文/ 徐蒙

2021 年1 月14 日，挣扎已久的美国宇航局（NASA）终于宣布：洞察号（InSight）火星探测器的热流探测仪经过多次抢救无效，将放弃在火星上打洞，遗憾告别火星探索舞台。

▲ 洞察号着陆器探索火星内部结构的艺术想象图

▲ 被称为“鼹鼠”的钻头

热流探测仪是洞察号火星探测器的核心科学仪器之一，目标是将钻头打入火星地下5 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”（mole)。

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，有时又退回到原点。事实上，就在宣布放弃两个月前，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。

初登火星

时间倒回两年前。

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。

这里阳光充足、地势低平，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。只是谁也没想到，这个足够安全的着陆点的土壤性质，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”），两者均通过“系绳”与着陆器主体相连。虽然“洞察号”本身是美国宇航局主持的任务，但这两个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)负责研制，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,然后才能进行科学探测的。项目组原本计划花2～3个月时间来安装这两个仪器。当然，现在我们已经知道，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。

▲ （左）洞察号着陆区一带的地形，底图MOLA；（右）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

▲ “洞察号”热流探测仪打洞示意图

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火震仪，将它安置在火星表面。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。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。

项目组的工程师们遥想了一下下周的打钻工程，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。

这个“鼹鼠”，不会打洞

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 厘米深度。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，之后就再也没有往下去了。

▲ “洞察号”脚下细腻的红色土地

▲ “洞察号”结构

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5 分钟就打了20 厘米，不是很厉害么！只是谁也没有想到，这仅仅是噩梦的开始。

▲ 美国宇航局工程师测试“鼹鼠”模型

▲ “洞察号”热流探测仪结构（左）和实物图（右）

▲ 地球上的模拟测试

当时工程师们推测了“鼹鼠”只打了约20 厘米可能的原因：“鼹鼠”可能遇到了石块之类的障碍物，导致它被卡住了；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中心送到了美国宇航局喷气动力实验室，供美国宇航局的工程师们共同探讨原因和解决方案。

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：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和钻头组成，两者由系绳连接。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。

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。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。

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，如果摩擦力不足以平衡反冲力的话，钻头就会随着锤击系统的回缩而被拉回去，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。

“解救鼹鼠”行动

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。

▲ 大约是这样，打不进去，还歪了

▲ “鼹鼠”的每个打钻周期

项目组找到了两个可能有效的“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。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，新一轮解救行动开始，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。

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。

▲ 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）

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”，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。

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”面临了新的难题：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。

尽管在2020 年的尾声里，“洞察号”项目组依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。

2021 年1 月9 日，“鼹鼠”最后一轮奋力锤击钻土，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。这场一直持续到第754 个火星日的“解救鼹鼠”行动，终于还是以失败告终。

沉重的失败

遥想2019 年2 月21 日，“鼹鼠”开始下钻的前一周，德宇航的工程师们曾踌躇满志地在项目日志里写下这样的话：

“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！这是人类从未在另一颗类地行星上做过的壮举。当然，阿波罗航天员曾在月球上钻过3 米深，但那可不是机器做的。”

▲ 要正面刚了

▲ 德宇航局在2019 年4 月11 日的项目日志里明确表示“地质学家们在之前的火星任务里看到的火星表面沙子是没有粘聚力的，是应该能够为‘鼹鼠’提供摩擦力的…只是洞察号打洞的这里硬壳有点厚”。

然而，这些期待都没能变成现实。这次失败的教训有点沉重，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航天员动手安装？无人打钻真的难以应对各种复杂的实际情况吗？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，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。总之，是运气不好加上对火星的认识还不足。

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：“鼹鼠”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。

地面测试选择了3 种不同粘聚力的物质来模拟火星土壤：石英砂WF34、玄武岩模拟物Syar、碾碎的玄武岩砂和粉尘混合物MMS。其中石英砂WF34 几乎没有粘聚力，而玄武岩模拟物Syar 和混合物MMS 都是有一定粘聚力的。

结果显示，在有一定粘聚力的玄武岩模拟物Syar 土壤环境下，“鼹鼠”的打洞并不顺利：“在Syar 土壤的第一次测试中，‘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。”——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，于是改为解决带来问题的土壤——换个土壤搞测试，不用玄武岩土壤，只用石英砂，模拟结果不就没问题了嘛。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！

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。这一课，还着实有点贵。

“洞察号”是美国宇航局“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，够发一个“新视野号”“朱诺号”那样中等规模（“新疆界”级）的探测器了——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。

▲ 踌躇满志的科学家

好在，最近“洞察号”又获批延长了2年，这意味着它尚且健康的火震仪、自转和内部结构探测仪、火星气象站这3 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。

美国宇航局的“毅力号”已登陆火星，中国的天问一号火星车也将登陆火星，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以及新的希望。★