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"解救鼹鼠"历时一年半宣告失败,NASA洞察号遗憾放弃打洞

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  出品:科普中国

  制作:haibaraemily

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  就在前几天(2021年1月14日),挣扎已久的NASA终于选择躺平,宣布洞察号的热流探测仪经过多次抢救无效,将放弃打洞,告别火星探索舞台 [1]。


  △洞察号着陆器探索火星内部结构的艺术想象 | Credits: IPGP/Nicolas Sarter

  热流探测仪是洞察号探测器的核心科学仪器之一,目标是将钻头打入火星地下五米深处,测量火星内部的温度。

  这个小小的钻头还有个亲切的昵称——"鼹鼠"。


  △就是这个小东西 | NASA

  然而,打个洞偏偏就这么难,洞察号花了一年半时间,用了种种办法,愣是没有把这个"温度计"打下去。

  这场历时一年半的"解救鼹鼠"行动,一直在努力,也一直在失败,有时好像看到希望了,有时又打回了原点。

  事实上,就在2个月前,项目组还把"成功将鼹鼠钻入地下"作为"两周年总结"的成果之一,表示要继续打下去呢。


  △唉,气氛突然有点尴尬…

  时间倒回2年前。

  2018年11月26日(美国时间),2018火星窗口里唯一的火星任务,万众瞩目的洞察号着陆器成功踏上火星赤道以北的埃律西昂平原西部。

  (详见:NASA洞察号即将登陆火星,看点都在这里了!https://mp.weixin.qq.com/s/K5X4HVwwd02oeScn77Ebcw 和 https://mp.weixin.qq.com/s/NMffu30xB5BNiZ3L6qH6vg)


  △左图为洞察号着陆区一带的地形,底图MOLA;右图为2018年12月6日,NASA火星勘测轨道飞行器(MRO)用HiRISE相机拍到了着陆区一带的高清照片(编号ESP_057939_1845、ESP_058005_1845),和隔热盾、降落伞残骸。图像分辨率高达0.25米/像素|汉化自:参考文献 [2]

  这里阳光充足、地势地平,而且土质细腻,连石块都没有几个,从工程上来说,埃律西昂平原西部是个足够安全的着陆点。

  只是当时谁也没想到,这里"不寻常"的土壤性质,为之后热流探测仪的安装带来了无尽的困扰。


  △洞察号脚下细腻的红色土地 | NASA/PIA22872

  洞察号着陆器携带了两大核心科学仪器:火震仪(SEIS)和热流与物理性质探测仪(HP3,以下简称"热流探测仪"),通过"系绳"与着陆器主体相连。

  虽然洞察号本身是NASA主持的任务,但这俩核心仪器都是欧洲研制的:火震仪主要由法国国家空间中心(CNES) 和巴黎地球物理学院(IPGP)负责,热流探测仪主要由德宇航(DLR)负责。


  △洞察号结构 | NASA/JPL-Caltech

  两个仪器都是需要稳定安装在火星表面上然后才能进行科学观测的。


  △2018年12月上旬,洞察号项目组选定的用于安装两个仪器的区域,约4×2米范围 | NASA/PIA22874

  项目组原本计划花2-3个月时间来安装这两个仪器。

  当然,现在的我们已经知道了,他们当时还是太自信了,对于热流探测仪来说,这个时间将是——永远。

  踌躇满志

  安装火震仪的"夹娃娃"操作还是挺顺利的。2018年12月19日,机械臂操纵抓钩抓出六边形的火震仪,安置在火星表面。

  2019年2月2日,洞察号又顺利给火震仪罩上了隔风隔热的保护罩。



  △洞察号安装火震仪和保护罩过程实拍 | NASA/JPL-Caltech

  2019年2月12日,洞察号开始安装热流探测仪。

  机械臂再次操纵抓钩,抓起热流仪挪到距离火震仪约1米开外的预定地点,满以为前期准备工作不久就要完成了。



  △洞察号移动热流探测仪过程实拍 | NASA/JPL-Caltech/DLR

  接下来,只要热流探测仪的钻头"鼹鼠"一路打洞到地下5米深就行了,so easy!



  △洞察号热流探测仪打洞示意图 | DLR [3]

  遥想下周的打钻工程,项目组的工程师们在谨慎之中也忍不住洋溢出自信来:"鼹鼠"还没正式下钻,大家甚至已经提前把庆功蛋糕给吃了。


  △2019年2月21日,DLR项目组的庆功蛋糕,蛋糕上写着"恭喜仪器安装成功!" | DLR [3]

  之后的一周里,"鼹鼠"正式启动打洞程序,大家期待着很快会传回成功的消息。

  但结果似乎不太理想。

  2月28日,"鼹鼠"工作了4个小时,这是它的单次工作时长上限,之后就要休息散热。这次钻孔打了约20厘米深,而且还歪了15度,远没有达到预定的70厘米深。

  传回的数据还显示,"鼹鼠"在开始打洞的5分钟后就已经到达了这个深度,之后就没再下得去了。


  △大约是这样,打不进去,还歪了 | NASA/JPL-Caltech/DLR

  不过在那个时候,项目组还是挺乐观的,毕竟钻头也没坏,而且五分钟就打了20厘米哎!不是很腻害么!彼时还没有人把这当成什么不可克服的大问题。

  只是谁也没有想到,噩梦已经开始了。那时的工程师们推测,可能的原因有两个:

  1)"鼹鼠"可能遇到了石块之类的障碍物,被卡住了。

  2)连接"鼹鼠"的系绳可能被什么缠住了,于是"鼹鼠"被"拽住"了。

  到底是哪种原因,还需要更多测试。

  这些测试既包括在火星上继续捣鼓钻头,同时用火震仪和相机观察钻头下钻时候的变化;也包括在地球上模拟钻头打洞可能遇到的情况——一台热流探测仪的复制品从德宇航被送到了NASA喷气动力实验室,供NASA的工程师们共同探讨原因和解决方案。


  △NASA工程师测试"鼹鼠"模型 | NASA/JPL-Caltech

  到了4月中旬,两边的工程师们都逐渐意识到了第三种可能的原因:可能是着陆区的土壤摩擦力不足,导致"鼹鼠"打不下去洞。

  为啥打洞还跟摩擦力有关?

  这就要从"鼹鼠"的结构和打洞原理说起了。

  洞察号的热流探测仪由支撑结构钻头组成,两者由系绳连接。


  △洞察号热流探测仪结构(左)和实物图(右)| 汉化自:NASA/DLR/HP3 Team

  钻头长约40厘米,后面连着450多厘米的系绳,系绳上不同的间隔安装了温度传感器。

  等热流探测仪就位之后,整个探测仪可以测量从地表到地下5米深处多个深度的温度和钻头处的热传导率。


  △钻头"鼹鼠"和系绳上的温度传感器分布 | Max Planck Institute/DLR和参考文献 [4]

  显然,系绳是软的,只有坚硬的钻头有打洞能力,需要钻头自己向地下打洞,把系绳带到地下深处。

  "鼹鼠"钻孔时,内部的电机带动钻头,利用弹簧的伸缩推动锤击系统,一点一点向下前进。


  △"鼹鼠"的每个打钻周期 | 参考文献 [5]

  这种"一拱一拱"的样子神似鼹鼠打洞,这也是钻头昵称"鼹鼠"的由来。



  △钻头"鼹鼠"打洞原理 | DLR [3]

  这种打洞方式能够进行下去的前提条件是,土壤需要有足够的摩擦力维持钻头停留在已有深度处,如果摩擦力不足以平衡反冲力的话…钻头就会随着弹簧的回缩而被拉回去,之前锤进去的那一下也就白干了。

  事实上,洞察号遇到的,就是这样尴尬的状况。



  △进去一点,又出来了,真是急死人

  但那时候的项目组依然乐观,认为"如果是第三种原因,那反而好办了"[3]——增加摩擦力不就行了么。

  2019年6月,两边的工程师们开始了解救"鼹鼠"的尝试。

  他们计划用铲子压实"鼹鼠"旁边的土壤,以此来增加打洞时的摩擦力。


  △地球上的模拟测试 | NASA/JPL-Caltech

  项目组找到了两个可能有效"按压点"(spot 1和spot 2)。

  计算机模拟显示,1号按压点的效果会更好,但1号按压点被支撑结构的底座挡住了。


  △两个可能有效的"按压点"(spot 1和spot2)位置(左)和相应产生的压力图(右)| DLR [3]

  好办,挡了就挪走。

  2019年6月1日,抓钩再次出动,把支撑结构往后移动了20厘米。



  △ICC相机和IDC相机分别拍摄的移动过程,支撑结构底座的痕迹清晰可见 | NASA/JPL-Caltech

  挪开支架后的影像也证实了"鼹鼠"无法打洞的原因:确实是因为这里的土壤摩擦力太小。

  但7-8月的压土操作没有成功,"鼹鼠"并没能继续下钻。


  △铲子按压土壤的痕迹 | NASA/JPL-Caltech

  9月是火星合日,通讯中断,洞察号休假一个月。

  10月初,新一轮解救计划开始,项目组尝试了另一种增加摩擦力的方法:用铲子侧压住"鼹鼠",直接把它固定住无法回弹。

  这次效果好了一点,"鼹鼠"总算又下钻了2厘米。



  △总算动了 | NASA/JPL-Caltech

  眼看着"鼹鼠"马上就要完全钻入地下,胜利在望。



  △就差一点了 | NASA/JPL-Caltech

  然而到10月下旬,病情又反复了。

  本来已经快没入土中的"鼹鼠"突然又滑出来了。



  △又白忙活了 | NASA/JPL-Caltech

  此时已经是2019年10月26日,洞察号着陆后的第325个火星日,而"鼹鼠"几乎又回到了起点。

  接下来的几个月,依然是这样进进退退,令人越来越焦躁。

  洞察号就这样迎来了2020年。

  2020年2月,忍无可忍的项目组决定破釜沉舟,冒着可能损坏"鼹鼠"的风险,用铲子正面压上了鼹鼠,想直接把它怼下去——这或许是能让鼹鼠完全没入地下的唯一方法。


  △要正面刚了 | NASA/JPL-Caltech

  4月,好像又看到了希望!



  △NASA/JPL-Caltech

  5月30日,着陆后的第536个火星日,"鼹鼠"总算完全埋入地下了!



  只不过,埋入地下的"鼹鼠"会面临新的难题:系绳是软的,无法提供支撑力,"鼹鼠"没入地下之后,就越来越难从地面的施压借力了。

  接下来的几个月里,铲子继续奋力推压、剐蹭、埋土,一边防止"鼹鼠"反弹,一边继续给"鼹鼠"助攻。

  但遗憾的是,系绳完全没有被拉进土里的意思,这意味着"鼹鼠"自己没能继续下钻。



  然后就是最近了。

  尽管在2020年的尾声里,洞察号项目组已然坚持表示没有放弃希望,但事实是,"鼹鼠"应该真的不会再有什么进展了。

  这是2021年1月9日,"鼹鼠"最后一轮奋力锤击钻土的画面,共进行了500次锤击。

  可以看到有土被挖出来,但系绳却一点没被拉进去。



  这场754个火星日的"解救鼹鼠"行动,终于还是以失败告终。

  遥想2019年2月21日,"鼹鼠"开始下钻的前一周,德宇航的工程师们踌躇满志地在项目日志[3]里写下了这样的话:

  我们期待的时刻就要来临,"鼹鼠"很快就会钻到火星地下70厘米了!尽管我们已经进行了广泛且严谨的测试,但不确定性依然是存在的。

  这是人类从未在另一颗类地行星上做过的壮举。

  当然,阿波罗宇航员曾在月球上钻过3米深,但那可不是机器做的。

  但这些期待都没能变成现实。

  探索未知的路上,注定交织着喜悦与挫折。在踌躇满志中迎接失落,从一次次失败中苦苦求索;不断探寻原因,尝试新的解决方案,不断打破自信,认识到前所未有的新知…这些都是人类必须学习的功课。

  从这个角度来说,洞察号所遭遇的艰难和困境当然不是毫无意义。

  但这份失败依然有点沉重,令人不胜唏嘘。

  毕竟,洞察号是迄今为止第一个也是唯一一个全职火星地球物理探测器,是人类探索火星内部结构和演化的希望之星。

  (详见:NASA洞察号发射升空:火星探地黑科技,太阳系的时光机https://mp.weixin.qq.com/s/83z7N7fHqvAsKlcExj2yPg)

  热流探测仪的安装如此困难,是否意味着这类仪器确实需要宇航员动手安装?无人打钻真的难以应对各种复杂的实际情况吗?

  即使成功如嫦娥五号,也在钻孔的时候遇到了意想不到的问题呢…至少对接下来相似类型的任务来说,洞察号的经历着实算不上什么正反馈。

  还有行星科学家对"鼹鼠"的前期设计和论证工作提出了质疑,认为地面试验用的模拟火星土壤就有问题 [6]。

  尽管项目组一直表示:土壤不能为"鼹鼠"提供足够的摩擦力是一件"意想不到"的事,是因为这里的土壤和之前火星任务遇到的土壤都不一样,而"鼹鼠"却是基于之前探测器遇到的土壤性质设计的。


  △NASA在宣布"鼹鼠"停止工作的报告里明确表示这是因为"着陆区完全没有预料到的土壤性质""而"鼹鼠"却是基于之前探测器遇到的土壤性质设计的" |NASA [1]

  然而,"鼹鼠"团队2020年发表的钻孔试验论文[7]里似乎暴露了一些值得重视的问题:"鼹鼠"在地面测试时就已经遇到摩擦力不够导致难以打洞的情况了。

  地面测试时已经发现,当选择了有一定粘聚力的玄武岩模拟物土壤(Syar)时:" "鼹鼠"下钻并不成功,它按预期向下钻,但不久就停止了前进。在同一地点增加了锤击时长后,"鼹鼠"开始慢慢地从土壤中缩回。"


  △Syar土壤环境下的打洞实验结果 | 参考文献 [7]

  这正是后来"鼹鼠"在火星上实际遇到的情况!

  但当时是怎么解决的呢?由于发射时间已经临近,项目组来不及解决这个问题,最终决定简单粗暴地换个土壤搞测试——直接把玄武岩模拟土壤换成了没有粘聚力的石英砂,这模拟结果就没问题了。

  至于火星土壤实际是怎么样的,只要相信"石英砂更能代表火星土壤的特性"就可以了!


  △时间不够了,草草替换了模拟土壤 | 参考文献 [7]

  这意味着,"鼹鼠"把一个"在地上没有解决的隐患带到了天上",最终残酷的现实给所有人上了沉重的一课。

  而且这一课,还着实有点贵。

  洞察号是NASA"发现级"任务的获批项目,常规预算仅有4.5亿美元,不包括发射费。

  (关于"发现级"项目,详见:金星、木卫一,还是海卫一?https://mp.weixin.qq.com/s/2ZzMZ7zRs3CijcsJYh9wqw)。

  但由于火震仪出了问题,导致任务不仅发射延期两年,还多花了1.5亿美元,到发射的时候,预算已经飙升到了8.13亿美元。(当然,非说超额还延期的话,和鸽王韦伯相比倒也不算啥…)


  △以上是洞察号自2011年以来的年度花费,不考虑通胀(上)和考虑通胀(下)|数据来源:Planetary Science Budget Dataset,整理:Casey Dreier/TPS [8]

  事实上,8亿美元这还只是美国的投入。

  而洞察号作为一个国际合作的探测器,加上其他国家的投入的话,总计花费近10亿美元[8]…够发一个新视野号、朱诺号、冥王号那样中等规模("新疆界"级)的探测器了。


  △洞察号总花费 | TPS [8]

  不知道NASA想想会不会有点崩溃:我直接套用"凤凰号"设计模板做的探测器,两个核心仪器还都给欧洲做了,怎么最后一点没省到钱,还多花了这么多?

  但无论如何,如此巨大的投入,却换来如此坎坷的进展,很难不令人遗憾甚至气馁。


  好在,最近洞察号又获批延长了2年(同时获得延期的还有正在探索木星的朱诺号)[9]。

  这意味着洞察号尚且健康的火震仪、自转和内部结构探测仪、火星气象站这三组仪器获得了用时间换产出的机会,多多少少可以弥补一点热流探测仪失败的损失吧。

  再等几个月,NASA的毅力号,中国的天问一号火星车都将登陆火星。


  △截至2021年初的火星着陆任务位置,这里的"成功"仅按"成功着陆且顺利开展探测工作计|底图:MOLA,制图:haibaraemily

  至少到那个时候,洞察号和老将好奇号将不再孤单,它们会迎来新的伙伴。

  以及,新的希望。

  参考资料

  [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. Nature Communications, 11(1), 1-11.

  [3] DLR | The InSight mission 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 and physical 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 Martian Regolith 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 Space Science, 181,104780.

  [8] TPS | Cost of Mars InSight

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

  [9] NASA | NASA Extends Exploration for Two Planetary Science Missions

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


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