位於(yu) 火星表麵的“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）於(yu) 2018年發射至火星的探測器，名字來自其全名“運用地震調查、測地學與(yu) 熱傳(chuan) 導對火星內(nei) 部進行探測”（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，InSight）的首字母縮寫(xie) 。

探測器“器如其名”：裝載有內(nei) 部結構地震實驗儀(yi) （SEIS）和熱傳(chuan) 感物理特性箱（HP3），用以研究火星的內(nei) 部結構和地質演化，幫助人們(men) 對太陽係類地行星（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(chuan) 回了大量珍貴數據和影像資料，且截至目前已發現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後，本該光榮退休的它又被研究人員延長了兩(liang) 年的工作時間。

然而，今年初，隨著火星上冬季的來臨(lin) ，“洞察號”的太陽能電池板和保暖設施都出現了問題，研究人員不得不為(wei) 了節約能源而使之處於(yu) 休眠狀態；此外，其所配套的為(wei) 火星測量體(ti) 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(lin) ，充足的陽光會(hui) 繼續為(wei) “洞察號”提供能源，從(cong) 而使之恢複工作。但如今，隨著儀(yi) 器的關(guan) 閉，很多珍貴的數據正在丟(diu) 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(lin) 之前電池沒電了，它可能永遠無法恢複。屆時，8億(yi) 美元的高科技產(chan) 品會(hui) 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(yi) 美元的雄心壯誌

2018年11月26日美東(dong) 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(san) 減速後，緩緩降落在火星上的埃律西昂平原（Elysium Planitia）[2]。

作為(wei) 第一個(ge) 深入研究火星“內(nei) 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(liang) 年多：最初定於(yu) 2016年3月發射，但發射之際，地震實驗儀(yi) SEIS臨(lin) 時發生故障，發射窗口也存在技術問題，整裝待“發”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並再覓良機。

“洞察號”不僅(jin) 外形炫酷，還造價(jia) 不菲，渾身都是金錢的味道。

“洞察號”成本為(wei) 6.75億(yi) 美元，其電力來自兩(liang) 個(ge) 圓形的太陽能電池板，使用壽命預計可達2年（一個(ge) 火星年）。此外，它還裝備了一係列科學儀(yi) 器和輔助係統，主要的科學儀(yi) 器有內(nei) 部結構地震實驗儀(yi) （SEIS）和熱傳(chuan) 感物理特性箱（HP3）。

在第一次火星之旅推遲後，NASA官方又決(jue) 定再花費1.5億(yi) 美元對其進行調整，於(yu) 是這個(ge) 重約0.7噸的家夥(huo) 總成本超8億(yi) 美元[1]。

2018年5月5日當地時間上午11點05分，“洞察號”在美國加州中部的某空軍(jun) 基地成功發射。曆時半年多、漫遊4.58億(yi) 公裏的旅程後，於(yu) 2018年11月26日成功著陸火星。

“洞察號”對火星內(nei) 部結構及隕石對火星影響的研究，可幫助我們(men) 了解40多億(yi) 年前太陽係內(nei) 部的岩石行星（水星、金星、地球和火星）、岩石係外行星早期是如何形成的[3]。

要攬瓷器活，少不了金剛鑽。“洞察號”裝備了重達50千克的科學儀(yi) 器和輔助係統，其中不得不說的是它執行主要任務兩(liang) 大“法寶”：內(nei) 部結構地震實驗儀(yi) （SEIS）和熱傳(chuan) 感物理特性箱（HP3）。

內(nei) 部結構地震實驗儀(yi) （SEIS）可以稱作火星上的“地震儀(yi) ”，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(nei) 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(cong) 而讓研究人員更好地了解火星的曆史和結構。

圓形防風隔熱罩覆蓋下的“地震儀(yi) ”，圖源jpl.nasa.gov

“洞察號”的另一“法寶”——熱傳(chuan) 感物理特性箱（HP3）是一種自穿透式的熱傳(chuan) 感探頭，綽號“鼴鼠”（mole）。這隻“鼴鼠”可以在火星地表下5米處挖洞，其配備的溫度傳(chuan) 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(cong) 而揭示有關(guan) 行星內(nei) 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(yi) ”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(nei) 部構造和地質活動，火星上雖然沒有與(yu) 地球類似的板塊構造，但它有可以引發地震的火山活動區域。而且，相比起地球，火星表麵非常安靜，這使得“洞察號”上的地震儀(yi) SEIS能夠捕捉到微弱而低沉的轟隆聲。

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

在火星上，“洞察號”每年能探測10-200個(ge) 能提供地震聲信號的流星爆炸氣流。2019年4月6日（即著陸後的第128個(ge) 火星日），“洞察號”上的地震儀(yi) 探測到火星內(nei) 部微弱的“震動”信號，這是人類曆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(yi) 在火星上一個(ge) 叫做Cerbeus Fossae的地方探測到兩(liang) 次強烈、清晰的地震，震級分別為(wei) 3.3級和3.1級，Cerbeus Fossae被研究人員認為(wei) 是火星上的地震中心。迄今為(wei) 止，“洞察號”檢測並記錄了500多次大大小小的火星地震[5]。不僅(jin) 如此，其采集到的各類新數據（地殼厚度、地幔粘度、岩心半徑和密度以及地震活動等），能在現有基礎上將精確度提升3-10倍。

地震儀(yi) 在火星上可謂大展身手，但另一邊，“鼴鼠”探頭的進展卻不那麽(me) 順利。

今年1月份，NASA在其官網發表聲明稱“鼴鼠”要休息了，也就是說，“洞察號”向火星地下部署熱傳(chuan) 感探頭的任務進行兩(liang) 年後以失敗告終[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(nei) 部溫度。但是，由於(yu) 火星上土壤的結塊傾(qing) 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，無奈的研究人員隻能選擇放棄，宣告“洞察號”給火星量體(ti) 溫的任務失敗。

任務雖然失敗了，但此舉(ju) 並非毫無意義(yi) 。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(men) 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。“鼴鼠”的工作無疑是開創性的。

03
冬季來臨(lin) ，“洞察號”電力不足

隨著火星冬季的來臨(lin) ，“洞察號”麵臨(lin) 著越來越多的生存挑戰。

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

基於(yu) 此，研究人員嚐試著利用“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，隨後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(wei) 它製定了為(wei) 期兩(liang) 年的工作任務（於(yu) 2020年11月完成），這個(ge) 期限是有現實依據的：

“洞察號”的設計非常持久耐用：配備兩(liang) 個(ge) 直徑約2米、展開後寬約6米的圓形太陽能電池板；且著陸點位於(yu) 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(hui) 越積越多，從(cong) 而減少其功率輸出，但精巧的設計+適當的著陸點能保證其在兩(liang) 年的主要任務期間仍有充足的電量輸出。

但“洞察號”並沒有按計劃退休。今年初，任勞任怨的它又被延長了兩(liang) 年的任務期，以繼續探測火星表麵的地震和塵暴等現象。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，但由於(yu) 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(lin) ，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(jue) 定也並不是頭腦發熱。“洞察號”著陸的埃律西昂平原不僅(jin) 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(nei) 使用多年。

理想很豐(feng) 滿，現實很骨感。雖然“洞察號”在火星上發現了數百個(ge) 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於(yu) 2018年11月展開以來，還未曾遇到一個(ge) 近距離的塵暴來清理充滿灰塵的麵板，“借東(dong) 風”的如意算盤也落了空。

如今，滿覆塵土的太陽能電池板隻能產(chan) 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(yi) 、“鼴鼠”、機械臂、無線電和各種加熱器之間共享（加熱器能確保“洞察號”在低溫環境下實現正常運轉，而電量不足會(hui) 降低加熱器功率，影響“洞察號”的正常運行）。更嚴(yan) 峻的是，火星上的大風季節不久前也結束了，未來幾個(ge) 月內(nei) 都不會(hui) 有大風來充當清潔工了。

開源受阻，隻能節流了。麵對此等兩(liang) 難境地，研究人員在今年初暫時限製了“洞察號”的運行：他們(men) 陸續關(guan) 閉各種儀(yi) 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，隻定期喚醒以檢查其運行狀況並與(yu) 地球通信。由於(yu) 天氣傳(chuan) 感器在大部分時間裏都處於(yu) 關(guan) 閉狀態，此前每天更新的天氣頁麵目前也被暫停了[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：即使由於(yu) 突如其來的沙塵暴而耗盡電力，隻要它的電子元件能在極端寒冷的環境中存活下來，就能在重新接受陽光照射時重啟。

也就是說，隻要“洞察號”能以目前的狀態堅持到今年7月份（屆時火星將再次開始接近太陽），不再出什麽(me) 幺蛾子，就能絕地逢生，全麵恢複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’研究團隊已經製定了一個(ge) 強有力的計劃，保證讓其安全過冬，並準備在2022年完成我們(men) 的科學任務。我們(men) 擁有出色的車輛和一流的團隊，期待‘洞察號’未來有更多的新發現。”

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

製版編輯 | Morgan

來源：賽先生


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