位于火星表面的“洞察號”探測器，圖源mars.nasa.gov

撰文 | 王雨丹

“洞察號”（InSight）是美國國家航空航天局（NASA）于2018年發(fā)射至火星的探測器，名字來自其全名“運用地震調查、測地學與熱傳導對火星內部進行探測”（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，InSight）的首字母縮寫。

探測器“器如其名”：裝載有內部結構地震實驗儀（SEIS）和熱傳感物理特性箱（HP3），用以研究火星的內部結構和地質演化，幫助人們對太陽系類地行星（水星，金星，地球，火星）的進一步認識[1]。自“洞察號”登陸火星以來，傳回了大量珍貴數(shù)據和影像資料，且截至目前已發(fā)現(xiàn)500多次大大小小的火星地震（Marsquakes）。

“洞察號”自去年底結束工作周期后，本該光榮退休的它又被研究人員延長了兩年的工作時間。

然而，今年初，隨著火星上冬季的來臨，“洞察號”的太陽能電池板和保暖設施都出現(xiàn)了問題，研究人員不得不為了節(jié)約能源而使之處于休眠狀態(tài)；此外，其所配套的為火星測量體溫的“鼴鼠”（mole）探頭也宣告任務失敗。

研究人員預計，隨著今年7月份火星夏季的來臨，充足的陽光會繼續(xù)為“洞察號”提供能源，從而使之恢復工作。但如今，隨著儀器的關閉，很多珍貴的數(shù)據正在丟失；而且，“洞察號”存在潛在但致命的電源故障風險，一旦在夏季來臨之前電池沒電了，它可能永遠無法恢復。屆時，8億美元的高科技產品會變成一堆廢鐵。

電量不足、休眠停工、任務失敗……“洞察號”路在何方？

01
8億美元的雄心壯志

2018年11月26日美東時間下午2:52，“洞察號”探測器正式登陸火星。它穿過火星稀薄的大氣層，利用降落傘減速后，緩緩降落在火星上的埃律西昂平原（Elysium Planitia）[2]。

作為第一個深入研究火星“內部空間”（地殼、地幔和地核）的太空“探險家”，“洞察號”的火星之旅實際上推遲了兩年多：最初定于2016年3月發(fā)射，但發(fā)射之際，地震實驗儀SEIS臨時發(fā)生故障，發(fā)射窗口也存在技術問題，整裝待“發(fā)”的洞察號不得不送回丹佛的洛克希德馬丁公司工廠進行調整并再覓良機。

“洞察號”不僅外形炫酷，還造價不菲，渾身都是金錢的味道。

“洞察號”成本為6.75億美元，其電力來自兩個圓形的太陽能電池板，使用壽命預計可達2年（一個火星年）。此外，它還裝備了一系列科學儀器和輔助系統(tǒng)，主要的科學儀器有內部結構地震實驗儀（SEIS）和熱傳感物理特性箱（HP3）。

在第一次火星之旅推遲后，NASA官方又決定再花費1.5億美元對其進行調整，于是這個重約0.7噸的家伙總成本超8億美元[1]。

2018年5月5日當?shù)貢r間上午11點05分，“洞察號”在美國加州中部的某空軍基地成功發(fā)射。歷時半年多、漫游4.58億公里的旅程后，于2018年11月26日成功著陸火星。

“洞察號”對火星內部結構及隕石對火星影響的研究，可幫助我們了解40多億年前太陽系內部的巖石行星（水星、金星、地球和火星）、巖石系外行星早期是如何形成的[3]。

要攬瓷器活，少不了金剛鉆?！岸床焯枴毖b備了重達50千克的科學儀器和輔助系統(tǒng)，其中不得不說的是它執(zhí)行主要任務兩大“法寶”：內部結構地震實驗儀（SEIS）和熱傳感物理特性箱（HP3）。

內部結構地震實驗儀（SEIS）可以稱作火星上的“地震儀”，最高可探測到50Hz的高頻地震波，它不但能精確測量火星上的地震等內部構造活動，還可以研究隕石撞擊對火星地殼和地幔的影響，從而讓研究人員更好地了解火星的歷史和結構。

圓形防風隔熱罩覆蓋下的“地震儀”，圖源jpl.nasa.gov

“洞察號”的另一“法寶”——熱傳感物理特性箱（HP3）是一種自穿透式的熱傳感探頭，綽號“鼴鼠”（mole）。這只“鼴鼠”可以在火星地表下5米處挖洞，其配備的溫度傳感器可以一邊挖洞一邊精準測量熱量流經火星核心的速率，從而揭示有關行星內部演變的信息。

“鼴鼠”工作示意圖，圖源mars.nasa.gov

02
大顯身手的“地震儀”和失敗的“鼴鼠”

檢測火星地震能幫助研究人員更直觀地了解火星的內部構造和地質活動，火星上雖然沒有與地球類似的板塊構造，但它有可以引發(fā)地震的火山活動區(qū)域。而且，相比起地球，火星表面非常安靜，這使得“洞察號”上的地震儀SEIS能夠捕捉到微弱而低沉的轟隆聲。

在成功著陸火星表面后，“洞察號”按計劃部署了地震儀和熱挖掘探頭。地震儀SEIS裝備了矢量磁力計、氣溫和風速風向傳感器、氣壓計等一整套氣象工具，能檢測火星上的地質活動、磁場干擾和氣溫風向等數(shù)據。

在火星上，“洞察號”每年能探測10-200個能提供地震聲信號的流星爆炸氣流。2019年4月6日（即著陸后的第128個火星日），“洞察號”上的地震儀探測到火星內部微弱的“震動”信號，這是人類歷史上首次探測到的火星地震[4]。

今年3月7日和3月18日，“洞察號”的地震儀在火星上一個叫做Cerbeus Fossae的地方探測到兩次強烈、清晰的地震，震級分別為3.3級和3.1級，Cerbeus Fossae被研究人員認為是火星上的地震中心。迄今為止，“洞察號”檢測并記錄了500多次大大小小的火星地震[5]。不僅如此，其采集到的各類新數(shù)據（地殼厚度、地幔粘度、巖心半徑和密度以及地震活動等），能在現(xiàn)有基礎上將精確度提升3-10倍。

地震儀在火星上可謂大展身手，但另一邊，“鼴鼠”探頭的進展卻不那么順利。

今年1月份，NASA在其官網發(fā)表聲明稱“鼴鼠”要休息了，也就是說，“洞察號”向火星地下部署熱傳感探頭的任務進行兩年后以失敗告終[6]。

自2019年2月28日以來，“洞察號”一直努力讓“鼴鼠”深挖火星以測量其內部溫度。但是，由于火星上土壤的結塊傾向，“鼴鼠”摩擦力不足，始終無法挖到足夠的深度。

今年1月9日，“鼴鼠”又進行了500次錘擊，卻仍未取得任何實質性進展，無奈的研究人員只能選擇放棄，宣告“洞察號”給火星量體溫的任務失敗。

任務雖然失敗了，但此舉并非毫無意義。在未來，登陸火星的航天員可能需要挖土獲取水冰，科學家們也希望通過研究火星的地下物質以找到微生物生存的可能性?！褒B鼠”的工作無疑是開創(chuàng)性的。

03
冬季來臨，“洞察號”電力不足

隨著火星冬季的來臨，“洞察號”面臨著越來越多的生存挑戰(zhàn)。

“洞察號”著陸附近不僅溫度低，而且晝夜溫差極大：從白天的0℃到夜晚的-100℃。這些極端的溫度變化可能會導致連接地震儀的電纜膨脹和收縮，從而影響數(shù)據精度[5]。

基于此，研究人員嘗試著利用“洞察號”機械臂末端的勺子將土壤“舀”到圓形的防風隔熱罩上，隨后又將其覆蓋在電纜上，以盡可能減少溫差對電纜的影響。

“洞察號”登陸火星時，研究人員為它制定了為期兩年的工作任務（于2020年11月完成），這個期限是有現(xiàn)實依據的：

“洞察號”的設計非常持久耐用：配備兩個直徑約2米、展開后寬約6米的圓形太陽能電池板；且著陸點位于火星赤道，陽光充足。雖然隨著時間的流逝，太陽能電池板上的塵土會越積越多，從而減少其功率輸出，但精巧的設計+適當?shù)闹扅c能保證其在兩年的主要任務期間仍有充足的電量輸出。

但“洞察號”并沒有按計劃退休。今年初，任勞任怨的它又被延長了兩年的任務期，以繼續(xù)探測火星表面的地震和塵暴等現(xiàn)象。也就是說，它要一直工作到2022年12月。

廉頗老矣，尚能飯否？

雖然研究人員計劃讓“洞察號”工作到2022年底，但由于太陽能電池板上的灰塵越來越多，影響了其對陽光的吸收；而今年初，隨著火星冬季的來臨，陽光越來越少，這讓原本就不富裕的太陽能電池板雪上加霜。延遲退休的“洞察號”眼看就要堅持不住了。

實際上，研究人員做出令其延遲退休的決定也并不是頭腦發(fā)熱?！岸床焯枴敝懙陌Ｂ晌靼浩皆粌H陽光充足，而且風力充沛，理論上可以吹走太陽能電池板上累積的灰塵，使其能在設計的生命周期內使用多年。

理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。雖然“洞察號”在火星上發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個塵暴（大風把大量塵埃等細粒物質卷入高空所形成的風暴），但是自太陽能電池板于2018年11月展開以來，還未曾遇到一個近距離的塵暴來清理充滿灰塵的面板，“借東風”的如意算盤也落了空。

如今，滿覆塵土的太陽能電池板只能產生不足正常情況下三分之一的電量，而這本就少得可憐的電量還要在地震儀、“鼴鼠”、機械臂、無線電和各種加熱器之間共享（加熱器能確?！岸床焯枴痹诘蜏丨h(huán)境下實現(xiàn)正常運轉，而電量不足會降低加熱器功率，影響“洞察號”的正常運行）。更嚴峻的是，火星上的大風季節(jié)不久前也結束了，未來幾個月內都不會有大風來充當清潔工了。

開源受阻，只能節(jié)流了。面對此等兩難境地，研究人員在今年初暫時限制了“洞察號”的運行：他們陸續(xù)關閉各種儀器，在保證加熱器和無線電通信等高耗能活動電力的情況下，使“洞察號”進入冬眠狀態(tài)，只定期喚醒以檢查其運行狀況并與地球通信。由于天氣傳感器在大部分時間里都處于關閉狀態(tài)，此前每天更新的天氣頁面目前也被暫停了[7]。

“洞察號”此前每天更新的天氣記錄，圖源mars.nasa.gov

火星上氣候惡劣，常有沙塵暴遮天蔽日，不過“洞察號”有應對這一情況的設計：即使由于突如其來的沙塵暴而耗盡電力，只要它的電子元件能在極端寒冷的環(huán)境中存活下來，就能在重新接受陽光照射時重啟。

也就是說，只要“洞察號”能以目前的狀態(tài)堅持到今年7月份（屆時火星將再次開始接近太陽），不再出什么幺蛾子，就能絕地逢生，全面恢復正常運行和科學探測活動。

“洞察號”的項目負責人布魯斯·班納特（Bruce Banerdt）表示：“‘洞察號’研究團隊已經制定了一個強有力的計劃，保證讓其安全過冬，并準備在2022年完成我們的科學任務。我們擁有出色的車輛和一流的團隊，期待‘洞察號’未來有更多的新發(fā)現(xiàn)。”

參考文獻

1.https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E6%B4%9E%E5%AF%9F%E5%8F%B7%E7%81%AB%E6%98%9F%E6%8E%A2%E6%B5%8B%E5%99%A8

2. https://mars.nasa.gov/insight/timeline/landing/summary/

3. https://mars.nasa.gov/insight/mission/overview/

4.https://www.jpl.nasa.gov/news/nasas-insight-detects-first-likely-quake-on-mars

5.https://mars.nasa.gov/news/8904/nasas-insight-detects-two-sizable-quakes-on-mars/?site=insight

6.https://mars.nasa.gov/resources/25516/insights-mole-comes-to-rest/?site=insight

7.https://mars.nasa.gov/news/8858/insight-is-meeting-the-challenge-of-winter-on-dusty-mars/?site=insight

制版編輯 | Morgan

來源：賽先生


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