電量不足、休眠停工，美火星探測器“洞察號”能否熬到2022年？
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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(yùn)用地震調(diào)查、測地學(xué)與熱傳導(dǎo)對火星內(nèi)部進(jìn)行探測”（Interior Exploration usingSeismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，InSight）的首字母縮寫。
探測器“器如其名”：裝載有內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)儀（SEIS）和熱傳感物理特性箱（HP3），用以研究火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地質(zhì)演化，幫助人們對太陽系類地行星（水星，金星，地球，火星）的進(jìn)一步認(rèn)識[1]。自“洞察號”登陸火星以來，傳回了大量珍貴數(shù)據(jù)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(jié)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(shí)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(shè)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(wù)失敗。
研究人員預(yù)計(jì)，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(fù)工作。但如今，隨著儀器的關(guān)閉，很多珍貴的數(shù)據(jù)正在丟失；而且，“洞察號”存在潛在但致命的電源故障風(fēng)險(xiǎn)，一旦在夏季來臨之前電池沒電了，它可能永遠(yuǎn)無法恢復(fù)。屆時(shí)，8億美元的高科技產(chǎn)品會變成一堆廢鐵。
電量不足、休眠停工、任務(wù)失敗……“洞察號”路在何方？
2018年11月26日美東時(shí)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(gè)深入研究火星“內(nèi)部空間”（地殼、地幔和地核）的太空“探險(xiǎn)家”，“洞察號”的火星之旅實(shí)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(shí)驗(yàn)儀SEIS臨時(shí)發(fā)生故障，發(fā)射窗口也存在技術(shù)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(jìn)行調(diào)整并再覓良機(jī)。
“洞察號”不僅外形炫酷，還造價(jià)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(gè)圓形的太陽能電池板，使用壽命預(yù)計(jì)可達(dá)2年（一個(gè)火星年）。此外，它還裝備了一系列科學(xué)儀器和輔助系統(tǒng)，主要的科學(xué)儀器有內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)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(fèi)1.5億美元對其進(jìn)行調(diào)整，于是這個(gè)重約0.7噸的家伙總成本超8億美元[1]。
2018年5月5日當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午11點(diǎn)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(shí)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)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(dá)50千克的科學(xué)儀器和輔助系統(tǒng)，其中不得不說的是它執(zhí)行主要任務(wù)兩大“法寶”：內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)儀（SEIS）和熱傳感物理特性箱（HP3）。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)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(nèi)部構(gòu)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(jié)構(gòu)。
圓形防風(fēng)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(zhǔn)測量熱量流經(jīng)火星核心的速率，從而揭示有關(guān)行星內(nèi)部演變的信息。
“鼴鼠”工作示意圖，圖源mars.nasa.gov
檢測火星地震能幫助研究人員更直觀地了解火星的內(nèi)部構(gòu)造和地質(zhì)活動，火星上雖然沒有與地球類似的板塊構(gòu)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(jì)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(jì)、氣溫和風(fēng)速風(fēng)向傳感器、氣壓計(jì)等一整套氣象工具，能檢測火星上的地質(zhì)活動、磁場干擾和氣溫風(fēng)向等數(shù)據(jù)。
在火星上，“洞察號”每年能探測10-200個(gè)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(gè)火星日），“洞察號”上的地震儀探測到火星內(nèi)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(gè)叫做Cerbeus Fossae的地方探測到兩次強(qiáng)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(rèn)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(jù)（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(chǔ)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(jìn)展卻不那么順利。
今年1月份，NASA在其官網(wǎng)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(wù)進(jìn)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(nèi)部溫度。但是，由于火星上土壤的結(jié)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(jìn)行了500次錘擊，卻仍未取得任何實(shí)質(zhì)性進(jìn)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(wù)失敗。
任務(wù)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(xué)家們也希望通過研究火星的地下物質(zhì)以找到微生物生存的可能性。“鼴鼠”的工作無疑是開創(chuàng)性的。
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(dǎo)致連接地震儀的電纜膨脹和收縮，從而影響數(shù)據(jù)精度[5]。
基于此，研究人員嘗試著利用“洞察號”機(jī)械臂末端的勺子將土壤“舀”到圓形的防風(fēng)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(shí)，研究人員為它制定了為期兩年的工作任務(wù)（于2020年11月完成），這個(gè)期限是有現(xiàn)實(shí)依據(jù)的：
“洞察號”的設(shè)計(jì)非常持久耐用：配備兩個(gè)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(diǎn)位于火星赤道，陽光充足。雖然隨著時(shí)間的流逝，太陽能電池板上的塵土?xí)椒e越多，從而減少其功率輸出，但精巧的設(shè)計(jì)+適當(dāng)?shù)闹扅c(diǎn)能保證其在兩年的主要任務(wù)期間仍有充足的電量輸出。
但“洞察號”并沒有按計(jì)劃退休。今年初，任勞任怨的它又被延長了兩年的任務(wù)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(jì)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(jiān)持不住了。
實(shí)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(fēng)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(shè)計(jì)的生命周期內(nèi)使用多年。
理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。雖然“洞察號”在火星上發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)塵暴（大風(fēng)把大量塵埃等細(xì)粒物質(zhì)卷入高空所形成的風(fēng)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(gè)近距離的塵暴來清理充滿灰塵的面板，“借東風(fēng)”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(chǎn)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(jī)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(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而電量不足會降低加熱器功率，影響“洞察號”的正常運(yùn)行）。更嚴(yán)峻的是，火星上的大風(fēng)季節(jié)不久前也結(jié)束了，未來幾個(gè)月內(nèi)都不會有大風(fēng)來充當(dāng)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(shí)限制了“洞察號”的運(yùn)行：他們陸續(xù)關(guān)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(jìn)入冬眠狀態(tài)，只定期喚醒以檢查其運(yùn)行狀況并與地球通信。由于天氣傳感器在大部分時(shí)間里都處于關(guān)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(yīng)對這一情況的設(shè)計(jì)：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(shí)重啟。
也就是說，只要“洞察號”能以目前的狀態(tài)堅(jiān)持到今年7月份（屆時(shí)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(fù)正常運(yùn)行和科學(xué)探測活動。
“洞察號”的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人布魯斯·班納特（Bruce Banerdt）表示：“‘洞察號’研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制定了一個(gè)強(qiáng)有力的計(jì)劃，保證讓其安全過冬，并準(zhǔn)備在2022年完成我們的科學(xué)任務(wù)。我們擁有出色的車輛和一流的團(tuán)隊(duì)，期待‘洞察號’未來有更多的新發(fā)現(xiàn)?！?/span>
參考文獻(xiàn)
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