火星打洞计划宣告失败,发射前已埋下隐患

作者: haibaraemily

来源: 中国科普博览

发布日期: 2021-01-22

NASA的洞察号热流探测仪在火星上的打洞计划经历了长达一年半的失败尝试,最终宣布放弃。尽管项目组曾对成功充满信心,但由于火星土壤性质的意外复杂性,导致探测仪无法顺利钻入地下,最终以失败告终。这一过程不仅反映了科学探索的艰辛,也对未来类似任务提出了警示。

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。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”。

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。

时间倒回2年前。2018年11月26日(美国时间),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。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。

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。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。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。

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。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。

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!然而,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。

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!不是很厉害么!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。洞察号的热流探测仪由支撑结构和钻头组成,两者由系绳连接。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。

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。

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。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。

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。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。

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。接下来的几个月,依然是这样进进退退,令人越来越焦躁。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。4月,好像又看到了希望!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。这场持续到第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。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。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。尽管项目组一直表示:土壤不能为“鼹鼠”提供足够的摩擦力,这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。然而,“鼹鼠”团队2020年发表的钻孔实验论文里似乎暴露了一些值得重视的问题:在地面测试时就已经遇到过摩擦力不够导致难以打洞的情况了。

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。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。

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。

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。

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,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。

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