火星上的 InSight-HP3 “鼹鼠”：尝试穿透至火星土壤深处所获得的经验教训

NASA InSight 着陆器火星任务的有效载荷包括用于测量表面热流的热流与物理特性探测包 HP3。该探测包设计使用一个名为“鼹鼠”（mole）的小型穿透器，将一串垂直的温度传感器部署在深达 5 m 的土壤中。“鼹鼠”本身配备了传感器，可在其深入地下时测量热导率随深度的剖面。热流由温度梯度与热导率的乘积计算得出。为了避免地表年温度变化引起的扰动，测量需要在 3 m 至 5 m 的深度进行。“鼹鼠”设计用于穿透流变学性质类似于石英砂的无粘性土壤，石英砂预计是火星砂的良好模拟材料。沙土将为埋入地下的“鼹鼠”外壳提供摩擦力，以平衡驱动其前进的击锤机构所产生的剩余后坐力。不幸的是，“鼹鼠”穿透深度未超过 40 cm，大约仅为“鼹鼠”自身的一个身长。未能穿透更深的主要原因是一层数十厘米厚的具粘性硬壳层（duricrust）未能提供所需的摩擦力。尽管作为“鼹鼠”击锤机构一部分的抑制质量块和弹簧吸收了大部分后坐力，但受可用质量所限，无法设计出完全消除后坐力的系统。“鼹鼠”能够穿透到 40 cm 的深度，得益于部署它的支撑结构中弹簧提供的摩擦力，以及 InSight 仪器部署臂（Instrument Deployment Arm）提供的摩擦力和直接支撑。此外，火星土壤提供了意料之外的穿透阻力，这本应促使设计更强大的“鼹鼠”。“鼹鼠”支撑结构的重量较轻，不足以引导“鼹鼠”垂直穿透。如果将仪器包的总质量大致翻倍，就能够设计出一个更稳健的系统，具有极小或没有后坐力、更高的击锤机构能量以及更坚固的支撑结构。此外，为了应对硬壳层，应考虑设计一种能够支撑“鼹鼠”至大约两个“鼹鼠”身长深度的机构。