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起死回生的5大空间任务
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Richard Talcott 文 Shea 编译 |
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就像浴火重生的凤凰，这些探测器都奇迹般地逃脱了失败的魔掌，取得了非凡的成就。 空间飞行从来就不是容易的事情。人类生来就无法在地球大气层之外冰冷、没有空气且充满辐射的宇宙空间生存。但即便是无人空间探测器也要不断地面对远胜于此的威胁。 它们中的一些生来就钢筋铁骨，取得了巨大的成功。例如，“勇气”号和“机遇”号火星车在火星表面工作了6年以上，而最初它们的设计寿命却只有3个月。太阳和日球层探测器自发射以来连续监测了太阳15年，而它目前仍在运转。还有几十个其他的探测器也都已经顺利地完成了自己的任务或者正在进行中。 不幸的是，失败探测器的清单差不多和成功的一样长。火星已经成为了多个探测器的墓地。光是在过去的20年中，“火星观测者”、“火星气候轨道器”、“火星极地着陆器”和“猎兔犬2”就都葬身于“火星坟场”。而事实上，失败的火星任务和成功的比起来基本上50对50。 其他一些探测器，例如计划近距离探测恩克彗星和史瓦斯曼-瓦赫曼彗星的“彗核之旅”探测，甚至都没有脱离环绕地球的轨道。 然而，还有少数一些探测器虽然经受了几乎断送它们整个任务的打击，但在结合了智慧、毅力以及运气之后，地面控制人员成功解决了这些问题并且圆满地完成了任务。这里就将列举5个起死回生并且改变我们对宇宙认识的探测器。 “天空实验室”：太空救援 1973年5月14日是“土星”V型火箭最后一次发射的日子，但它仅仅正常工作了63秒。这枚巨型火箭的载荷是“天空实验室”，它是美国宇航局（NASA）计划用来在无重力的太空中测试人体耐受度的载人空间站。不过“天空实验室”上还搭载了阿波罗望远镜装置，它会以前所未有的分辨率来观测太阳和其他天体。 “天空实验室”的问题始于发射之后63秒天其微流星体防护罩的突然打开。大气阻力把它从“天空实验室”上剥离了下来，引发了一系列几乎致命的后果。这个防护罩影响到了两个主太阳能电池板中一个的支架，造成其部分展开。火箭飞行的气流随后将其扯掉。  同时，防护罩的碎片卡主了“天空实验室”另一侧的第二个太阳能电池板，造成它几乎无法产生任何电力。更麻烦的是，这个微流星体防护罩同时身兼宇航员工作和生活区的遮阳罩，因此没有它“天空实验室”的内部就会过热。 幸运的是，NASA在一开始就把阿波罗望远镜装置设计成了一个独立的舱体，因此它是连接到主体上的且具有独立的太阳能板。阿波罗望远镜装置的太阳能电池板维持着“天空实验室”的供电直到首批宇航员于1973年5月25日抵达。3名宇航员展开了“天空实验室”的另一块主太阳能电池板，还安装了一块临时遮阳板。  [图片说明]：1973年5月14日“天空实验室”使用“土星”V型火箭发射升空，63秒之后出现问题。版权：NASA。 距离地面435千米，“天空实验室”可以不受地球大气的干扰观测太阳。通过这一有利位置，阿波罗望远镜装置可以在X射线和紫外波段上来观测太阳，而这些辐射是无法穿透地球大气到达地面的。 “天空实验室”让太阳物理学家第一次清楚地看到了太阳表面（光球）上的扰动是如何影响磁场的，而磁场随后又会改变太阳外部日冕的结构。它还发现了太阳活动区的磁场特征，建立起了冕洞、X射线图像上的暗区以及太阳风之间的联系。 然而，阿波罗望远镜装置并没有把所有的时间都花在太阳上。宇航员还用它观测了1973年底从近处飞过太阳的科胡特克彗星。 虽然第三批也是最后一批宇航员于1974年2月8日离开了“天空实验室”，但它并没有停止制造新闻。1979年7月11日，由于超出预计的太阳活动，“天空实验室”大气阻尼增大在西澳大利亚和印度洋上空瓦解坠落。  [图片说明]：1973年“天空实验室”在极紫外波段上拍摄的巨大日珥。版权：NRL。 “旅行者”2号：发现之旅 降临在“天空实验室”身上的问题只要一览它受损的外部就是清晰可见了。而“旅行者”2号所经历的麻烦则是发生在看不见的内部的，但它们也同样严重地威胁到了探测任务。 尽管“旅行者”2号最终荣升为了有史以来最成功的行星际探测器，但它在一开始却问题不断。在1977年8月20日发射前大约3周，“旅行者”2号上三个主计算子系统中的两个失灵了。为此NASA用备份星替换了“旅行者”2号。（“旅行者”1号于1977年9月5日发射，但采用更短、更快的轨道跑到了前面。） 发射不到一小时，“旅行者”2号就又出现了多个问题。一个用于稳定探测器的陀螺仪开始出现故障，不过在没有地面的帮助下它自己恢复了正常工作。之后，一个计算机子系统的问题导致探测器进入了备用状态，导致部分飞行数据的丢失。最后，挂有科学仪器的吊杆锁死，无法完全伸展开。不过地面控制人员发现这个问题并不在吊杆身上，而是探测其是否锁死的传感器出了问题。  “旅行者”2号在它进入太空的第一个年头中继续着怪异的举动。推进器自发点火，滤镜轮卡住，计算机系统无视地面的指令。探测器上的硬件似乎没有，但星载计算机却总是问题迭出。最终NASA意识到，工程师在编程的时候让计算机过于敏感了——探测器环境中的任何小扰动都会造成它过激的反应。在NASA对其重新编程了之后，这些问题大部分都消失了。 但是，这个麻烦不断的探测器还面临着更多更为严重的危机。1978年4月，“旅行者”2号主无线电接收机中的一次电涌烧断了它的保险丝。这个接收机就此失灵。更糟糕的是，不到一天前工程师发现后备无线电接收机无法正常工作。足足7天，地面控制人员无法和“旅行者”2号建立联系。当通讯再次恢复时，NASA便向它发送了大量的指令。这样一来即便后备系统也完全失灵，它还能在木星和土星那里继续执行任务。然而，后备系统没有停止工作。虽然有点诡异，但它却一直运转到了30多年之后的今天。 “旅行者”2号详细地探测了木星、土星以及它们的大型卫星。由于“旅行者”1号率先飞过了这些天体，因此它做出了主要的发现。但“旅行者”2号往往会更为靠近某颗卫星或者从不同的半球上方飞过，因此揭示出了“旅行者”1号未曾看见的细节。 “旅行者”2号完成了第一次也是迄今唯一一次对远日巨行星天王星（1986年）和海王星（1989年）的飞掠。它发现了围绕这两颗行星的巨大磁场，揭示出了它们错综复杂光环系统的细节。最令人震惊的是，它在海王星上发现了巨大的风暴，而之前天文学家都认为那里的温度过低不会存在这样的活动。海王星的卫星海卫一以其奇特的表面和间歇性喷发也让科学家吃惊不已。 现在“旅行者”2号已经远在了210亿千米之外，正在探测太阳风和星际空间相互作用的地方。没有人知道两个“旅行者”号还能坚持多久，但NASA的科学家计划继续监听它们所发出的微弱信号直到它们消失在太空中。  “依巴谷”：测量恒星 如果前三个任务有一个共同点的话，那就是发射之后的最初几小时往往最为关键。对于欧洲空间局（ESA）设计用来精确测量恒星位置和速度的“依巴谷”卫星，这一阶段几乎意味着它任务的终结。 1989年8月8日，“依巴谷”从法属圭亚那发射升空进入转移轨道。但它在远地点发动机点火失败，使得它搁浅在了呈大椭圆形的转移轨道上。它本应该进入一条24小时的地球静止轨道，在那里它会以36,000千米的高度环绕地球，同时还能和位于德国的地面站之间保持不断的联系。 “依巴谷”卫星实际轨道的最大高度为36,000千米，但最低仅为500千米，每10.7个小时绕地球一周。在这条轨道上，“依巴谷”会穿过地球的范艾伦辐射带，那里的高能粒子会轰击它的太阳能电池板，影响它的效力。“依巴谷”还经历过持续时间超过60分钟的食，迫使它进入了休眠模式。此外，它在差不多70%的时间里都无法和德国的地面站进行联系。  [图片说明]：在大型太阳模拟器中接受测试的“依巴谷”卫星。版权：ESA/ESTEC。 为了进入最终的轨道，“依巴谷”携带460千克的燃料。由于点火失败，这些未被燃烧的推进剂使得对它的控制变得极为困难。 花了数个月的时间，科学家们仍然不知道是否能把这个任务抢救回来。许多人认为它会就此失败，也有少数人认为它能维持足够长的时间实现它的目标。但ESA呵护着“依巴谷”最终走过了3.5年，比原计划还长了1年。 在扰人的地球大气之上，“依巴谷”无比精确地测量了恒星的位置。通过在地球轨道上的不同点来比较同一颗恒星的位置，天文学家使用几何方法就能计算出恒星的距离。 “依巴谷”上的主要仪器精确测量了118,218颗恒星。一个辅助仪器则以稍低但仍无法比拟的精度对多得多的恒星进行了测量。它所编纂的星表总共包含了2,539,913颗恒星，涵盖了全天所有亮于11等恒星的90%。 然而，“依巴谷”远不止确定了靠地球较近的数百万颗恒星的距离这么简单。天文学家利用这些近距恒星校准了更为遥远天体的距离，并最终拓展到了宇宙的边缘。因此，是“依巴谷”帮助人类建立起了贯穿宇宙的精确距离。  [图片说明]：“依巴谷”的概念图。版权：ESA。 哈勃空间望远镜：“哈勃”的麻烦 哈勃空间望远镜的麻烦远在“发现”号航天飞机的宇航员于1990年4月25日将其部署到太空前就已经开始了。但是直到“哈勃”发回它的第一幅图像、科学家看到模糊的影像时，人们才意识到出了问题——“哈勃”的主镜聚焦存在问题。 光学工程师几近完美地抛光了“哈勃”的主镜。如果你把它放大到地球的大小，那么这面反射镜上最高的突起或者最深的下陷只有15厘米。然而，工程师在研磨望远镜的时候却出现了偏差，它的边缘偏平了2微米（大约是人头发宽度的1/50）。这相当于在一个地球大小的“哈勃”镜面上，它的镜面边缘低了11米。 对于由此获得的模糊图像，一个天文学家嘲讽说，如果他把一架20厘米的天文爱好者望远镜放到美国夏威夷的莫纳克亚，也能得到相同的效果。天文学家估计，在主镜有缺陷的情况下，“哈勃”能实现其主要目标的一半就是运气了。  幸运的是，NASA在设计“哈勃”时考虑到了宇航员对其进行维修的问题。工程师则根据“哈勃”所拍摄的图像精确地测定了主镜的瑕疵并为其制造了光学改正器件。在1993年12月的首次维修任务之后，“哈勃”开始以设计要求运转。 概括“哈勃”所取得的科学成就就像是讲述过去20年的天文学发展史。它测定了宇宙膨胀的速率，发现了暗能量以及它对宇宙加速膨胀的作用，证明黑洞的存在以及在绝大多数的大型星系中心都存在超大质量黑洞，并且证明了最大的星系都演化自较小的结构。如果一切顺利，在未来的几年里“哈勃”还会继续为我们提供不同寻常的科学发现以及动人心魄的宇宙图景。  舒梅克近地小行星探测器：几乎失之交臂 与前面的四个任务不同，舒梅克近地小行星探测器拥有一个梦幻开局。它于1996年2月17日发射升空，然后开始了飞往近地小行星爱神星的漫长旅途。1997年6月途经马蒂尔德小行星，1998年利用地球引力助推。这些飞掠都顺利完成。 因为“舒梅克”要于1998年12月接近爱神星时，所以按照计划它要每次间隔一周分四次点燃主引擎，以此来把自身的速度降低到和爱神星相当并最终进入环绕爱神星的轨道。第一次也是最大的一次引擎点火定在1998年12月20日，但却出了大问题。与按计划持续工作15分钟不同，在启动之后不到2秒引擎就熄灭了。  [图片说明]：舒梅克近地小行星探测器和爱神星的概念图。版权：CRS$。 “舒梅克”偏离了航线并且和地球失去了长达27个小时的联系。当它再次和地面取得联系之后，控制人员发现它已经偏了3,000千米。更糟糕的是，它的姿态失去了控制。小推进器点火了大约600,000次来调整姿态，耗尽了大多数的储备燃料。此外，由于太阳能电池板长时间没有对准太阳，因此电池几乎用完。 当时已经太晚无法挽救计划中的环绕任务了，取而代之的是“舒梅克”飞掠爱神星。1998年12月23日它从爱神星表面上方3,830千米的飞过，拍摄了222张照片。 不过科学家们还是想出了挽救的办法。1999年1月3日“舒梅克”的主引擎再次点火，这一次它工作正常。“舒梅克”差不多赶上爱神星的速度，在随后的13个月里它一直跟在爱神星的后头。2000年2月14日，“舒梅克”制动进入了环绕爱神星的轨道。 在接下去的一年中，“舒梅克”以远高于之前任何一个小行星探测任务的分辨率研究并观测了爱神星的表面。它的照相机拍摄了超过160,000张的图片，发现了纵横交错在爱神星表面的微裂缝网。大如足球场、小如大狗的岩石散布在其表面。一些陨击坑中的滑坡则暴露出了新的物质。  [图片说明]：舒梅克近地小行星探测器绘制的分辨率为1.4米的爱神星表面地图。版权：NASA/JHUAPL。 2001年2月12日，控制人员把“舒梅克”降落到了爱神星的表面。就在它触地前，照相机发回了分辨率小到1厘米的图像。出乎所有人意料的是，“舒梅克”在着陆的过程中幸存了下来，并且继续工作到了2001年2月28日。 最终，“舒梅克”完成了科学家最初设定的所有目标。就像前面提到的其他探测任务，它一路走来跌跌撞撞。但智慧的科学家让它们都起死回生并取得了巨大的成功。没有这5个探测器，天文学家对宇宙的认识仍会停留在极为贫乏的程度之上。 |
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2001-2018火流星工作组制作
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