2021年第一篇推送，是個(gè)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(hào)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(tái)[1]。洞察號(hào)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(hào)探測器的核心科學(xué)儀器之一，目標(biāo)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(gè)小小的鉆頭還有個(gè)親切的昵稱——“鼴鼠”。就是這個(gè)小東西 | NASA

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

事實(shí)上，就在2個(gè)月前，項(xiàng)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(diǎn)尷尬…

Part.1

初登火星時(shí)間倒回2年前。
2018年11月26日（美國時(shí)間），2018火星窗口里唯一的火星任務(wù)，萬眾矚目的洞察號(hào)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(hào)即將登陸火星，看點(diǎn)都在這里了！和 有驚無險(xiǎn)成功著陸火星！你好呀，洞察號(hào)！）（左）洞察號(hào)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(jī)拍到了著陸區(qū)一帶的高清照片（編號(hào)ESP_057939_1845、ESP_058005_1845），和隔熱盾、降落傘殘骸。圖像分辨率高達(dá)0.25米/像素 | 漢化自：參考文獻(xiàn) [2]

這里陽光充足、地勢地平，而且土質(zhì)細(xì)膩，連石塊都沒有幾個(gè)，從工程上來說，埃律西昂平原西部是個(gè)足夠安全的著陸點(diǎn)。只是當(dāng)時(shí)誰也沒想到，這里“不尋常”的土壤性質(zhì)，為之后熱流探測儀的安裝帶來了無盡的困擾。洞察號(hào)腳下細(xì)膩的紅色土地 | NASA/PIA22872

洞察號(hào)著陸器攜帶了兩大核心科學(xué)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(hào)本身是NASA主持的任務(wù)，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(xué)院(IPGP)負(fù)責(zé)，熱流探測儀主要由德宇航（DLR）負(fù)責(zé)。洞察號(hào)結(jié)構(gòu) | NASA/JPL-Caltech

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

項(xiàng)目組原本計(jì)劃花2-3個(gè)月時(shí)間來安裝這兩個(gè)儀器。當(dāng)然，現(xiàn)在的我們已經(jīng)知道了，他們當(dāng)時(shí)還是太自信了，對于熱流探測儀來說，這個(gè)時(shí)間將是——永遠(yuǎn)。

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(jī)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(hào)又順利給火震儀罩上了隔風(fēng)隔熱的保護(hù)罩。

洞察號(hào)安裝火震儀和保護(hù)罩過程實(shí)拍 | NASA/JPL-Caltech

2019年2月12日，洞察號(hào)開始安裝熱流探測儀。機(jī)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(yù)定地點(diǎn)，滿以為前期準(zhǔn)備工作不久就要完成了。

洞察號(hào)移動(dòng)熱流探測儀過程實(shí)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(hào)熱流探測儀打洞示意圖 | DLR [3]

遙想下周的打鉆工程，項(xiàng)目組的工程師們在謹(jǐn)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(xiàng)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(gè)“鼴鼠”，不會(huì)打洞之后的一周里，“鼴鼠”正式啟動(dòng)打洞程序，大家期待著很快會(huì)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(gè)小時(shí)，這是它的單次工作時(shí)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(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)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(dá)了這個(gè)深度，之后就沒再下得去了。

大約是這樣，打不進(jìn)去，還歪了 | NASA/JPL-Caltech/DLR

不過在那個(gè)時(shí)候，項(xiàng)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(shí)還沒有人把這當(dāng)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(shí)的工程師們推測，可能的原因有兩個(gè)：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(shí)用火震儀和相機(jī)觀察鉆頭下鉆時(shí)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(tái)熱流探測儀的復(fù)制品從德宇航被送到了NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dǎo)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(hào)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(hào)熱流探測儀結(jié)構(gòu)（左）和實(shí)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(gè)探測儀可以測量從地表到地下5米深處多個(gè)深度的溫度和鉆頭處的熱傳導(dǎo)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(xiàn) [4]

顯然，系繩是軟的，只有堅(jiān)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(shí)，內(nèi)部的電機(jī)帶動(dòng)鉆頭，利用彈簧的伸縮推動(dòng)錘擊系統(tǒng)，一點(diǎn)一點(diǎn)向下前進(jìn)。

“鼴鼠”的每個(gè)打鉆周期 | 參考文獻(xiàn) [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(jìn)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(huì)隨著彈簧的回縮而被拉回去，之前錘進(jìn)去的那一下也就白干了。

事實(shí)上，洞察號(hào)遇到的，就是這樣尷尬的狀況。

進(jìn)去一點(diǎn)，又出來了，真是急死人

但那時(shí)候的項(xiàng)目組依然樂觀，認(rèn)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(dòng)2019年6月，兩邊的工程師們開始了解救“鼴鼠”的嘗試，他們計(jì)劃用鏟子壓實(shí)“鼴鼠”旁邊的土壤，以此來增加打洞時(shí)的摩擦力。

地球上的模擬測試 | NASA/JPL-Caltech

項(xiàng)目組找到了兩個(gè)可能有效的“按壓點(diǎn)”（spot 1和spot 2），計(jì)算機(jī)模擬顯示，1號(hào)按壓點(diǎn)的效果會(huì)更好，但1號(hào)按壓點(diǎn)被支撐結(jié)構(gòu)的底座擋住了。

兩個(gè)可能有效的“按壓點(diǎn)”（spot 1和spot2）位置（左）和相應(yīng)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(dòng)，把支撐結(jié)構(gòu)往后移動(dòng)了20厘米。

ICC相機(jī)和IDC相機(jī)分別拍攝的移動(dòng)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(shí)了“鼴鼠”無法打洞的原因：確實(shí)是因?yàn)檫@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(hào)休假一個(gè)月。

10月初，新一輪解救計(jì)劃開始，項(xiàng)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(diǎn)，“鼴鼠”總算又下鉆了2厘米。

總算動(dòng)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(diǎn)了 | NASA/JPL-Caltech

然而到10月下旬，病情又反復(fù)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(shí)已經(jīng)是2019年10月26日，洞察號(hào)著陸后的第325個(gè)火星日，而“鼴鼠”幾乎又回到了起點(diǎn)。

接下來的幾個(gè)月，依然是這樣進(jìn)進(jìn)退退，令人越來越焦躁。洞察號(hào)就這樣迎來了2020年。

2020年2月，忍無可忍的項(xiàng)目組決定破釜沉舟，冒著可能損壞“鼴鼠”的風(fēng)險(xiǎn)，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(gè)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(huì)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(gè)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(jìn)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(hào)項(xiàng)目組已然堅(jiān)持表示沒有放棄希望，但事實(shí)是，“鼴鼠”應(yīng)該真的不會(huì)再有什么進(jìn)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(jìn)行了500次錘擊?？梢钥吹接型帘煌诔鰜?，但系繩卻一點(diǎn)沒被拉進(jìn)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(gè)火星日的“解救鼴鼠”行動(dòng)，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(xiàng)目日志[3]里寫下了這樣的話：

我們期待的時(shí)刻就要來臨，“鼴鼠”很快就會(huì)鉆到火星地下70厘米了！盡管我們已經(jīng)進(jìn)行了廣泛且嚴(yán)謹(jǐn)?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(dāng)然，阿波羅宇航員曾在月球上鉆過3米深，但那可不是機(jī)器做的。

但這些期待都沒能變成現(xiàn)實(shí)。

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(rèn)識(shí)到前所未有的新知…這些都是人類必須學(xué)習(xí)的功課。從這個(gè)角度來說，洞察號(hào)所遭遇的艱難和困境當(dāng)然不是毫無意義。

但這份失敗依然有點(diǎn)沉重，令人不勝唏噓。

畢竟，洞察號(hào)是迄今為止第一個(gè)也是唯一一個(gè)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(hào)發(fā)射升空：火星探地黑科技，太陽系的時(shí)光機(jī)）熱流探測儀的安裝如此困難，是否意味著這類儀器確實(shí)需要宇航員動(dòng)手安裝？無人打鉆真的難以應(yīng)對各種復(fù)雜的實(shí)際情況嗎？即使成功如嫦娥五號(hào)，也在鉆孔的時(shí)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(wù)來說，洞察號(hào)的經(jīng)歷著實(shí)算不上什么正反饋。

還有行星科學(xué)家對“鼴鼠”的前期設(shè)計(jì)和論證工作提出了質(zhì)疑，認(rèn)為地面試驗(yàn)用的模擬火星土壤就有問題 [6]。

盡管項(xiàng)目組一直表示：土壤不能為“鼴鼠”提供足夠的摩擦力，這是因?yàn)檫@里的土壤和之前火星任務(wù)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(shè)計(jì)的。

NASA在宣布“鼴鼠”停止工作的報(bào)告里明確表示這是因?yàn)椤爸憛^(qū)完全沒有預(yù)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(shè)計(jì)的” | NASA [1]

然而，“鼴鼠”團(tuán)隊(duì)2020年發(fā)表的鉆孔實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選擇了有一定粘聚力的玄武巖模擬物土壤（Syar）時(shí)：“ “鼴鼠”下鉆并不成功，它按預(yù)期向下鉆，但不久就停止了前進(jìn)。在同一地點(diǎn)增加了錘擊時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果 | 參考文獻(xiàn) [7]

這正是后來“鼴鼠”在火星上實(shí)際遇到的情況！

但當(dāng)時(shí)是怎么解決的呢？由于發(fā)射時(shí)間已經(jīng)臨近，項(xiàng)目組來不及解決這個(gè)問題，于是改為解決帶來問題的土壤——換個(gè)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(shí)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(shí)間不夠了，草草替換了模擬土壤 | 參考文獻(xiàn) [7]

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

而且這一課，還著實(shí)有點(diǎn)貴。

洞察號(hào)是NASA“發(fā)現(xiàn)級(jí)”任務(wù)的獲批項(xiàng)目，常規(guī)預(yù)算僅有4.5億美元（不包括發(fā)射費(fèi)；關(guān)于“發(fā)現(xiàn)級(jí)”項(xiàng)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(dǎo)致任務(wù)不僅發(fā)射延期兩年，還多花了1.5億美元，到發(fā)射的時(shí)候，預(yù)算已經(jīng)飆升到了8.13億美元。（當(dāng)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(hào)自2011年以來的年度花費(fèi)，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(shí)上，8億美元這還只是美國的投入，而洞察號(hào)作為一個(gè)國際合作的探測器，加上其他國家的投入的話，總計(jì)花費(fèi)近10億美元 [8]…夠發(fā)一個(gè)新視野號(hào)、朱諾號(hào)、冥王號(hào)那樣中等規(guī)模（“新疆界”級(jí)）的探測器了。

洞察號(hào)總花費(fèi) | TPS [8]

不知道NASA想想會(huì)不會(huì)有點(diǎn)崩潰：我直接套用“鳳凰號(hào)”設(shè)計(jì)模板做的探測器，兩個(gè)核心儀器還都給歐洲做了，怎么最后一點(diǎn)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(jìn)展，很難不令人遺憾甚至氣餒。

好在，最近洞察號(hào)又獲批延長了2年（同時(shí)獲得延期的還有正在探索木星的朱諾號(hào)）[9]。這意味著洞察號(hào)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(shí)間換產(chǎn)出的機(jī)會(huì)，多多少少可以彌補(bǔ)一點(diǎn)熱流探測儀失敗的損失吧。

再等幾個(gè)月，NASA的毅力號(hào)，中國的天問一號(hào)火星車都將登陸火星，至少到那個(gè)時(shí)候，洞察號(hào)和老將好奇號(hào)將不再孤單，它們會(huì)迎來新的伙伴。

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

以及，新的希望。

參考文獻(xiàn):

[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(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

（本文中標(biāo)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(hào)（kepubolan），轉(zhuǎn)載請注明公眾號(hào)出處


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