「解救鼴鼠」歷時一年半宣告失敗,NASA洞察號遺憾放棄打洞

北京新浪網 01-22 10:12

來源:中國科普博覽

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終於選擇躺平,宣布洞察號的熱流探測儀經過多次搶救無效,將放棄打洞,告別火星探索舞台。

熱流探測儀是洞察號探測器的核心科學儀器之一,目標是將鑽頭打入火星地下五米深處,測量火星內部的溫度。這個小小的鑽頭還有個親切的昵稱——「鼴鼠」。

然而,打個洞偏偏就這麼難,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「成功將鼴鼠鑽入地下」作為「兩周年總結」的成果之一,表示要繼續打下去呢。

唉,氣氛突然有點尷尬…

初登火星

時間倒回2年前。

2018年11月26日(美國時間),2018火星窗口裡唯一的火星任務,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,看點都在這裏了!和 有驚無險成功著陸火星!你好呀,洞察號!)

這裏陽光充足、地勢地平,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。只是當時誰也沒想到,這裏「不尋常」的土壤性質,為之後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」),通過「繫繩」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製的: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。

兩個儀器都是需要穩定安裝在火星表面上然後才能進行科學觀測的。

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

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。

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。

接下來,只要熱流探測儀的鑽頭「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]

遙想下周的打鑽工程,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」還沒正式下鑽,大家甚至已經提前把慶功蛋糕給吃了。

這個「鼴鼠」,不會打洞

之後的一周里,「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,之後就要休息散熱。這次鑽孔打了約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,之後就沒再下得去了。

不過在那個時候,項目組還是挺樂觀的,畢竟鑽頭也沒壞,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麼不可克服的大問題。只是誰也沒有想到,噩夢已經開始了。

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」的繫繩可能被什麼纏住了,於是「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鑽頭,同時用火震儀和相機觀察鑽頭下鑽時候的變化;也包括在地球上模擬鑽頭打洞可能遇到的情況——一台熱流探測儀的複製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。

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鑽頭組成,兩者由繫繩連接。

鑽頭長約40厘米,後面連著450多厘米的繫繩,繫繩上不同的間隔安裝了溫度感測器。等熱流探測儀就位之後,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鑽頭處的熱傳導率。

顯然,繫繩是軟的,只有堅硬的鑽頭有打洞能力,需要鑽頭自己向地下打洞,把繫繩帶到地下深處。

「鼴鼠」鑽孔時,內部的電機帶動鑽頭,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,這也是鑽頭昵稱「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鑽頭停留在已有深度處,如果摩擦力不足以平衡反衝力的話…鑽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乾了。

事實上,洞察號遇到的,就是這樣尷尬的狀況。

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」——增加摩擦力不就行了么。

「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。

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。

好辦,擋了就挪走。2019年6月1日,抓鉤再次出動,把支撐結構往後移動了20厘米。

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

但7-8月的壓土操作沒有成功,「鼴鼠」並沒能繼續下鑽。

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」總算又下鑽了2厘米。

眼看著「鼴鼠」馬上就要完全鑽入地下,勝利在望。

然而到10月下旬,病情又反覆了。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。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。

4月,好像又看到了希望!

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」會面臨新的難題:繫繩是軟的,無法提供支撐力,「鼴鼠」沒入地下之後,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,繫繩完全沒有被拉進土裡的意思,這意味著「鼴鼠」自己沒能繼續下鑽。

然後就是最近了。儘管在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麼進展了。

這是2021年1月9日,「鼴鼠」最後一輪奮力錘擊鑽土的畫面,共進行了500次錘擊。可以看到有土被挖出來,但繫繩卻一點沒被拉進去。

這場持續到第754個火星日的「解救鼴鼠」行動,終於還是以失敗告終。

沉重的失敗

遙想2019年2月21日,「鼴鼠」開始下鑽的前一周,德宇航的工程師們躊躇滿志地在項目日誌[3]里寫下了這樣的話:我們期待的時刻就要來臨,「鼴鼠」很快就會鑽到火星地下70厘米了!儘管我們已經進行了廣泛且嚴謹的測試,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鑽過3米深,但那可不是機器做的。

但這些期待都沒能變成現實。

探索未知的路上,註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,是人類探索火星內部結構和演化的希望之星。(詳見:NASA洞察號發射升空: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?無人打鑽真的難以應對各種複雜的實際情況嗎?即使成功如嫦娥五號,也在鑽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,洞察號的經歷著實算不上什麼正反饋。

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就有問題 [6]。

儘管項目組一直表示:土壤不能為「鼴鼠」提供足夠的摩擦力,這是因為這裏的土壤和之前火星任務遇到的土壤都不一樣,而「鼴鼠」卻是基於之前探測器遇到的土壤性質設計的。

然而,「鼴鼠」團隊2020年發表的鑽孔實驗論文[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遇到過摩擦力不夠導致難以打洞的情況了。

地面測試時已經發現,當選擇了有一定粘聚力的玄武岩模擬物土壤(Syar)時:「 「鼴鼠」下鑽並不成功,它按預期向下鑽,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。」

這正是後來「鼴鼠」在火星上實際遇到的情況!

但當時是怎麼解決的呢?由於發射時間已經臨近,項目組來不及解決這個問題,於是改為解決帶來問題的土壤——換個土壤搞測試,不用玄武岩土壤,只用石英砂,模擬結果不就沒問題了嘛。至於火星土壤實際是怎麼樣的,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。

而且這一課,還著實有點貴。

洞察號是NASA「發現級」任務的獲批項目,常規預算僅有4.5億美元(不包括髮射費;關於「發現級」項目,詳見:金星、木衛一,還是海衛一?)。但由於火震儀出了問題,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。(當然,非說超額還延期的話,和鴿王韋伯相比倒也不算啥…)

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]…夠發一個新視野號、朱諾號、冥王號那樣中等規模(「新疆界」級)的探測器了。

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,怎麼最後一點沒省到錢,還多花了這麼多???

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、自轉和內部結構探測儀、火星氣象站這三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。

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,它們會迎來新的夥伴。

以及,新的希望。

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