《拯救鼹鼠》失败一年半 NASA Insight后悔放弃打洞
为什么打洞这么难
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
就在几天前(2021年1月14日)，苦苦挣扎了很久的NASA终于选择平躺，宣布Insight热流探测器经过多次抢救无效，将放弃打洞，告别火星探索阶段[1]
探索火星内部结构的洞察着陆器的艺术想象|学分： ipgp/Nicolas sarter
热流探测器是Insight的核心科学仪器之一，其目标是将钻头打入地下五米深处，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"。
这就是小东西| 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。
这个一年半的“营救鼹鼠”行动一直在努力，一直失败。有时候好像看到了希望，有时候又回到了原点。
事实上，就在两个月前，项目组把“成功钻地下鼹鼠”作为“二周年总结”的成果之一，并表示将继续战斗。
唉，气氛突然有点尴尬…
首次登陆火星
回到两年前。
2018年11月26日(美国时间)，2018年火星窗口唯一一次火星任务，引人注目的着陆器洞察(Lander Insight)成功踏上火星赤道以北的Eleuthean平原西部。
(见：NASA Insight即将登陆火星，所以亮点都在这里！https://mp.weixin.qq.com/s/K5X4HVwwd02oeScn77Ebcw和https://mp.weixin.qq.com/s/NMffu30xB5BNiZ3L6qH6vg)
本地化来源：参考文献[2]
左图为洞察登陆区周围的地形，底图MOLA；右图：2018年12月6日，NASA火星勘测轨道飞行器(MRO)用HiRISE相机在着陆区周围拍摄了高清照片(ESP_057939_1845，ESP_058005_1845)，隔热板和降落伞残骸。图像分辨率高达0.25米/像素。
阳光充足，地势平坦，土质细腻，石头很少。从工程的角度来看，埃律西昂平原西部是一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。
-picture" src="https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/13065735936/1000">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]
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！
NASA/JPL-Caltech
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。
NASA/JPL-Caltech
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。
尽力了，真的钻不下去更多了 | NASA/JPL-Caltech [1]
这场持续了754个火星日的"解救鼹鼠"行动，终于还是以失败告终。
沉重的失败
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 [1]
△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"
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…）
数据来源：Planetary Science Budget Dataset，整理：Casey Dreier/TPS [8]
△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）。
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。
底图：MOLA，制图：haibaraemily
△截止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。
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 InSighthttps://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/
