拯救“鼴鼠”失敗，“洞察號”放棄打洞

文/ 徐蒙

2021 年1 月14 日，掙扎已久的美國宇航局（NASA）終于宣布：洞察號（InSight）火星探測器的熱流探測儀經過多次搶救無效，將放棄在火星上打洞，遺憾告別火星探索舞臺。

▲ 洞察號著陸器探索火星內部結構的藝術想象圖

▲ 被稱為“鼴鼠”的鉆頭

熱流探測儀是洞察號火星探測器的核心科學儀器之一，目標是將鉆頭打入火星地下5 米深處，測量火星內部的溫度。這個小小的鉆頭還有個親切的昵稱——“鼴鼠”（mole)。

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，有時又退回到原點。事實上，就在宣布放棄兩個月前，項目組還把“成功將鼴鼠鉆入地下”作為“兩周年總結”的成果之一，表示要繼續打下去呢。

初登火星

時間倒回兩年前。

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。

這里陽光充足、地勢低平，而且土質細膩，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。只是誰也沒想到，這個足夠安全的著陸點的土壤性質，為之后熱流探測儀的安裝帶來了無盡的困擾。

洞察號著陸器攜帶了兩大核心科學儀器：火震儀（SEIS）和熱流與物理性質探測儀（HP3，以下簡稱“熱流探測儀”），兩者均通過“系繩”與著陸器主體相連。雖然“洞察號”本身是美國宇航局主持的任務，但這兩個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)負責研制，熱流探測儀主要由德宇航（DLR）負責。兩個儀器都是需要穩定安裝在火星表面上,然后才能進行科學探測的。項目組原本計劃花2～3個月時間來安裝這兩個儀器。當然，現在我們已經知道，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。

▲ （左）洞察號著陸區一帶的地形，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

▲ “洞察號”熱流探測儀打洞示意圖

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火震儀，將它安置在火星表面。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。

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。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。

項目組的工程師們遙想了一下下周的打鉆工程，在謹慎之中也忍不住洋溢出自信來?！褒B鼠”還沒正式下鉆，大家甚至已經提前把慶功蛋糕給吃了。

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 厘米深度。傳回的數據還顯示，“鼴鼠”在開始打洞的5分鐘后就已經到達了這個深度，之后就再也沒有往下去了。

▲ “洞察號”腳下細膩的紅色土地

▲ “洞察號”結構

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5 分鐘就打了20 厘米，不是很厲害么！只是誰也沒有想到，這僅僅是噩夢的開始。

▲ 美國宇航局工程師測試“鼴鼠”模型

▲ “洞察號”熱流探測儀結構（左）和實物圖（右）

▲ 地球上的模擬測試

當時工程師們推測了“鼴鼠”只打了約20 厘米可能的原因：“鼴鼠”可能遇到了石塊之類的障礙物，導致它被卡住了；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搗鼓鉆頭，同時用火震儀和相機觀察鉆頭下鉆時的變化；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中心送到了美國宇航局噴氣動力實驗室，供美國宇航局的工程師們共同探討原因和解決方案。

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：著陸區的土壤摩擦力不足，導致“鼴鼠”打不下去洞。

為啥打洞還跟摩擦力有關？這就要從“鼴鼠”的結構和打洞原理說起了。

“洞察號”的熱流探測儀由支撐結構和鉆頭組成，兩者由系繩連接。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。

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，內部的電機帶動鉆頭，利用彈簧的伸縮推動錘擊系統，一點一點向下前進。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。

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，如果摩擦力不足以平衡反沖力的話，鉆頭就會隨著錘擊系統的回縮而被拉回去，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。

“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。

▲ 大約是這樣，打不進去，還歪了

▲ “鼴鼠”的每個打鉆周期

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 號按壓點被支撐結構的底座擋住了。擋了就挪走。2019 年6 月1 日，抓鉤再次出動，把支撐結構往后移動了20厘米。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”并沒能繼續下鉆。9 月是火星合日，通訊中斷，“洞察號”休假一個月。10 月初，新一輪解救行動開始，項目組嘗試了另一種增加摩擦力的方法：用鏟子側壓住“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。然而到10 月下旬，病情又反復了。本來已經快沒入土中的“鼴鼠”突然又滑出來了。

此時已經是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?！岸床焯枴本瓦@樣迎來了2020 年。

▲ 兩個可能有效的“按壓點”（spot 1 和spot2）位置（左）和相應產生的壓力圖（右）

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”，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。

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！只不過，埋入地下的“鼴鼠”面臨了新的難題：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，鏟子繼續奮力推壓、剮蹭、埋土，一邊防止“鼴鼠”反彈，一邊繼續給“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”自己沒能繼續下鉆。

盡管在2020 年的尾聲里，“洞察號”項目組依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。

2021 年1 月9 日，“鼴鼠”最后一輪奮力錘擊鉆土，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。這場一直持續到第754 個火星日的“解救鼴鼠”行動，終于還是以失敗告終。

沉重的失敗

遙想2019 年2 月21 日，“鼴鼠”開始下鉆的前一周，德宇航的工程師們曾躊躇滿志地在項目日志里寫下這樣的話：

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

▲ 要正面剛了

▲ 德宇航局在2019 年4 月11 日的項目日志里明確表示“地質學家們在之前的火星任務里看到的火星表面沙子是沒有粘聚力的，是應該能夠為‘鼴鼠’提供摩擦力的…只是洞察號打洞的這里硬殼有點厚”。

然而，這些期待都沒能變成現實。這次失敗的教訓有點沉重，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，是人類探索火星內部結構和演化的希望之星。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航天員動手安裝？無人打鉆真的難以應對各種復雜的實際情況嗎？至少對接下來相似類型的任務來說，“洞察號”的經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疑，認為地面試驗用的模擬火星土壤有問題。

盡管項目組一直表示：土壤不能為“鼴鼠”提供足夠的摩擦力，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設計的?？傊?，是運氣不好加上對火星的認識還不足。

然而，“鼴鼠”團隊2020 年發表的鉆孔實驗論文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遇到過摩擦力不夠導致難以打洞的情況了。

地面測試選擇了3 種不同粘聚力的物質來模擬火星土壤：石英砂WF34、玄武巖模擬物Syar、碾碎的玄武巖砂和粉塵混合物MMS。其中石英砂WF34 幾乎沒有粘聚力，而玄武巖模擬物Syar 和混合物MMS 都是有一定粘聚力的。

結果顯示，在有一定粘聚力的玄武巖模擬物Syar 土壤環境下，“鼴鼠”的打洞并不順利：“在Syar 土壤的第一次測試中，‘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?！薄@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？由于發射時間已經臨近，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！

這意味著，“鼴鼠”把一個在地上沒有解決的隱患帶到了天上，最終殘酷的現實給所有人上了沉重的一課。這一課，還著實有點貴。

“洞察號”是美國宇航局“發現級”任務的獲批項目，常規預算僅有4.5 億美元。但由于火震儀出了問題，導致任務不僅發射延期兩年，還多花了1.5 億美元，到發射的時候，預算已經飆升到了8.13 億美元。

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，夠發一個“新視野號”“朱諾號”那樣中等規模（“新疆界”級）的探測器了——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。

▲ 躊躇滿志的科學家

好在，最近“洞察號”又獲批延長了2年，這意味著它尚且健康的火震儀、自轉和內部結構探測儀、火星氣象站這3 組儀器獲得了用時間換產出的機會，多多少少可以彌補一點熱流探測儀失敗的損失吧。

美國宇航局的“毅力號”已登陸火星，中國的天問一號火星車也將登陸火星，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以及新的希望?！?/p>