深空探测史话 被磨难环绕的“伽利略号”的一生

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  人类的航天史是一部历史长篇,其中不乏感人至深的伟大奇迹,也有惨痛而壮烈的失败和事故。有一些航天项目从始至终顺风顺水,顺利地完成了既定的目标。有一些刚发射就出现了致命的故障,项目也被迫终止了,留下了很多遗憾。和上面的情况不同,“伽利略号”号飞船从立项开始就磕磕绊绊,发射之后还出现了各种问题,真可谓命运多舛。虽然各种艰难险阻,科学家们“逢山开路,遇水架桥”,解决了一个又一个的问题,让这个飞船成功地完成了自己的使命。

   被寄予厚望的“伽利略号”

  “伽利略号”是美国宇航局的一个木星探测飞船。和之前其他探测飞船(比如旅行者号)不同,它不是简单地飞掠过木星,而是要进入环绕木星的轨道,对木星和它的卫星们进行长期观测。

  “伽利略号”的名字来源于著名的意大利天文学家和物理学家伽利略,16世纪伽利略第一次把望远镜对准天空,发现了很多星空中的奥秘,比如木星的卫星,为纠正当时错误的世界观提供了有力支持。可以毫不夸张地说,伽利略天文观测取得的新发现是人类进步的基石。飞船以伽利略的名字命名,说明科学家们对它寄予厚望。

  

  著名物理学家伽利略(图片来源:维基百科)

  从外形上看,伽利略号飞船和其他几个深空的探测器非常相似,都是由一个大锅状天线和飞船的主体组成。主要的科学探测载荷都安装在主体上,有几根杆从主体向外伸出。其中一个伸杆顶部装有核能电池,这个为飞船提供能源的核能电池也给伽利略号本来“不幸”的命运增添了几分的“悲剧”,当然这是后话。飞船的底部有个小型的木星大气探测器,在飞船抵达木星附近后小探测器会直接坠向木星,探测木星的大气构成等。

  

  (图片来源:NASA

  197710月,“伽利略号”通过国会批准,相当于国内航天人常说的工程立项。不过当时这个计划并不叫“伽利略号”,而是叫木星环绕探测器,1978年才正式更名为伽利略号。项目最初计划花四年左右的时间完成飞船的研制工作,82年发射飞向木星。按照这个计划,伽利略号将在1984年开始环绕木星。计划总是赶不上变化快,由于种种原因,伽利略号一再延期,直到1989年成功发射,整个研制过程长达12年,中间经历了多次磨难和反复。

  

  伽里略号探测木星(图片来源:NASA

  磨难一:难以抉择的上面级

  项目研制初期在上面级的选择上“折腾”开启了伽利略号不安稳的命运旅程。上面级其实是一个小型火箭,在深空探测器发射过程中,通常大型运载火箭将飞船和上面级送到环绕地球的轨道,然后上面级接力工作让飞船飞向探测目标。如果把飞船飞抵木星的过程比作从北京出发到山西的一个小山村,需要先乘坐高铁抵达县城,然后乘坐三蹦子走小路去山村。运载火箭相当于高铁,上面级就是三蹦子。

  伽利略号可供选择的上面级有两个,一个是波音公司生产的采用固体燃料的“惯性上面级(IUS)”,另一个是使用液体燃料的半人马上面级。伽利略号研制初期在这两个上面级中反复来回修改,总让人想起琼瑶剧中在两个女主中摇摆不定的男主角。

  最初的方案选择了“惯性上面级”(女一号)。这个“女一号”有个响亮的外号:“百分之一百零九”,因为它常常产生超出设计值的推力。不过选择固体上面级并不是因为推力,而是出于安全考虑。伽利略号利用航天飞机发射,半人马上面级(女二号)因为使用液体燃料,在航天飞机中有可能爆炸,给飞机上的乘员带来危险。

  固体上面级虽然推力大,不过工作时间短,实际运载能力反而不如液体上面级,就像一个短跑选手,爆发力强,耐力却不足。受上面级的运载能力限制,科学家们一度考虑将伽利略号的环绕器和木星大气探测器分开发射。这样增加了工程的复杂度,也需要花费更多的经费;另一方面,波音公司也表示,研发上面级的经费需要在原计划的基础上增加1亿美元。

  在这一系列问题影响之下,备胎“女二号”的机会来了。项目组决定放弃惯性上面级,转而采用半人马上面级。半人马一直以来保持着很好的发射成功记录,另外除了运载能力强以外,液体上面级也有其它优点。它不像固体上面级那样点火瞬间产生巨大的冲击力,这个冲击力有时候甚至会毁坏飞船或者飞船上的部件。另外液体上面级可以多次点火,易于控制;固体上面级正好相反,一旦点火后必须等燃料用尽才能关机。让科学家们最高兴的是,可以把木星大气探测器和木星环绕器一起发射,成本降低,工程方案也更简单。不过更换了上面级方案,伽利略号需要更长的研制时间。

  而这只是琼瑶剧中男主感情的第一次摇摆,摇摆还会继续。“伽利略号”很快遭遇了一次非技术原因产生的沉重打击。80年代初,里根政府为了减少财政赤字,平衡预算,不得以砍掉了NASA一半的经费。大幅度的经费消减将迫使美国宇航局放弃一些科学探测任务,伽利略也不幸被列入其中,整个项目面临着生死存亡的考验。为了保住这个项目,科学家们进行了反复的申诉。伽利略号是美国NASA一项大型的深空行星探测任务,有2000多个科研人员参与这个项目的研制。如果取消这个项目,参加项目的工作人员都面临着失业的危险。另外伽利略号是当时唯一的行星探测任务,有重大的科学意义,放弃这个项目还会导致美国深空探索的技术出现断档。最终财政部同意保留伽利略号木星探测项目,不过停止了对半人马上面级研发的支持,“女二号”的地位又一次出现了危机。

  “半人马上面级”性能优异,成功率高,但是价格昂贵,财政部为了平衡预算限制它也是不得以,工程师们又回到原来使用惯性上面级的老方案上。为了弥补惯性上面级的运载能力,科学家们在上面级前面增加了一个助推级,就这样还是不能达到飞抵木星。无奈之下,科学家们想到了深空探测中惯用的一招,行星借力(也称为引力弹弓)。让飞船靠近借力金星,利用金星的引力来加速飞船,以弥补运载能力的不足。因为金星借力需要额外的时间,飞到木星需要大约四年。

  剧情很快又一次反转,这次“女二号”半人马上面级有美国空军的支持,愿意提供经费支持半人马上面级的研发工作。美国空军有自己的考虑,半人马上面级可能会用在空军其他发射计划中,出资研发半人马,其实是羊毛出在羊身上。另一方面,采用半人马能使飞船直接飞向木星,无须借力,抵达木星只需要两年左右。科学家们也希望采用更快的方案。第一阶段的上面级之争暂时以“女二号”胜出结束。

  磨难二:挑战者号失事引发的连锁效应

  虽然反复折腾,项目研制进程一再延期,在1985年底伽利略号还是完成了研制。198512月,伽利略号从加州的喷气动力实验室出发,踏上了前往发射基地的征途。旅途中除了加油和吃饭,运送队伍一刻也不敢停歇,除了担心交通意外,也怕遇到环保主义者示威或者恐怖袭击。经过四千多公里的漫长旅途,终于平安抵达了位于佛罗里达州的发射基地。然而,旅程中长时间的颠簸给后面的天线故障埋下了隐患。

  如果挑战者号没有失事,伽利略号将在19865月和上面级火箭一起将搭乘亚特兰蒂斯号航天飞机升入太空,在198810月抵达木星,开始探测木星。事与愿违,1986128日挑战者号临空爆炸,造就了美国航天史上最惨痛的失败,七名宇航员全部遇难。失事后所有航天飞机停飞,包括伽利略号准备搭乘的亚特兰蒂斯号。伽利略号的发射搁浅了,被运回加州喷气动力实验室。

  挑战者号失事后,伽利略号再次进行方案复核,以确保发射能安全进行。原计划中使用液体燃料的半人马上面级再次被“惯性上面级”替换,“女一号”终于成功打败了“女二号”,坐稳了正选位置。不过之前也讲过,“女一号”运载能力不如“女二号”,由于地球、金星位置的变化,原先设计的金星借力的方案已经无法实现,“伽利略号”看来是无法抵达木星了。

  经过反复计算,轨道团队又设计了一个“金地地借力飞行”的方案。伽利略号先通过金星借力,然后两次地球借力,最终获得足够的速度飞向木星。这个方案除了需要花费更多的时间,飞船靠近金星借力,会让伽利略号长时间在距离太阳比较近的地方飞行,为防止过热,飞船加装了防护罩保护仪器,这时候的伽利略号才变成前文图中的样子。不过谁都没想到,这个两次经过地球的方案引来了环保组织巨大的抗议,伽利略号也险些不能发射。

  

  伽利略号从地球出发,利用一次金星和两次地球借力抵达木星(图片来源:NASA

  环保组织为什么反对科学探测?早期就有环保组织反对载有核燃料的飞船上天。那一代人相当长的时间里生活在核战争的阴影下,核就是原罪。之前的先驱者十号、十一号和旅行者号也采用了相同的核能电池,已经证明这项技术是安全可靠的,所以环保组织的反对并没有造成多大影响。但是挑战者号失事给了环保组织更多反对理由,两次地球借力飞行意味着这个带有核燃料的飞船在发射到太空中后会两次飞回地球附近,也加大了风险。伽利略号搭乘的亚特兰蒂斯号航天飞机会不会也像挑战者号一样当空爆炸?即使成功发射,在借力的过程中会不会控制不好撞向地球?上面任何一种情况发生,反射性的核燃料会不会散布到全球?

  这种担忧也不无道理。如果按重量计算,飞船上核燃料足以毒死当时世界上所有人,这更加坚定了环保组织阻挠发射的决心。一方面,环保组织在报纸上制造舆论,很多人相信发射伽利略号可能会带来全球性的巨大灾难,而且不得不承认,有时候伪科学比科学更容易传播。另一方面,环保组织还向法庭申请禁止令,禁止伽利略号发射。更有少数极端分子试图通过防护栏靠近准备发射中的火箭,“人肉”阻止伽利略号发射。

  面对环保组织的凌厉攻势,科学家们见招拆招。著名的天文学家康奈尔大学卡尔萨根教授撰文解释,说明科学家在计算航天器轨道时非常谨慎,负责行星借力计算的团队非常有经验,出现飞船撞上地球的机会非常非常小。而且工程师们加固了核能电池的外壳,即使飞船像挑战者号一样当空爆炸,这个外壳也不会被损坏,核燃料也将被完整地回收,不会污染环境。在法庭上,科学家团队也据理力争,环保组织的禁止令申请被驳回。为了应付少数的极端分子,发射基地周围加强了保安。

  

  (图片来源:NASA

  挑战者号事故过去后三年,终于等来了那个激动人心的日子。19891017日,伽利略号开始发射倒计时。可惜天不作美,大片的云雾笼罩发射基地的上空,发射被推迟到第二天。屋漏偏逢连夜雨,当天一场7.1级的地震袭击了北加州,震中离位于加州的上面级指挥中心只有几英里。指挥中心的工作人员赶紧撤离,伽利略号发射眼看又要推迟。当天晚上,指挥中心的工作人员冒险回到工作岗位,发射才能顺利进行。伽利略号终于在1018日下午搭乘亚特兰蒂斯号航天飞机发射升空。

  发射成功后,刚上任的伽利略号项目经理斯皮哈斯基(Spehalski)这样说,“伽利略号的成功发射,是我们中很多个人和团队长年努力和坚持换来的,此时此刻,我们的心情无以言表...我有幸参加到这个团队目睹了各种竭尽心力的操劳。整个过程中我看到的专业精神、合作精神和奉献精神鼓舞人心,也值得坚持。”写到这里,笔者觉得兴许他更想说,“我的天!总算是发射了,要不然还不知道会出什么幺蛾子。”

    磨难三:不听话的天线和磁带机

  在经历了挑战者号失事,环保组织反对,伽利略号终于成功发射,踏上了飞向木星的漫长旅途,但是厄运和挑战并没有结束。1991年,伽利略号完成金星借力朝地球进发的途中,科研人员发出了展开高增益天线的指令(就是那口锅),飞船发射时天线像雨伞一样处于收拢的状态,等收到指令天线展开之后会给地面发送一个确认信号,可惜这个信号一直没有到来。高增益天线由18根杆构成,后面调查发现其中三个杆未能完全伸展到位,这个“锅天线”看起来就像一把坏雨伞。高增益天线是飞船从遥远的深空和地球通讯的,通常也称为深空天线。失去了深空天线将意味着飞船进入深空后将无法和地面取得联系,飞船距离地球数万到数百万公里,修复天线也是困难重重。正如事后负责伽利略号的项目科学家回忆,他去给项目组的成员汇报发生的状况,还要尽力鼓励大家,项目还在…

  

  (图片来源:NASA

  是什么原因导致伸杆展开失败?天线展开是通过电机带动活动螺栓完成的,显然有几个活动螺栓卡在了栓套中。螺栓表面涂有润滑涂料,本来电机的力足够拔出螺栓。之前我们提到过,飞船在发射前经历了几次从西部到东部长途旅行,另外发射时和上面级点火都会产生巨大的冲击力,使得螺栓和栓套之间相互摩擦,磨掉了一部分光滑涂层,增大了螺栓的摩擦力,因此被卡住,伸杆也无法展开。尽管这时候飞船远在数万公里以外,但找出原因的科学家们信心满满,相信他们有办法将天线展开,因为他们有几套折腾天线的方案。

  第一招是将天线的展开机构长时间置于太阳下暴晒,再将它置于阳光防护罩的阴影中,让它冷却,希望通过热胀冷缩来让天线解套。这招都失败后,他们又将天线展开机构进行极限旋转,还试图通过飞船的火箭制造冲击力。随后科学家们打出了一套组合拳,冷热循环加上旋转,结果还是未能将天线修复。

  幸运的是,伽利略号还有一套用于飞船离地球较近时通信的低增益天线。现在高增益天线无法工作,只能让低增益天线挑大梁。当然低增益天线的数据传输能力要低很多。这时候,另外两项技术弥补了天线的数传能力,一是数据压缩技术,飞船利用程序对探测的数据进行了压缩,然后再发送回地球,另外,地面接收和发射天线的能力也有提高。虽然不能达到飞船设计的数据传输效率,科学家们仍然可以获得大量探测数据用于研究。

  就像经历了九九八十一难的取经队伍一样,伽利略号终于在1995127日抵达木星附近。在抵达木星之前的5个月,“伽利略号”就释放出小型的木星大气探测器。到12月的时候,木星大气探测器撞向木星,人类第一次通过探测器触摸了木星浓密的大气层。这一段时期伽利略号工作顺利,可是很快,另一个问题就出现了。

  

  (图片来源:NASA

  这次伽利略号的故障出现磁带机上。那个年代内存条还没有广泛应用,磁带机是计算机0用来存储数据的主要手段。如果高增益天线工作正常,所有的数据都能及时传回地球,磁带机也就没那么重要了。现在高增益天线不能正常工作,很多数据都需要先存储在磁带机上,然后选择最有价值的数据传回地球,磁带机卡带就成了很严重的问题。

  发现磁带机卡带的时候正好是伽利略号第一次靠近木星卫星欧罗巴和伊奥的时候,项目组不得不放弃给这两个木卫拍照的计划,避免造成磁带机不可修复的损伤。幸运的是,科学家们发现磁带机只是因为大部分磁带被卷到一边转轴上而暂时卡带。找到问题根源之后,科学家们很快决定,为了避免发生类似问题,磁带机只使用中间部分磁带来记录数据,而靠近两端的部分磁带固定缠绕在转轴上以保证磁带机的正常转动。问题虽然得到了解决,但是非常珍贵的伽利略号首次靠近木星的照片被永远封存在不用的磁带部分中,再也没有机会传回地球。

  

  (图片来源:百度百科)

  “取经”成功

  经过了上面级选角的来回折腾,挑战者号航天飞机失事发射延误,环保组织的阻挠,深空天线展开机构失灵,还有接近木星后磁带机故障,伽利略号终于成功抵达木星,开展探测,取得了很多有趣的观测成果,包括于对木星及小行星和木星卫星的研究。

  伽利略号穿越了小行星带时,在1600公里的距离上拍到了一张小行星加斯普拉的照片,这也是当时世界上最清晰的小行星照片。和地球火星这样的大行星不同,小行星看起来就像一个形状怪异的土豆,上面还布满了大大小小的陨石坑。

  

  小行星加斯普拉(图片来源:NASA

  伽利略号在经过一个小行星Ida(中文名爱达)时发现它居然也有卫星。小行星通常是没有卫星的,大行星中金星和水星也没有卫星。大行星本身质量比较大,容易捕获周围的天体,而这个小个头的天体居然也有卫星引起了科学家的兴趣。

  

  小行星Ida和卫星(图片来源:维基百科)

  伽利略号对木卫一伊奥的火山活动进行了系统的观测,发现伊奥上的火山活跃程度比地球上的火山高出100倍,还发现木卫三盖尼米得上居然和地球一样有整体磁场,这是第一次发现有内禀磁场的卫星。当然最令人称奇的发现是关于木卫二欧罗巴上的地下水的发现,欧罗巴地表之下有一个大面积的地下湖,通过计算发现,这个地下湖的含水的总量几乎和地球上水的量相当。由于有水的存在,科学家们猜测这个星球上可能有生命生存。

  “伽利略号”一直运行到20039月,那时它所带的燃料接近枯竭,科学家们将不能有效地控制它的飞行轨道。为了避免伽利略号上的核燃料污染可能存在生命的星球,伽利略号在地面引导下撞向木星,完成了它的坎坷历程。尽管经历了很多波折,伽利略号飞船在科学家的坚持不懈的努力下工作到了最后。对那些为了这个项目日夜操劳的科学家和工程师来说,支持他们的不仅仅因为这是一份工作,而是他们毕生为之奋斗的事业——人类征服太空的伟大梦想。

  参考文献

    刘勇《深空探测器》 北京理工大学出版社出版2019 MichelMeltzer,MissiontoJupiter:AhistoryofGalileoProject2007 

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