“解救鼴鼠”歷時一年半宣告失敗，NASA洞察號遺憾放棄打洞_風聞
行星事务所-行星事务所官方账号-2021-01-23 23:08
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，宣佈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 [1]。
洞察號着陸器探索火星內部結構的藝術想象 | 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，目標是將鑽頭打入火星地下五米深處，測量火星內部的温度。這個小小的鑽頭還有個親切的暱稱——“鼴鼠”。
就是這個小東西 | NASA
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“温度計”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“兩週年總結”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火星窗口裏唯一的火星任務，萬眾矚目的洞察號着陸器成功踏上火星赤道以北的埃律西昂平原西部。
（左）洞察號着陸區一帶的地形，底圖MOLA；（右）2018年12月6日，NASA火星勘測軌道飛行器（MRO）用HiRISE相機拍到了着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 | 漢化自：參考文獻 [2]
這裏陽光充足、地勢地平，而且土質細膩，連石塊都沒有幾個，從工程上來説，埃律西昂平原西部是個足夠安全的着陸點。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。
洞察號腳下細膩的紅色土地 | NASA/PIA22872
洞察號着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”與着陸器主體相連。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。
洞察號結構 | NASA/JPL-Caltech
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。
2018年12月上旬，洞察號項目組選定的用於安裝兩個儀器的區域，約4×2米範圍 | 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，對於熱流探測儀來説，這個時間將是——forever
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，機械臂操縱抓鈎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。機械臂再次操縱抓鈎，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]
遙想下週的打鑽工程，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
2019年2月21日，DLR項目組的慶功蛋糕，蛋糕上寫着“恭喜儀器安裝成功！” | DLR [3]
這個“鼴鼠”，不會打洞
之後的一週裏，“鼴鼠”正式啓動打洞程序，大家期待着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釐米深，而且還歪了15度，遠沒有達到預定的70釐米深度。
傳回的數據還顯示，“鼴鼠”在開始打洞的5分鐘後就已經到達了這個深度，之後就沒再下得去了。
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，畢竟鑽頭也沒壞，而且五分鐘就打了20釐米哎！不是很膩害麼！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，導致“鼴鼠”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。
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：可能是着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”的結構和打洞原理説起了。
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。
洞察號熱流探測儀結構（左）和實物圖（右）| 漢化自：NASA/DLR/HP3 Team
鑽頭長約40釐米，後面連着450多釐米的繫繩，繫繩上不同的間隔安裝了温度傳感器。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米深處多個深度的温度和鑽頭處的熱傳導率。
鑽頭“鼴鼠”和繫繩上的温度傳感器分佈 | Max Planck Institute/DLR和參考文獻 [4]
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。
“鼴鼠”的每個打鑽週期 | 參考文獻 [5]
這種“一拱一拱”的樣子神似鼴鼠打洞，這也是鑽頭暱稱“鼴鼠”的由來。
鑽頭“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…鑽頭就會隨着錘擊系統的回縮而被拉回去，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。
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麼。
“解救鼴鼠”行動
2019年6月，兩邊的工程師們開始瞭解救“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號按壓點被支撐結構的底座擋住了。
兩個可能有效的“按壓點”（spot 1和spot2）位置（左）和相應產生的壓力圖（右）| DLR [3]
好辦，擋了就挪走。2019年6月1日，抓鈎再次出動，把支撐結構往後移動了20釐米。
ICC相機和IDC相機分別拍攝的移動過程，支撐結構底座的痕跡清晰可見 | NASA/JPL-Caltech
挪開支架後的影像也證實了“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。
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釐米。
總算動了 | NASA/JPL-Caltech
眼看着“鼴鼠”馬上就要完全鑽入地下，勝利在望。
就差一點了 | NASA/JPL-Caltech
然而到10月下旬，病情又反覆了
又白忙活了 | NASA/JPL-Caltech
此時已經是2019年10月26日，洞察號着陸後的第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，冒着可能損壞“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。
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，着陸後的第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：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。
接下來的幾個月裏，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裏的意思，這意味着“鼴鼠”自己沒能繼續下鑽。
NASA/JPL-Caltech
然後就是最近了。儘管在2020年的尾聲裏，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。
這場一直持續到第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”開始下鑽的前一週，德宇航的工程師們躊躇滿志地在項目日誌[3]裏寫下了這樣的話：
我們期待的時刻就要來臨，“鼴鼠”很快就會鑽到火星地下70釐米了！儘管我們已經進行了廣泛且勤勉的測試，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，註定交織着喜悦與挫折。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。從這個角度來説，洞察號所遭遇的艱難和困境當然不是毫無意義。
但這份失敗和教訓依然有點沉重，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。熱流探測儀的安裝如此困難，是否意味着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説，洞察號的經歷着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]。
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。
總之，只是運氣不好+對火星的認識還不足。
DLR在2019年4月11日的項目日誌裏明確表示“地質學家們在之前的火星任務裏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裏硬殼有點厚” | DLR [3]
NASA在宣佈“鼴鼠”停止工作的報告裏也明確表示這是因為“着陸區完全沒有預料到的土壤性質”“而“鼴鼠”卻是基於之前探測器遇到的土壤性質設計的” | NASA [1]
然而，“鼴鼠”團隊2020年發表的鑽孔實驗論文[7]裏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。
地面測試選擇了三種不同粘聚力的物質來模擬火星土壤：石英砂WF34、玄武岩模擬物Syar、碾碎的玄武岩砂和粉塵混合物MMS。
WF34、Syar、MMS的宏觀（上）和微觀（下）照片 | 參考文獻 [7]
其中石英砂WF34幾乎沒有粘聚力，而玄武岩模擬物Syar和混合物MMS都是有一定粘聚力的。
幾種模擬火星土壤物質的物理特性 | 參考文獻 [7]
結果顯示，在有一定粘聚力的玄武岩模擬物Syar土壤環境下，“鼴鼠”的打洞並不順利：“在Syar土壤的第一次測試中，“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後，“鼴鼠"開始慢慢地從土壤中縮回。”
Syar土壤環境下的打洞實驗結果 | 參考文獻 [7]
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！
時間不夠了，草草替換了模擬土壤 | 參考文獻 [7]
這意味着，“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，還着實有點貴。
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）。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，非説超額還延期的話，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）| 數據來源：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。
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]。這意味着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。
截止2021年初的火星着陸任務位置，這裏的“成功”僅按“成功着陸且順利開展探測工作計 | 底圖：MOLA，製圖：haibaraemily
以及，新的希望。
致謝
本文感謝Planetary Utopia小組的審稿和討論~
參考資料
[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/
[10] NASA | InSight News
https://mars.nasa.gov/insight/news-and-events/news/?page=0&per_page=40&order=publish_date+desc%2Ccreated_at+desc&search=&category=183%3A19%2C165%2C184%2C204&blank_scope=Latest&url_suffix=%3Fsite%3Dinsight
https://www.nasa.gov/mission_pages/insight/main/index.html
血的教訓：不要把地上的問題帶到天上！
出品：科普中國
製作：haibaraemily
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。
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