

眼看著“鼴鼠”馬上就要完全鉆入地下，勝利在望。

就差一點了 | NASA/JPL-Caltech

然而到10月下旬，病情又反復了。本來已經(jīng)快沒入土中的“鼴鼠”突然又滑出來了。

又白忙活了 | NASA/JPL-Caltech

此時已經(jīng)是2019年10月26日，洞察號著陸后的第325個火星日，而“鼴鼠”幾乎又回到了起點。

接下來的幾個月，依然是這樣進進退退，令人越來越焦躁。洞察號就這樣迎來了2020年。

2020年2月，忍無可忍的項目組決定破釜沉舟，冒著可能損壞“鼴鼠”的風險，用鏟子正面壓上了鼴鼠，想直接把它懟下去——這或許是能讓鼴鼠完全沒入地下的唯一方法。

要正面剛了 | NASA/JPL-Caltech

4月，好像又看到了希望！

NASA/JPL-Caltech

5月30日，著陸后的第536個火星日，“鼴鼠”總算完全埋入地下了！

NASA/JPL-Caltech

只不過，埋入地下的“鼴鼠”會面臨新的難題：系繩是軟的，無法提供支撐力，“鼴鼠”沒入地下之后，就越來越難從地面的施壓借力了。

接下來的幾個月里，鏟子繼續(xù)奮力推壓、剮蹭、埋土，一邊防止“鼴鼠”反彈，一邊繼續(xù)給“鼴鼠”助攻。但遺憾的是，系繩完全沒有被拉進土里的意思，這意味著“鼴鼠”自己沒能繼續(xù)下鉆。

NASA/JPL-Caltech

然后就是最近了。盡管在2020年的尾聲里，洞察號項目組已然堅持表示沒有放棄希望，但事實是，“鼴鼠”應該真的不會再有什么進展了。

這是2021年1月9日，“鼴鼠”最后一輪奮力錘擊鉆土的畫面，共進行了500次錘擊?？梢钥吹接型帘煌诔鰜?，但系繩卻一點沒被拉進去。

盡力了，真的鉆不下去更多了 | NASA/JPL-Caltech [1]

這場持續(xù)到第754個火星日的“解救鼴鼠”行動，終于還是以失敗告終。

Part.5

沉重的失敗遙想2019年2月21日，“鼴鼠”開始下鉆的前一周，德宇航的工程師們躊躇滿志地在項目日志[3]里寫下了這樣的話：

我們期待的時刻就要來臨，“鼴鼠”很快就會鉆到火星地下70厘米了！盡管我們已經(jīng)進行了廣泛且嚴謹?shù)臏y試，但不確定性依然是存在的。

這是人類從未在另一顆類地行星上做過的壯舉。當然，阿波羅宇航員曾在月球上鉆過3米深，但那可不是機器做的。

但這些期待都沒能變成現(xiàn)實。

探索未知的路上，注定交織著喜悅與挫折。在躊躇滿志中迎接失落，從一次次失敗中苦苦求索；不斷探尋原因，嘗試新的解決方案，不斷打破自信，認識到前所未有的新知…這些都是人類必須學習的功課。從這個角度來說，洞察號所遭遇的艱難和困境當然不是毫無意義。

但這份失敗依然有點沉重，令人不勝唏噓。

畢竟，洞察號是迄今為止第一個也是唯一一個全職火星地球物理探測器，是人類探索火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化的希望之星。（詳見：NASA洞察號發(fā)射升空：火星探地黑科技，太陽系的時光機）熱流探測儀的安裝如此困難，是否意味著這類儀器確實需要宇航員動手安裝？無人打鉆真的難以應對各種復雜的實際情況嗎？即使成功如嫦娥五號，也在鉆孔的時候遇到了意想不到的問題呢…至少對接下來相似類型的任務來說，洞察號的經(jīng)歷著實算不上什么正反饋。

還有行星科學家對“鼴鼠”的前期設計和論證工作提出了質(zhì)疑，認為地面試驗用的模擬火星土壤就有問題 [6]。

盡管項目組一直表示：土壤不能為“鼴鼠”提供足夠的摩擦力，這是因為這里的土壤和之前火星任務遇到的土壤都不一樣，而“鼴鼠”卻是基于之前探測器遇到的土壤性質(zhì)設計的。

NASA在宣布“鼴鼠”停止工作的報告里明確表示這是因為“著陸區(qū)完全沒有預料到的土壤性質(zhì)”“而“鼴鼠”卻是基于之前探測器遇到的土壤性質(zhì)設計的” | NASA [1]

然而，“鼴鼠”團隊2020年發(fā)表的鉆孔實驗論文[7]里似乎暴露了一些值得重視的問題：“鼴鼠”在地面測試時就已經(jīng)遇到過摩擦力不夠?qū)е码y以打洞的情況了。

地面測試時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當選擇了有一定粘聚力的玄武巖模擬物土壤（Syar）時：“ “鼴鼠”下鉆并不成功，它按預期向下鉆，但不久就停止了前進。在同一地點增加了錘擊時長后，"鼴鼠"開始慢慢地從土壤中縮回。”

Syar土壤環(huán)境下的打洞實驗結(jié)果 | 參考文獻 [7]

這正是后來“鼴鼠”在火星上實際遇到的情況！

但當時是怎么解決的呢？由于發(fā)射時間已經(jīng)臨近，項目組來不及解決這個問題，于是改為解決帶來問題的土壤——換個土壤搞測試，不用玄武巖土壤，只用石英砂，模擬結(jié)果不就沒問題了嘛。至于火星土壤實際是怎么樣的，只要相信“石英砂更能代表火星土壤的特性”就可以了！

時間不夠了，草草替換了模擬土壤 | 參考文獻 [7]

這意味著，“鼴鼠”把一個“在地上沒有解決的隱患帶到了天上”，最終殘酷的現(xiàn)實給所有人上了沉重的一課。

而且這一課，還著實有點貴。

洞察號是NASA“發(fā)現(xiàn)級”任務的獲批項目，常規(guī)預算僅有4.5億美元（不包括發(fā)射費；關(guān)于“發(fā)現(xiàn)級”項目，詳見：金星、木衛(wèi)一，還是海衛(wèi)一？）。但由于火震儀出了問題，導致任務不僅發(fā)射延期兩年，還多花了1.5億美元，到發(fā)射的時候，預算已經(jīng)飆升到了8.13億美元。（當然，非說超額還延期的話，和鴿王韋伯相比倒也不算啥…）

洞察號自2011年以來的年度花費，不考慮通脹（上）和考慮通脹（下）| 數(shù)據(jù)來源：Planetary Science Budget Dataset，整理：Casey Dreier/TPS [8]

事實上，8億美元這還只是美國的投入，而洞察號作為一個國際合作的探測器，加上其他國家的投入的話，總計花費近10億美元 [8]…夠發(fā)一個新視野號、朱諾號、冥王號那樣中等規(guī)模（“新疆界”級）的探測器了。

洞察號總花費 | TPS [8]

不知道NASA想想會不會有點崩潰：我直接套用“鳳凰號”設計模板做的探測器，兩個核心儀器還都給歐洲做了，怎么最后一點沒省到錢，還多花了這么多？？？

但無論如何，如此巨大的投入，卻換來如此坎坷的進展，很難不令人遺憾甚至氣餒。

好在，最近洞察號又獲批延長了2年（同時獲得延期的還有正在探索木星的朱諾號）[9]。這意味著洞察號尚且健康的火震儀、自轉(zhuǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測儀、火星氣象站這三組儀器獲得了用時間換產(chǎn)出的機會，多多少少可以彌補一點熱流探測儀失敗的損失吧。

再等幾個月，NASA的毅力號，中國的天問一號火星車都將登陸火星，至少到那個時候，洞察號和老將好奇號將不再孤單，它們會迎來新的伙伴。

截止2021年初的火星著陸任務位置，這里的“成功”僅按“成功著陸且順利開展探測工作計 | 底圖：MOLA，制圖：haibaraemily

以及，新的希望。

參考文獻:

[1] NASA |NASA InSight's ‘Mole' Ends Its Journey on Mars

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-insight-s-mole-ends-its-journey-on-mars

[2] Golombek, M., Warner, N. H.,Grant, J. A., Hauber, E., Ansan, V., Weitz, C. M., ... & Banerdt, W. B.(2020). Geology of the InSight landing site on Mars. NatureCommunications, 11(1), 1-11.

[3] DLR | The InSightmission logbook (February 2019 - July 2020)

https://www.dlr.de/blogs/en/all-blog-posts/The-InSight-mission-logbook.aspx

[4] Spohn, T., Grott, M., Smrekar, S. E., Knollenberg, J.,Hudson, T. L., Krause, C., ... & Banerdt, W. B. (2018). The heat flow andphysical properties package (HP3) for the InSight mission. Space Science Reviews, 214(5), 96.

[5] Marshall, J. P., Hudson, T. L., & Andrade, J. E.(2017). Experimental Investigation of InSight HP3 Mole Interaction with MartianRegolith Simulant. Space Science Reviews, 211(1-4), 239-258.

[6] https://twitter.com/kmcannon/status/1350213369765179400

[7] Wippermann, T., Hudson, T. L., Spohn, T., Witte, L.,Scharringhausen, M., Tsakyridis, G., ... & Lichtenheldt, R. (2020).Penetration and performance testing of the HP3 Mole for the InSight Mars mission. Planetary and SpaceScience, 181,104780.

[8] TPS | Cost of Mars InSight

https://www.planetary.org/space-policy/cost-of-mars-insight

[9] NASA | NASA ExtendsExploration for Two Planetary Science Missions

https://mars.nasa.gov/news/8829/nasa-extends-exploration-for-two-planetary-science-missions/

出品：科普中國

制作：haibaraemily

監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心

（本文中標明來源的圖片已獲得授權(quán)）

本文來源于”中國科普博覽“公眾號（kepubolan），轉(zhuǎn)載請注明公眾號出處


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