探测器列传：11.步步惊心
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上文书讲到了美国和苏联的金星探测器金星探测的窗口期大概是 19 个月有一次这个时间窗口过去了那就只能等下一个时间窗口所以金星这档子事咱就先放一放再说目前月球才是主要任务下一步美国人就要发射勘测者 4 号探测器了这个勘测者系列的探测器外观都差不多这个

这个勘测者 4 号跟 3 号长得几乎就是一模一样也带着一个挖掘机岔子也能挖土这一次的目标就选在了月球中央海的一个直径 60 公里的区域这个地方呢不太平整因此着陆的难度就比勘测者 3 号要大得多了因此呢发射窗口每天只有一次而且这个窗口期只有 6.5 分钟你过了时间就不行了

地面上新建的深空测空网络呢也要密切配合才行所以啊这个探测器发射的时候就出了点小波折啊这个半人马座上面级那个推进器反而出了点毛病就不得不先把这探测器先摘下来然后呢才能去检修发射窗口只有六分半呢这个简单的检修任务就导致这个发射窗口就错过了你只能再等一天

第二天呢因为要多加一点燃料稍微多花了一点时间结果这窗口气在仅剩下 29 秒的时候这个宇宙神火箭才发射升空

说实话这个时候美国人的宇宙神火箭搭配半人马座上面级已经是很成熟了这枚火箭顺利的把勘测者 4 号送进了飞向月球的轨道在发射 12 分钟以后勘测者 4 号就和半人马座上面级就分离了展开了太阳能电视板什么星光导航也对准了太阳对准了老人星一切都显得非常顺利

发射 6.5 小时以后呢地面测控人员也就确认了这个探测器状态良好哥德斯通的地面控制站大型泡沫面天线呢是一直在紧盯着这颗探测器的飞行轨迹美国人在加州的莫哈维沙漠之中建造了一个深空测控站就是为了远离大城市的无线电干扰

在澳大利亚的堪培拉郊外还有在西班牙的马德里郊外也建有类似的深空测空站地球是要自转的嘛有了这三个测空站呢随便探测器在哪一面地球总是有个天线可以盯着它这个勘测者 4 号的轨迹比较精确只要途中稍微修正一下就可以了到了 1967 年的 7 月 16 号这勘测者 4 号就开始了着陆月球的准备工作了

7 月 17 号凌晨 勘测者 4 号开始改变姿态雷达高度表显示现在距离月球的表面有 96 公里开始进入点火倒计时凌晨 2 点钟 调整姿态的游击点火在一秒钟之后主发动机点火 开始反推着陆进程看上去一切都很顺利但是在主发动机工作了 42 秒以后地面测空站就突然失去了勘测者 4 号的信号

按照计算这个时候勘测者 4 号在月球上空 14.9 公里的高度速度应该是每秒 326 米照这个趋势勘测者 4 号要是熄火的话肯定会衰贬的这到底是通信故障了呢还是出了什么别的麻烦呢按照计算在信号丢失以后两分半钟这探测器就应该着陆了

NASA 的工程师只能假定这个探测器是真的着陆了只是通信出了毛病于是他们就开始一遍又一遍的向探测器发出各种指令但是这个探测器就根本没反应到了世界标准时间早上 8 点钟哥德斯通测控站的月亮落到了地平线之下这测控就没办法继续进行了

在接下来的 34 个小时里面 NASA 通过这三个测控站不断的对勘测者 4 号发出了 4255 条指令这勘测者 4 号始终没有任何反应

到此为止所有的努力全都白费了看来这个勘测者 4 号已经彻底完蛋了 NASA 后来组织了一个委员会来调查原因到最后啥也没调查出来因为信息太少了毕竟此前所有的数据都是非常健康非常正常的然后突然通信就断了有人猜测可能是反推火箭炸了不过呢这也只能是猜测而已了

正因为数据里面看不出一点毛病所以 JPL 的工程师也没有办法获得任何改进的线索那就索性不改了吧这个勘测者五号和勘测者四号基本上还是一样的发射日期就定在了 9 月 8 号这一次着陆的地点就是后来阿波罗 11 号登陆的那个近海地区

这次着陆难度就更大了因为探测器的轨迹和月球表面的夹角达到了 43 度几乎就是斜着落下去因此在着陆之前先得来个大拐弯把这角度给它掰过来变成垂直下降的这个难度是不小的

这次发射过程还是一如既往的顺利宇宙神半人马座火箭表现良好顺利的把探测器就送进了登月轨道了探测器和火箭分离以后也是很顺利的第一步对准太阳第二步找到老人星然后就可以保持自己的姿态是稳定的中途还修正了一次轨道优化了登月的条件

就在完成中途轨道水准以后地面的工程师就发现这探测器不对劲因为氦气储罐的压力在不断降低这说明氦气在不断的泄漏那这些氦气是用来干什么的呢这些氦气就是用来把燃料压进火箭发动机燃烧室的你不加压这燃料不出去假如氦气全漏光了那么火箭发动机也就没办法工作了

如果这些害器被泄露到了太空里面也就是说全都喷出去了那么探测器的姿态肯定是会发生改变的他们目前没有发生这种状况说明什么呢就说明这些害器并没有漏到探测器之外

而是漏进了燃料箱也就是说燃料箱里面的压力会变得越来越高但是这个燃料箱它有个自动放气的阀门如果压力高到一定程度它就会放气这就会导致氦气真的泄漏到太空里面

那现在该怎么办呢工程师们确定啊导致泄露的原因就是因为这个氦气储罐和那个燃料罐之间啊它有个阀门那阀门出故障了你想要这些阀门正常工作呢就必须得开油机烧一会儿说白了就是把燃料消耗到一点

这一下呢就把后边流程全部都打断了因为这些姿态调整发动机一开机那轨道就不对了探测器姿态也不对了反正什么都不对了哪也没办法现在只能死马当活马医啊你要想这个燃料罐里面的压力降下来你要么把氦气泄出去要么就把燃料烧掉你必须两氦之中取其轻了最后只能

先烧它 10 秒再说发现不行这个氦气依然还在往燃料罐里面漏再开 23 秒发现还是不行现在呢探测器姿态已经全乱了所以还得想办法把这姿态调回来油机呢又开了 12 秒

紧接着呢又开了两个半秒钟的短脉冲也就噗噗喷两下结果到现在为止氦气依然还在漏那现在怎么办呢眼看着月球就越来越近了这时候工程师拿出了一个方案

就是说继续原有的那个着陆计划但是反推引擎比正常时间晚开 12.33 秒这样的话剩下的那点害器将将够能够让探测器着陆在月球表面因为是临时改变程序这个编写完毕的程序就保存在录音带里面然后由地面测控站把这些数据传给了勘测者 5 号

我小时候还是真的见过计算机数据直接保存在家用的录音带上面一盘磁带呢相当于 600K 的容量啊这个这点容量现在当然不算什么了反正呢 NASA 当时用的磁带应该更高级一点不过原理都是一样的地面人员呢在中途又启动了几次游击

烧掉了 12.2 公斤的燃料这样的话呢航天器就变轻了啊你那个反推的时候燃料少一点不要紧最后一次航向修正呢燃烧时间是 5.45 秒大约过了 15 个小时以后这氦气泄漏就停止了其实啊就是这个氦气储箱里面的氦气没剩下多少就和燃料箱里面的压力呢保持了基本的平衡它也就不漏了嘛

最后这个过程真是有点那个耍杂技的意思了这个游标发动机是在距离月球表面 45.7 公里的距离上开启了在 1.07 秒之后这个主发动机点火了这主发动机是个固体引擎不烧光了不会停的

在距离月球表面 1265 米高的地方这个反推引擎彻底烧光了停机了这个游击发动机加大推力保持着探测器稳稳当当继续减速在距离月球表面仅仅 4 米的高度游击关机这个探测器顺利的落月啊落下来的时候还蹦了几蹦这一路走来可以说是步步惊心啊

这个登月地点偏差比较大按理说应该找个平地落下去但这回不是它落在一斜坡上拍摄机姿态不太对不过这也是不幸之中的万幸了你能落下来就不错了这时候燃料罐里的压力也是仅仅勉强够用高于预定值一点点再低一点这发动机就没法用了

着陆之后 78 分钟勘测者 5 号就开始通过低增异天线发回第一批照片这批照片的分辨率不高横向的分辨率只有 200 线之后就开始传输分辨率更高的图像了分辨率大概是 600 线

通过这些照片地面上的测空人员才发现这是一个 9×12 米的小坑探测器的倾斜程度大概是 20 度所以定向天线要对准地球的方向就显得比较费劲现在拍照片已经是常规任务了这个探测器还有一个重要任务就是用α散射仪探测月球的土壤

在月球上的第一个月昼呢这个传感器一共积累了 83 小时的数据科学家们通过这些数据啊就分析出月球土壤之中存在啊氧啊硅啊铝啊等等元素这些成分和地球上的玄武岩基本上是一样的玄武岩的主要成分是二氧化硅三氧化铝氧化铁还有氧化钙因为呢含有氧化铁的成分这玄武岩是可以被磁化的

既然如此月球的月壤是不是也能够被磁化呢你别说美国人在探测者五号的腿上装了一对磁铁就是为了看看月壤是不是能够被气体石吸引用探测器上的摄像头就紧盯着着陆腿拍照

真的发现这个着陆腿上磁铁就沾了不少尘土比没有磁铁的部位沾的更多这就说明月壤是可以被磁化可以被吸引的现在科学家们知道了月球上的玄武岩含铁量比地球上还要高一截不仅仅是以氧化铁的形式存在还存在钛铁矿也就是一个钛一个铁加三个氧原子所构成的这个东西它也有磁性这个东西

这个勘测者 5 号在月球上工作了 53 个小时以后在地面控制之下这游击发动机点了一下火让这个探测器在月球上蹦的了一下这是一戳一蹦的这一蹦的呢就稍微挪了个地方其实也没多远啊就是挪开 10 公分嘛

这就是为了看看如果在月球表面咱们开发动机会不会阳沉呢这月壤是如何被发动机气流吹开的呀搞这些研究呢都是为了以后载人飞船从月面起飞做准备的

那时候他没法拍连续视频他只能拍静态照片数据传回来之后地面研究人员就开始对比开发动机前和开发动机后的照片发现月长的确是被吹动了但是不算太厉害它并不是那种飞沙走石的效果说明月长表面还是挺结实的

既然探测器都挪了个地方了都挪了几寸这α散射仪也就跟着一块挪了地方这样又在新地点采集了 65 个小时的数据

随着太阳角度的升高这个探测器也跟着升温因为啊这探测器它不是斜着吗它原本晒不到太阳的地方现在能晒着所以局部升温非常严重不得已只能关闭一些仪器降低内部的热量同时调整一下那个太阳能板的位置过来遮一下阴对了还有那个抛物面天线的大喇叭口刚好也可以当扬伞来用这段时间呢肯定是无法继续工作了就白白损失了 28 个小时啊

等库热过去以后探测器的仪器就开始继续工作结果发现调焦装置坏了摄像头就变成近视眼了它只能盯着某个距离探测其他地方都是糊的然后滤镜轮也坏了你想拍彩色照片是不可能的不管怎么说吧好歹它得拍照它一直都没停过

前后拍了大概有一万多张照片只是后来摄像管放大器严重老化这图像噪音很大也很模糊

但这也还算是有用素材吧同时这个探测器还利用地球遮蔽太阳的过程获取了一下月球表面的散热特性太阳被挡住了月球表面温度就会下降就会变冷太阳一出来一晒这温度又升高利用这一冷一热的过程短时间的温度变化就可以计算出月球的热特性

总之呢前前后后这个勘测者五号在月球表面工作了三个多月算是为日后的登月工作获取了大量有用的数据虽然这个降落过程比较吓人也算是每走一步都吓一跳但是最后结果也算是圆满完成任务

后续的勘测者六号和七号的任务呢也是大同小异都是为了后续阿波罗任务寻找降落地点那一阵子把美国的探月任务呢算是比较顺利的同时啊这个苏联也发射了月球 14 号这个探测器呢也是一个环绕探测器啊这个探测器带了辐射器带了实验用的齿轮机构也是为以后的这个月球车做技术准备同时做一下无线电通信测试

原本计划是绕月球转有一个月最后前前后后工作了 75 天这次呢苏联人也是相对比较顺利的了但是咱们顺带一提啊苏联的探测器系列无人飞船就一直不太顺利这个东西其实就是单人版的联盟 TK 飞船是载人登月用的

在有人飞行之前呢他先来几次无人版嘛是用质子号运载火箭发射可惜总是失败由此可见

苏联在载人登月方面是远远不如美国的同时期人家阿波罗 8 号都已经成功完成了绕月飞行而且还搞了电视直播了所以苏联人也就放弃在有人登月上和美国人竞争他只能在无人探测器方面争取找回点面子但即便是在无人探测器方面他们也是不如美国的起码月球系列探测器就比人家探测者系列探测器要简单的多而且仪器设备的性能也差着一大截

就这样 1968 年就过去了 1969 年一开年苏联人又发射了金星五号和金星六号两颗金星探测器这个窗口气嘛苏联人嗖嗖又发了两颗算是双保险这次美国人倒没跟着凑热闹因为现在美国人对金星完全不感冒倒是对火星充满了兴趣主要是因为金星的环境太单调了你不可能获取什么有价值的科研成果

金星这东西吧说实话你翻过来调过去你看上一个月也就差不多了但是火星就不一样了这个火星翻过来调过去你看一辈子都不带腻的从这一点上来讲美国人就比苏联人更加务实了

当时的苏联科学界还是相信金星四号最后是落在一座山的山顶上但是这个说法就遭到美国人的反对最著名的反对者就是卡尔萨根这个争论就影响到了金星五号和六号的设计金星五号首先就去掉了磁场机反正金星磁场太弱你测不测也无所谓了干脆把它省了算了

原计划搭载法国人制造的温度表和压力表可惜法国人这不愧是革命老区那年 5 月份爆发了全国性大罢工这个温度表和气压表都玩不成了苏联人只能装自己制造的温度表和气压表了好在这两个仪器也不是太难对了雷达高度表也做了改进这次不会出现误差了

这两颗探测器的发射时间相隔了五天一个是 1969 年的 1 月 5 号一个是 1969 年的 1 月 10 号这两颗探测器是一路顺利 5 月份他们就到达了金星附近了

金星五号是在 3.7 万公里的距离上就释放了着陆器了金星六号呢是稍微低一点在 2.5 万公里的距离上释放着陆器这两个着陆器打开降落伞之后啊一个飘了 53 分钟一个飘了 51 分钟反正时间都差不多长可能有人会问呢啊为啥上次金星四号飘了 93 分钟啊这次五号和六号怎么连一个钟头都没到呢

这是因为苏联人缩小了降落伞面积留空时间当然就变短了大家已经知道了金星大气层异常浓密既然如此减速伞的面积就不需要太大了再说了探测器耐热和耐压的时间都是有限的你得趁着探测器坏掉之前咱得降落到金星表面所以

所以降落速度就不能太慢所以这次把面积一缩小下来的速度就快多了即便如此这两个探测器还是没能落到地上在 18 公里的高度上就被压点了看来大家还是低估了金星大气层的恶劣程度

通过金星五号和六号发挥的这些数据科学家们就建立了比较完善的金星大气层模型比如说金星表面温度现在确定是 497 正负 60 摄氏度大气压确定是在 67 到 135 之间最可能的数字是 98 也就是大约 90 个地球表面大气压压力相当于 90 米的水下了你可见那地方的压力有多大啊

还是在 1969 年的 2 月份苏联发射了个月球探测器可惜当场就炸了 4 月份又发了一颗还是没成功完全没有进入预定轨道所以这两颗探测器呢都没有办法获得正式编号这个西方给他们俩起的代号一个叫月球 15A 一个叫月球 15D 反正苏联这一年他就流年不利发射的探测器也得屡屡出问题

2 月份恰好也是探测火星的穿透机苏联人的火星 2B 和火星 2C 探测器也是接连失败发射没多久就炸了反正你听代号后边有个 B 有个 C 的这种探测器估计就是炸了

那美国人当然也没闲着呀这个火星计咱也不能错过呀他们发射了水手六号和水手七号两颗火星探测器这两个探测器呢倒是发射成功了只不过飞到火星你还得等上半年呢是吧就在这半年里面美国航天界可以说是快马甲鞭争分多秒先是发射了阿波罗十号为登月做了最后的彩排那

那苏联人当时啊只哀莫大于心死啊他们就知道在载人登月上已经没戏了所以他们就希望能够在无人登月自动取样返回还有月球车上啊怎么超过美国人

赶在阿波罗 11 号发射前三天苏联人发射了月球 15 探测器苏联官方宣称的用途是研究月球的引力场还有研究月球表面的化学成分但是有些消息灵通人士就透露苏联人其实是想搞月球太阳返回多新鲜啊研究月球表面化学成分你抓两把土回来这不是最方便吗是吧

苏联人用的这个火箭的力气比较小因此呢月球 15 号只能走一条速度比较慢但是比较节约能量的轨道

美国的土星五号运载能力就很强了所以阿波罗飞船飞得快反而是后发先至 7 月 21 号尼尔阿姆斯特朗已经开始月球漫步了这月球 15 号还在那开着雷达在那太空里面探测地形呢得找个平坦的地方降落可惜雷达一扫下面全是大石头根本没法降落

从进度上来讲月球采样返回肯定也落在美国人后边了因为美国人是派人上去搬的是吧你把那石头挖回来再返回估计都比你这来得快到最后月球 15 号和地面就失去了联系据说是撞到了月球上的一座山坠毁地点距离阿波罗 11 号大概是 800 公里美国人显然是彻彻底底的赢了

美国和苏联之间的第一轮较量就是以美国人的大获全胜而告终的因为阿波罗 11 号登月引起的巨大轰动就让大家完全忽略了在亿万公里之外还有两颗火星探测器水手 6 号和水手 7 号呢这档子事还没完呢那么他们又会给我们带来什么样的消息呢我们下回再说

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