  上文書我們講到了好奇號火星車。就在好奇號火星車發射后的第二年，也就是2012年，美國人在地球物理聯盟的秋季會議上宣布了火星2020項目。這個項目包括毅力號火星車和機智號火星直升機，以及新版的太空吊車。最主要的就是這三部分。 毅力號和好奇號長得差不多，本來就是同一伙人設計的，而且核動力部分也是用的好奇號的備份組件，很多零部件都是通用的。可以認為毅力號是好奇號的升級版。但是機智號無人機就是個新創舉了，這家伙昵稱叫“小機靈”，是個共軸反槳的直升機構型，這東西可以說面對著不小的技術挑戰，因為火星大氣太稀薄，飛行本身就很難。  總而言之，2020年注定是火星探測歷史上重要的一年，因為在這個探測窗口，有3個國家要發射探測器，首先就是美國人的毅力號，其次是阿聯酋的希望號，以及咱們中國人的天問一號。 我國要一次性完成探測器的環繞和著陸，此前也沒有經驗，難度是最大的。美國人此前已經有好幾顆環繞器了，他們只需要發射著陸器就可以。但是他們帶了個新鮮玩意兒，也算是有所創新，也有挑戰需要面對。阿聯酋希望號的難度并不大，出了事也是別人的鍋。因為阿聯酋的希望號只是環繞器，并沒有攜帶著陸器，而且大家都明白，這東西他們主要負責出錢，技術都是別人提供，探測器主要是美國人制造，發射用的是日本人的火箭。失敗也是別人的鍋。 當然啦，美國人手頭項目比較多。一邊要走重資產路線，花大價錢去研究火星車，另一方面，他們也沒有放棄所謂的多快好省型項目，盡管所謂的多快好省也并不是真便宜。鳳凰號探測器的接班人洞察號就此上線，2018年發射，恰好安排在了毅力號之前。  洞察號在調試太陽能板 鳳凰號有的那些功能，洞察號基本上也有。但是洞察號多了兩樣東西，一樣叫做“內部結構地震實驗”，縮寫叫“SEIS”，說白了就是個地震儀。另外一個叫“熱流和物理特性包”，縮寫HP3。這東西本質上就是個打洞的鉆頭，按照NASA的設計，這東西需要鉆進地下5米深的地方，測量火星的熱量散失情況。道理也很簡單，既然火星在逐漸冷卻，內部熱量在不斷的流失，內部肯定會比外部溫度要高一點。要想探測這種溫度梯度，就必須往地下打洞。 所以啊，InSight這個詞被我們翻譯成“洞察號”還真是一語雙關。可不就是“打個洞，察看一下”嘛。總而言之，這兩種儀器都是為了研究火星的內部結構而設計制作的。你要了解火星，不能只看臉，只拍照，你還得摸一摸溫度，量一量心跳。 洞察號的探測器平臺是美國人做的，但是這兩樣關鍵儀器是歐洲人多國合作的產物。地震儀是由法國航天局設計和生產，巴黎地球物理研究所、瑞士聯邦理工學院、馬克斯·普朗克太陽系研究所、倫敦的帝國理工學院、高等航空與太空學院和噴氣推進實驗室參與研發的。說白了，這東西就是個加速度計，能夠測量XYZ三軸加速度。火星上的輕微震動都能被它探測到。  這張 SEIS 地震儀的剖面圖展示了圓頂形的防風熱屏蔽罩（WTS）、遠程溫控箱（RWEB）、調平平臺，以及保護 VBB 擺錘的真空球體內部結構 過去，美國人在海盜2號著陸器上也帶了地震儀，但是這種地震儀無法屏蔽探測器內部產生的各種干擾震動。這次洞察號就不一樣了，人家這臺地震儀是安裝在洞察號的體外。洞察哈和鳳凰號一樣，不是都帶著那種挖土的機械臂嗎？頭上裝個挖斗，乍一看跟小號挖掘機似的？這回啊，這個鏟子還能兼任吊車，可以把這個地震儀吊放到距離洞察號本體遠一點的地方，用軟線和本體連接。 同樣，那個打洞的鉆頭，也是單獨吊放到洞察號旁邊，用軟線和本體連接。這樣安排，都是為了防止洞察號本體造成的干擾。  地震產生的P波和S波如何因核心而形成陰影區 根據人類在地球和月球上的觀察經驗。了解地下結構，最好的辦法就是通過地震波。比如地核月核這樣重要的星體內部結構都是依賴于地震波的探測。另外，火星表面上那層土到底有多厚，也是這次探測的重要內容。因為土層厚度實際上反映了火星表面地質和地貌的演化過程。 但是火星上的火震儀所面臨的問題和地震儀以及月震儀都不一樣。因為每個星球上都有各種各樣的雜音。地球上的地表雜音來源特別復雜，其中低頻部分就包含了大氣海洋所產生的振動干擾。高頻部分往往就跟人的活動有關系，人又不是停在那里不動人，畢竟是要到處溜達的，腳步聲就算是高頻了。廣場舞大媽整齊劃一的腳步，那也算是干擾之一。再說了，人類還需要改造自然呢，我家樓里又有人裝修了，電鉆就沒停過。這些事兒都會造成震動干擾。 月球上相對來講就非常的單純了，它既沒有海洋也沒有大氣，更沒有人類活動產生的各種噪音。但是，月亮經常遭到隕石的撞擊。誰叫它沒有大氣層呢，哪怕芝麻粒大小的隕石都能直接撞到月球表面。 火星上的環境比月亮稍微復雜一點，比地球稍微簡單一點。畢竟火星上沒有海洋，沒有海浪潮汐，這種低頻噪音是不存在的。但是，你別看它氣壓低，火星的大氣活躍程度遠遠超過了地球。因此風力啊，氣壓變化呀，或者是刮塵卷風啊，這種現象在火星上都是存在的，它都可能造成噪音。 所以洞察號探測器的落點選擇就變得非常關鍵，首先這個地方需要有足夠強的太陽光照，所以最好是在赤道附近。同時這個地方的地質活動要比較平穩，本底噪音比較低。同時這個地方最好風要小一點。大家選來選去，著陸地點定在了埃律西昂平原上的一個隕石坑里。  洞察號用宇宙神5號火箭，從加州范登堡空軍基地發射 2018年的5月5號，洞察號從范登堡空軍基地發射升空。這枚探測器在星際空間足足飛了6個半月才到達火星。11月26號，洞察號開始著陸進程。為了在著陸過程中保持通訊聯系，它還拋出了兩個非常小的立方星，負責中繼通信。過程相對來講比較順利，著陸之后幾個小時，火星軌道上的火星奧德賽號探測器就已經接收到了洞察號發出的無線電信號，這說明它的太陽能電池板已經展開，而且無線電裝置可以順利工作。  從落地開始，洞察號上的氣象探測器就已經開始工作了，就開始向地球發回各種火星上的天氣數據。洞察號上帶了高精度的麥克風，所以我們有幸聽到了洞察號從火星上發回來的火星風聲。現在大家聽到的是空氣吹過洞察號太陽電池板的時候發出的聲音。只不過這個聲音的頻率實在太低了，科學家把這個聲音提高了兩個8度，才能讓我們的耳朵聽到。 到了12月份，洞察號上的各種儀器基本上都已經開機工作了。現在要把最重要的地震儀吊起來放到鳳凰號的旁邊。這個地震儀還配備了一個防風罩，用來隔絕火星大氣的干擾。在洞察號著陸大約70個火星日之后，這臺地震儀終于開始連續記錄數據了。 火星上也存在著斷層等等地質結構造成的活動，但是火星的構造活動顯然比地球要弱的多。火星在逐漸的冷卻，這個過程中也可能因為局部應力釋放引起震動。不過呢，大家發現火星上的地震級數實在是太小了，最高只有4.7級。正因為震動強度太小，衰減太快，所以根本沒有辦法對火星最核心的部分進行探測，地震波傳不到那里，就已經衰減光了。  SEIS 地震儀吊放 正因為火星上的地震級數太小了，因此信噪比不高。主信號太弱，干擾信號太強，這就造成想剔除那些干擾，變得麻煩無比。咱們在地球上可以布置一個龐大的地震臺網。我們可以多方位對地震波進行檢測，因此可以利用這個臺網的數據計算出震源到底在哪兒？位于地下多深的地方？但是在火星上只有洞察號這么一個家伙帶著地震儀，它只能實現單點探測。它可以從p波與s波的傳播時間差來計算出地震發生在多遠的地方。 2019年4月份第1次探測到火星的地震信號，這也是人類第1次在地球以外的行星上聽到了地震的信號，別看海盜2號也帶著地震儀呢，但是他那個地震儀純粹是個擺設，啥也沒聽見。沒記錄下任何有效信號。洞察號所記錄的這個地震信號是人類的首次。 在后來的日子里，洞察號前后一共聽到了上千次輕微的震動。地面上的科學家們根據這些數據，大致描繪出火星的地殼厚度大約是24~72公里，液態核心的半徑大概是1830公里，著陸點的磁場強度大概是預期的10倍。所以說呀，火星的內核發電機看來是真的比較弱，但是也還沒完全死透呢。  地球、火星和月球內部的比較 另外火星上經常會有塵卷風出現。咱們地球上也經常可以看到塵卷風。這次我在青海帶著小朋友們穿越柴達木大沙漠的時候就親眼看到了塵卷風。說白了這東西的表現形式跟龍卷風有點像，只不過龍卷風經常發生在強烈的雷雨天。塵卷風通常是大晴天發生的。但是這個垂直旋轉的管狀空氣墻之內都是低氣壓，起碼比周圍的空氣壓力低得多。 塵卷風通常威力都很小，沒什么破壞作用。但總比一般的刮風要強不少。洞察號上的地震儀可以探測到這種非常強的大氣壓力變化。對于火星上一個典型的5米直徑的塵卷風而言，風眼中心對地面的大氣壓會減小810公斤。對于特大型塵卷風來講，中心附近的地表壓力甚至會減少300噸。  塵卷風在火星表面留下長長的影子 因此這種氣壓變化造成的震動很容易就被洞察號給探測到了。對于這種氣壓的突然變化，我們可以通過記錄地表的振動波形來分析火星表面土層的柔軟度。 除了氣壓變化造成的地表震動，小天體撞擊也是震動來源之一。小行星撞擊是個偶然事件，這玩意兒就是撞大運，規律性就比較差。洞察號探測到的撞擊事件。可以達到每地球年0.1~30次，這個差異實在是太大了。按科學家的計算，不該有這么多的震動。很有可能是小天體在穿入火星大氣層的時候，已經破裂成了多個碎片。于是就造成了很多次撞擊。正因為這些撞擊變得七零八落的，所以你就很難確定撞擊點到底在哪兒。 小行星撞擊引起的單次沖擊波對探測火星內部結構是很有用的。只有精確確定撞擊點，你才能對沖擊波的傳播進行有效分析。如果你弄的跟撒胡椒面一樣，到處都是，那這玩意就沒太大作用了。這也是洞察號所面臨的困境之一。 火衛一 另外，火星的那顆衛星火衛一距離火星表面只有6000公里高，所以它的公轉周期非常快，只有7個多小時。你別看它小，它對火星地殼也會產生萬有引力。這種萬有引力也會使得火星地殼發生變形，發生震動。這種震動也會被洞察號所探測。你還得剔除這個家伙所造成的干擾。這種困擾對于地球和月亮來講，基本上都可以忽略不計。這個問題也是火星上獨有的麻煩。好在火衛一引起的震動是周期性的。只要有周期有規律，那么咱們就有辦法把它剔除掉。 不管怎么說吧，對于洞察號來講。探測火星地震這件事，它辦的相當漂亮，但是在火星上打洞這件事，它辦的就非常的不順利。那個代號叫做鼴鼠的鉆頭啊，它怎么都打不進去。 我們在火星上打洞是不可能帶著長長的鉆桿往下鉆的，火箭上實在裝不下那玩意兒。工程師們必須制造一個自己會往下鉆的小鉆頭，尾巴上面只要拖一根電線。就行了。這個鉆頭長度為40公分，整體是由鈦合金制造的。在鉆頭內部帶著一個小錘子，由彈簧驅動。電動機負責上弦，等到彈簧充分壓縮了，然后突然釋放。這個過程就等效于拿榔頭狠狠的敲了一下，于是這個鉆頭就會自己往下鉆一截。 鼴鼠鉆地原理 理想很豐滿，但現實很骨感。2019年的2月28號，這個鼴鼠工作了4個小時。這是它單次工作的時間上限，你不能時間再長，再長它就嚴重發燙了。那4個小時時間，它打了多深的洞呢？它只打了20公分，而且還歪了15度，說白了，它不是直著下去的。按照地面工程師的計劃，它4個小時應該打進去70公分才合格，這才哪兒到哪兒啊？ 地面的人員馬上開始檢查數據，發現他5分鐘就已經轉到20公分的深度。后邊那三個多鐘頭啊，它幾乎是寸步沒動。工程師們首先想到，它是不是碰上什么硬茬了？難道他出門沒看黃歷，正好打在一塊磚頭上？火星上有磚頭？ 當時的項目組還是挺樂觀的，慢點就慢點唄。它畢竟已經打進去20公分了。下次再打洞，咱們就得仔細點。咱們得動用機械臂上以及地震儀上的攝像頭好好看看這個鼴鼠到底出了什么毛病。同時德國人拿了一套復制系統，千里迢迢送到了美國加州的JPL，美德兩國的工程師一起對這個鉆頭進行調試，希望能在地面上找到解決方案。 他們一直折騰到4月中旬，兩國工程師逐漸意識到問題大了。這不是什么碰上硬茬了，而是因為摩擦力不夠。 因為這家伙要能往地下鉆，需要一個前提條件，那就是土壤的摩擦力足夠大。如果這個鉆頭內部的小錘子真的是靠重力往下砸，那么什么問題都不存在。但是它偏偏是由彈簧驅動的。彈簧被壓縮，當它突然釋放的時候，一方面它驅動殼子內部的這個小錘子往下砸，另一方面，反作用力它也會推著整個鉆頭的殼子往上跳。如果土壤的摩擦力夠大，這個殼子跳不起來，靠錘子砸下去的那一下動量，就足夠把整個鉆頭往下砸一截。這種一拱一拱往下鉆的過程很像是鼴鼠打洞，所以這個家伙就得了個外號叫鼴鼠。 但如果土壤摩擦力不夠，殼子往上滑動，那小錘子砸了可就白砸了。這就變成了自己揪著自己頭發，妄圖把自己提起來。 給支架挪窩以后留下的腳印 地面上的工程師想了半天。既然是土壤的摩擦力不夠，就說明土壤比較松軟唄。拿我用機械手的鏟子壓住土壤，把它壓實了，是不是就可以解決問題呢？現在大家又面臨著選擇，有兩個點可以去壓。第1個點的效果應該比第2個點好，但是第1個點被支架給擋住了。那好辦，咱們可以挪挪窩嘛。用機械手拎著礙事的支架挪了20公分。現在可以用鏟子壓住土壤，看看鼴鼠能不能鉆進去。結果鼴鼠還是鉆不進去。 折騰來折騰去，這都已經是2019年的8月份了。到了9月份，火星跟太陽幾乎重合，地球沒法和火星進行通訊了，所以洞察號就放了一個月的假。等到10月份，新一輪的行動又開始了。 鏟子壓在側面，鉆頭明顯往下跑了 既然是側面的摩擦力不夠，那么我就拿鏟子頂住鉆頭的側面。這次總算有了成效，這個鼴鼠又艱難的向下鉆了兩公分。到了10月下旬，這個鉆頭居然又從土里滑出來了，等于前幾個月全白干了。 鼴鼠跳出來了 到此為止，洞察號著陸已經325個火星日了，真是一朝回到解放前。接下來的幾個月，仍然沒有什么進展。那個鉆頭鉆進去幾公分，說不定一不小心又跳出來了。到了2020年的2月份。項目組實在是豁出去了，他們用鏟子直接頂住了鼴鼠。你不是總往外跑嗎？我摁著你，你總跑不了了吧。你別說這招還真管用。這個鉆頭終于鉆到了地面以下。但是現在就尷尬了，鉆頭已經全部沒入土里。尾巴已經和地表齊平，你那個鏟子還怎么摁呢？ 地表上的工程師又想了很多的辦法。那是不是往上面堆一點土，能夠把這個鼴鼠給壓下去？大家試了試，發現屁股后面的電線。沒有被拉緊的意思，也就是說它壓根沒往下鉆。如此往復，又折騰了快一年。一直到了2021年的1月9號。這只勤奮的鼴鼠還在那里不斷的敲擊，就是沒法往下鉆一寸。 最后的嘗試，用鏟子直接壓住鼴鼠 地面上的那幫工程師，連死的心都有了，在外星上搞鉆探就這么不順利嗎？難道只有人類宇航員才能完全勝任打洞的工作嗎？想當初，阿波羅的宇航員曾經在月球上鉆到3米深，但那是人手干的，不是機器干的。 更加打臉的是，就在一個月之前，咱們的嫦娥5號就順利的完成了月球鉆探，成功的從地下取得了月壤的樣本，這不就事無人探測器在外星球鉆探成功了嗎？咱們怎么就沒遇上這些麻煩事呢？怎么就你德國人遇上呢？ 有關這檔的事兒，咱們下回再說。 |
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