NASA拯救其卡住的火星钻探器的计划涉及一个带有铲子的机器人

这个“鼹鼠”已经埋在火星土壤中好几个月了。
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“洞察号”的机械臂在尝试推入钻孔侧壁后留下了铲子印记。NASA/JPL-Caltech

本来,一个微型风钻本应早已安全地埋在火星表面下15英尺的地方。然而,它却依然停留在地表附近,头部埋在地下约一英尺,尾部则突出于外星土壤表面约两英寸。

数百万英里之外,一个国际工程师团队已经花费了春夏两个季节来分析是什么阻止了这款代号为“鼹鼠”的钻探设备继续工作,并 improvising 解决方案以使其重新开始钻探。本周标志着他们营救这台钻探机的第二次重大尝试,这次他们将利用来自其母船——NASA“洞察号”着陆器——的机械臂来物理支撑“鼹鼠”。虽然着陆器的其他仪器工作正常,但该任务追踪红色星球内部热流的能力能否实现,则取决于该团队的工程创新能否克服火星地下环境的未知因素。

“我认为团队可能会觉得我们正在尝试的方法有最大的成功机会,”曾协助选择着陆点的“洞察号”联合首席研究员 Matthew Golombek 说。

“鼹鼠”是“洞察号”热流和物理性质探测包(简称 HP3)的关键部件。HP3 由德国航空航天中心 (DLR) 设计,可以测量从火星核心到表面的热流。行星内部的大部分热量是其形成过程中遗留下来的,因此测量火星的内部温度将有助于行星科学家更好地了解它的形成。但要准确测量,它需要深入地下至少九英尺,足以避开地表季节性的温度变化。

这款长15英寸、宽1英寸的设备本应能滑入火星土壤,通过类似风钻的上下运动将小石块推开。喷气推进实验室 (JPL) 每周与着陆器通信几次,发送一系列指令,指示“鼹鼠”每次挖掘几英尺,并在每次挖掘之间休息几天,以避免过热。

第一次挖掘时,团队将“鼹鼠”设置为挖掘两英尺或执行 4,000 次冲击,以先到者为准。但当数据显示它已经执行了所有冲击但仍未达到目标深度时,他们就知道有问题了——要么是“鼹鼠”卡在了外壳里,要么遇到了奇怪的土壤,要么是在徒劳地撞击一块巨大的岩石。

DLR 和 JPL 迅速召集了一个“异常响应团队”,经过数月的分析,于 6 月决定使用“洞察号”的机械臂提起外壳,直接观察“鼹鼠”。着陆器上的摄像头传回了喜忧参半的报告:大部分“鼹鼠”已经进入地下,但已无法继续挖掘。JPL 将该设备描述为“自锤式钉子”,就像钉子一样,它需要牢固地钉入泥土才能取得进展。但照片显示,“鼹鼠”在其周围挖了一个近三英寸宽的洞,并以 15 度角倾斜靠在洞壁上。“当我看到这个坑实际有多大时,我和团队里的其他人都有点震惊,”HP3 的首席研究员 Tilman Spohn 在一个 DLR 博客上写道。

火星车仅仅是触摸了火星的表面,但研究人员可以从撞击坑中看到小行星挖出了什么。他们还可以通过测量土壤(正式称为“表岩屑”)冷却的速度来推断其构成。几十年来,来自各种任务的数据让工程师们期望该地点的火星土壤是无石块的,并且足够沙质,能够流动并塌陷到“鼹鼠”挖掘的洞后。然而,“鼹鼠”周围的洞表明,出乎意料的粘稠表岩屑阻碍了它。“我们有两个相互竞争但并不完全一致的信息,”Golombek 说。

虽然他们尚未完全排除地下隐藏的岩石,但工程师们确信,一种称为“硬壳层”的表岩屑层正在困扰着“鼹鼠”。硬壳层随着时间的推移缓慢形成,空气中的水分将盐分沉积在土壤中,将尘粒粘合在一起。“鼹鼠”可以打破硬壳层,但之后土壤会像湿沙一样粘在一起,并保持其距离,而不是塌陷到“鼹鼠”周围并为它提供推挤的材料。

第一个主要的救援策略,Spohn 称之为“园艺”,进一步证实了土壤的粘性。InSight 的可回收臂设计继承了一个来自先前任务的小铲子,异常团队意识到他们可以用它来向下推洞壁,为“鼹鼠”提供推挤的支撑。然而,六次“园艺”操作证明土壤比预期的还要粘稠。机械臂未能突破硬壳层,只在薄薄的表层沙土上留下了铲子印记。

DLR 的工程师曾考虑使用铲子将沙子推入洞中,但由于这项操作需要数月时间,他们选择了一种更冒险的方式:直接将铲子压在“鼹鼠”上——这是一种更具风险的选项,因为一个硬件可能会刮伤另一个。“这是 JPL 的工程师们非常担心的事情,”Spohn 说。

在地球上的沙箱中用 InSight 和“鼹鼠”的完整尺寸模型进行练习后,NASA 本周指挥铲子手臂横向扫动,将“鼹鼠”压在洞壁上,希望能为其提供所需的约一磅的抓地力。根据 JPL 的仪器系统工程师 Troy Hudson 的说法,沙箱中的测试产生了 2 到 10 磅的力,但这种前所未有的操作在火星上会如何进行,谁也无法预测。“这台机械臂不是为此类事情而设计的,”Golombek 说。“我们完全超出了手册的范围。”

一旦机械臂固定住“鼹鼠”,钻探机的命运就取决于一个“恰到好处”的冲击次数:20 次。少于这个次数,它可能根本无法钻探。多于这个次数,“鼹鼠”可能会消失在地下,导致铲子手臂滑过其尾部,并撞击连接它与着陆器另一端的脆弱数据线。挖掘工作于周二进行,JPL 和 DLR 的工程师将花费本周剩余时间分析照片,寻找进展迹象。

如果“鼹鼠”拒绝移动,异常团队还有一些别的招数,例如用铲子直接向下按压“鼹鼠”的尾部,但有一种感觉,当前的营救尝试可能是“鼹鼠”任务的决定性时刻。因此,工程师们已经为任何结果做好了准备。

“如果最终失败,那将是毁灭性的,”Hudson 说,“但我认为我已经处理了很多这种悲伤。自从异常发生以来,它无法工作的阴影就一直笼罩着。”

工程师们一边反复刷新页面,一边等待图像传回地球,他们希望能看到“鼹鼠”有少量挖掘的迹象,其暴露的尾部从两英寸缩短到一英寸。但即使在这种最乐观的情况下,“鼹鼠”也并未完全脱离困境。接下来,团队需要决定获得的额外深度是否足以开始挖掘,或者他们是否需要进行更多的“园艺”工作,并在其后方填充洞。

“虽然‘鼹鼠’取得进展将是极好的,”Spohn 说,“但这不会是故事的结局。”

 

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Charlie 是一名记者,报道地球内外物理科学领域的发展。除了《流行科学》,他的作品还发表在《Quanta Magazine》、《Scientific American》、《The Christian Science Monitor》等刊物上。此前,他曾在莫桑比克和日本教授物理和英语,并在布朗大学学习物理。您可以在这里查看他的网站。


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