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了解科学 爱上科学 欢迎收听科学时评话上文说讲到了苏联在八十年代开启了一个计划叫做福波斯探测计划就是要去探测火星的卫星火卫一但是呢 工程师们碰到了一个难题那就是这个探测器超重了它足足超重了一吨这超的实在有点太多了所以这些工程师们想尽办法也无法继续削减重量
要知道啊这个质子号火箭呢加上地阻上面级只能把五吨载荷运去火星轨道现在这探测器足足有六吨它实在是运不动
这时候就有人提出建议了咱们就必须重新设计一个新的上面级现在这个 D 组上面级啊用的是液氧煤油这种燃料的比冲啊它也就那样了啊它高不上去了如果咱们下下狠心咱们换成氢氧机靠燃料的高比冲就可以把这个探测器送到去往火星的货曼转移轨道了所谓的发动机比冲啊实际上它的上限是由燃料本身决定的
也就是说呢如果是用个高比冲的燃料发动机实现同样的推力啊这个高比冲的就更加省油这个液氧煤油啊这种材料它的比冲撑死了也就是 380 多秒了啊这个氢氧呢就可以轻松达到 420 以上既然如此带同样的氢氧燃料就可以用同样的推力
多烧很长时间那就是多加速一段了那运载能力当然也就更强了
当然了我们讨论的都是理想状态了但是话又说回来啊那是谁来负责研究这个新的上面级呢人家拉沃切金设计局的工程师们都是研究探测器的他们都不是搞火箭设计的那么这个地组上面级到底是谁研发的呢那就是大名鼎鼎的 OKB-1 设计局咯也就是科罗廖夫他们家的老班底后来嘛科罗廖夫死了他的死对头格鲁什科呢就当了 OKB-1 的领导
苏联的航天机构呢后来进行了一系列的重组现在呢他们的重中之重是能源号火箭和航天飞机他们现在根本就没时间去设计一个新的上面级呀他也来不及了呀
最后大家想来想去想出一个办法那就是让探测器自己的发动机充当第五级火箭来提供入轨的推力首先是发射质子号运载火箭质子号是三级然后地阻上面级开始启动把探测器送进环绕地球的轨道然后
然后在轨道里面空挡滑行大概一个多钟头一直滑行到最合适的角度和位置然后地组上面及第二次开火开足马力把探测器往前送一程一直到燃料烧光了为止然后地组上面及和探测器就分离了
现在第一组探测器是第四级了但是现在速度还不够这时候探测器自己屁股上那个用于变轨的发动机就得开机了就得猛退一阵子也就是说探测器本身就成了第五级火箭只有这样才能把探测器送向去火星的货曼转移轨道
所以这个计划是完全可行的但是需要带很多的燃料它一共要带 8 个球形的燃料罐里边装的都是片二夹井加四氧化二氮这是常温液态燃料可以保存 460 天这个时间是足够用了其实去月亮或者是去金星它只要 4 个燃料罐就行了但是现在去火星 4 个就不够它就得装 8 个总而言之它总重量又增加了一点
现在还得想法子减重调整姿态的发动机和反推发动机不整合为一个整体这算是节省了一点重量那冗余度肯定是要打点折扣而且计算机也实现了整合用一个中央控制计算机来通管一切这样的话就不需要多台计算机各自为政了
你要知道啊当年苏联的电子工业不太发达这基辅号航空母舰上的计算机 4K 的内存呢它那体积也左右半堵墙这个探测器上的计算机啊它没有那么大但是它体积也不小
能合并一下总可以省点重量出来当然合并以后呢计算机程序就要重新编写了当时的计算机编程啊基本上都是螺丝壳里做道场这计算机性能实在是太孱弱了能执行的任务也非常有限算是勉强够用嘛这个探测器的整体电力来源呢是太阳能电池板内部储能呢采用了涅氢电池
这个时代正好是电池技术大发展的时代苏联当时啊他也是要紧跟国际上的先进潮流啊只是苏联的这个涅氢电池吧他容易冒氢气
氢气是很容易爆炸的所以它安全性有点问题它必须进行非常严格的地面测试这个电池的外壳啊还专门用防弹材料来做苏联人还测试了锂电池这锂电池当时技术发展也很快它各项性能都很好重量还轻唯一的问题就是容易爆炸
这个苏联人一开始以为这涅氢电池不太安全它会往中冒氢气结果没想到涅氢电池它屁事没有在测试过程中它没事那锂电池炸了算了锂电池咱还是别用了这路神仙咱惹不起
不管怎么说吧经过一系列的调整它终于满足发射条件了这重量终于扣下来了让福布斯一号和福布斯二号两个接近 6 吨重的探测器你放在那体积还是挺大的 1988 年的 7 月 7 号福布斯一号从哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心发射升空 12 号福布斯二号发射这两枚探测器就一前一后奔着火星就去了
这个拉过气筋的工程师们终于可以回家睡个好觉了那地面测控人员呢那是另外一拨人马这帮人还是在坚守岗位的 16 号和 21 号这两颗探测器分别进行了轨道修正完成的很顺利
苏联有三个大型测控站一个分布在克里米亚还有一个是在远东的乌苏里斯克还有乌兹别克的苏法射电天文台他们拥有好几个口径 70 米的射电望远镜天线无奈苏联的地理位置实在是不太好它纬度太高这一点就不如美国人的测控网络了不过对于科学探索大家当时还是可以同理合作的所以美国人也参与了这些测控活动
苏联的测控人员呢他本来是在克里米亚后来呢发射了这个没事了这个一切都很顺利那控制权就移交到了莫斯科的控制中心了
这两枚探测器在一路之上他们也没闲着他俩对太阳辐射进行了研究首先是在 X 射线波段紫外线波段还有可见光波段对太阳光的光谱进行了研究分别获取了太阳色球层和日冕层的三维立体结构还确定了太阳风的粒子成分还研究了来自宇宙深处的伽马射线棒
这两颗探测器啊还成功的探测到了太阳的日振那什么叫日振呢咱地上不是有地震吗是吧太阳上它也有日振呢是吧星星上还有星振呢
太阳内部的震荡波会引起整个太阳大气层的共振说白了这个共振波在太阳内部就像回音币一样来回反弹弹跳太阳就成了一个筛选器成了一个共鸣箱只有某种频率的振动才能够被这个共鸣箱所放大其他的频率都是没法生存的其实这种现象在我们日常情况里也能见得到比如说我拿嘴吹着瓶子
这瓶子它也是一个共鸣枪它也是个频率删减器只有某种频率的振动能够脱颖而出这也就是管乐器的基本原理所以太阳上的星振也呈现出一种特殊的振动这种振动我们拿眼睛是看不出来的必须对整个太阳的光球层进行光谱分析我们知道光球层是太阳大气之中最明亮的那一层再往下我们就全都看不见了
光球层是会产生若干吸收谱线的这些吸收谱线就是著名的弗朗河沸线如果光球层的大气在那抖它在那震在那打摆子
这些谱线是会产生多婆勒频移的从吸收谱线的频率偏离就能看得出来这些到底在怎么振我们通过对太阳表面进行分析就发现太阳表面的振动分布跟马赛克差不多都是方方正正一块一块的特别整齐这两颗探测器都在认认真真的工作整个八月份过去了一切都平安无事
但是到了 9 月 2 号大家发现这个福波斯一号出问题了无论地面怎么呼叫这个探测器就是没反应后来大家一深积物发现这事就是个人为事物造成的这是个彻头彻尾的低级错误在一个复杂系统中人本身往往才是那个最薄弱的环节机器倒是比较可靠
这个事情是这样的 8 月 25 号地面管理人员计划与福波斯一号进行一次普通的通信这个伽马光谱仪的设计人员要求在 8 月 30 号开机工作 10 个小时然后把数据发回地球
这个任务呢它非常简单就是整理出一串指令集然后发送给探测器探测器就会定时执行这一大串的指令就跟大象放进冰箱里分几步这是一回事但是巧了这程序员呢他写错了一个字母他自己没发现他们家领导也没发现
其实呢地面上是有模拟器的你可以在模拟器上跑一遍的你看看有没有 bug 啊而且呢这探测器啊在地面上还有一个 1 比 1 的实物模型你甚至可以上真机去测试但这二位啊忘了一干净他压根没做于是呢这串代码在 29 号就直接上传到了遥远的福波斯一号探测器上
等到 30 号开始执行这串代码的时候这个探测器转了个身然后天线也歪了太阳能电池板也不对着太阳了于是这个探测器它就失联了它完全是个低级错误
等到 9 月 1 号大家来开会才发现哎呀这事情大调了呀后来大家就拼命呼叫了一个多月也没能挽回这颗探测器后来呢苏联科学院空间研究所的所长叫萨格蒂耶夫在接受莫斯科新闻采访的时候就说了这是 1973 年火星探测计划失败以来过去 15 年间我们深空探索之中第一次令人遗憾的失败
说到底还是因为长时间的连续成功使得大家骄傲自满的情绪有所增加这是一个非常严重的教训那福伯斯一号黄了那就只能指望这福伯斯二号了这枚探测器你千万别再掉链子了
其实啊这么遥远的旅程太空里的环境也不是那么友好你要说一点毛病都没有那也不现实这福波斯二号的李米波天线呢稍微歪了一点好在呢不碍事某些仪器出了点故障不过呢这也不要紧损失点数据就损失点数据了
就这么一路啊心惊胆战的继续前行到了 1989 年的 1 月 29 号这福布斯 2 号成功的进行了刹车进入了环绕火星运行的轨道到了这一步大家总算是松了一口气了接下来呢就是一大串的微操动作了你要接近火卫一这么一个小家伙那不是一件简单的事要经历很多次变轨操作
要一次次的精确调整轨道接近火卫一这个过程啊跟飞船的对接是很相似的但是那个火星离得太远了呀它通信延迟也很大它变轨的效果好不好呢全靠地面测空定位是不是精准了啊这种精细变轨啊快不得你只能一次变一点点
一天也就变那么一点估计要到四月份它才能完全到位当然了在这个过程之中探测器还是在绕着火星一圈一圈转圈圈的那个福波斯二号你距离火星这么近当然是要拍点照片了这台探测器刚好装了三个 CCD 摄像器件这是由东德的技术团队和苏联人合作制造的
这个德国呀是光学工业的中心尽管呢他们二战打输了然后这个技术人员就被美苏两国给瓜分了啊这个
巴顿将军还过界捞了一笔但是这个小城耶拿是光学底蕴实在是太丰厚了别看被人家把人才都刮光了东西都刮光了然后呢东德后来刮了刮家底子硬是凭着小城耶拿的人才重建了蔡司光学工厂
所以它们的光学水平是非常好的这三台相机的焦段都不一样通道一是广角的蓝绿色绿光片波段然后通道二是窄角的透明绿光片通道三是广角的近红外绿光片你要看彩色照片就得多通道混合起来而且它还是个微彩色因为它的颜色都不是正常的 RGB
不过这个火卫一啊它长得实在像个煤球它本身也没什么颜色
黑白嘛就黑白了单色也就单色了您就凑合先看着吧不过当时呢 CCD 的分辨率并不算太高因为集成度还不是太高而且它传回的像素数据之中还含有机偶校验的数据你得把那些机偶校验的数据线给它去了所以呢分辨率又打了点折扣不过呢 CCD 的图片呢不像摄像管啊是一根一根扫描线它是一个一个的实打实的像素所以看上去清晰度还是蛮高的
福波斯二号就一点一点靠近了火卫一它的轨道和火卫一的轨道就越贴越近最后和火卫一实现了同步运动也就是说这个探测器是完全悬停在火卫一上空几十米按照计划这个时候福波斯二号还得扔下两个小探测器一个叫做长寿命自动工作站一个叫做移动探测器
这个长寿命自动工作站呢它就是一三棱子直筒子它头上有一个锥形的
因为火卫一的引力它微乎其微你想固定在上面你就只能靠扎飞镖一样把它当飞镖扔出去给扎上第一步就是把这个长寿命工作站给扔到火卫一表面然后让它扎上然后下一步就是打开太阳能电池板打开天线开始收集火卫一表面的这些数据了然后用无线电直接把这些数据发回地球
这个福波斯啊它在绕着火星转嘛它这个冷热交替还是很快的它会热胀冷缩不均匀因此它内部会产生某种声音地面上的科学家都在等着听到底这个火卫一内部到底是个什么动静所以地面上各个国家大天线都已经准备好了就等着接收数据了
另外一个叫做移动探测器其实这东西就是个圆球然后砍了一刀有个平面它的重量是 43 公斤四周伸出四根细长的棍子这四根棍子就是用来翻身和跳跃的它翻身那个过程就有点像个虫子翻身这四个杆子稍微用点力气它就能从火卫衣表面跳起来
但是吧它时间长了还是会被火卫一微弱的引力给它慢慢吸回去然后落在表面用这种跳跃的方式呢就可以探测好几个地方
大家千万别觉得这个火维体积小啊说它小呢是相对大行星而言的这东西那个尺寸呢怎么也有十几公里大小你要是把这东西放到地上它的体积比整个珠穆朗玛峰还要大还要高很多你拿这么大一家伙你着陆器在上面啊你不得多蹦的几下吗你得好好绕着圈看一看对吧所以呢苏联人还是有自己的想法的
到了 1989 年的 3 月 27 号这福波斯 2 号正在这对着火卫一拍照呢这是扔下着陆器之前最后一次拍照了咱得挑挑地方不能乱扔是吧
按理说呢地面在下午 7 点钟就应该收到发回来的数据了可是啊左灯也不来右灯也不来这福布斯 2 号他也没信了等到晚上 8 点 51 分从福布斯 2 号上收到了一段简短的信号但这段信号呢解不出码没有任何意义到了 9 点 03 分这个信号也永远的就消失了那到底是出了啥毛病呢这地面专家就百思不得其解了呀
他就分析啊可能是这探测器又转了个身然后太阳能电池板也不对着太阳了和地面通信的天线它也歪了于是他就失联了你想吧这太阳能电池板如果不能有效的对着太阳它靠内部电池它是坚持不了多久的呀苏联测控人员又足足呼叫了 20 天到最后还是没消息到此为止霍卫一的探测任务就完全给抹味了就结束了
事后呢大家就在讨论原因呢他提出了好几种说法因为这个福布斯二号实在是没的太突然了首先是霍威一没有大气层如果遇到小天体撞击就会溅起一大堆的尘埃颗粒速度快的呢就全跑了他总有些速度慢的他就悬浮在霍威一周围他跟霍威一基本上是同步运行的
这么一大堆颗粒会对探测器造成影响另外一个原因是这几年刚好是太阳活动的丰年在 3 月 4 号到 3 月 18 号之间福伯斯 2 号自己就接收到了太阳最大的 X 射线爆发和γ射线爆发当时太阳的确是很活跃
就在信号消失之前这个福博斯二号还收到了非常强的高能带电粒子的信号在高能带电粒子的轰击之下很有可能这电子电路啊它就出毛病了但不管怎么说吧这个事先呢规划了 26 项实验它已经完成了 20 项了还剩下 6 项没能做
该拍的照片呢它也拍的不少这探测器从 200 公里到 1000 公里的距离获得了 37 张高质量的电视图像和光谱图其他什么红外信号啊伽马射线信号啊它都进行了测试而且呢福波斯 2 号还对火星表面进行了热成像
图像的空间分辨率是 2 到 3 公里一个像素热图像比普通电视图像就有更高的对比度可以突出更多的细节通过这些数据就有助于澄清有关火卫一震动和轨道的相关信息说白了苏联人还是很关心这火卫一到底是不是空心的
很显然这个火为一它不是空心的它就是个实心的只是构成这个小家伙的物质呢相对疏松一点一立方厘米只有一点八八克它的密度啊跟夯土是差不多的一般来讲呢天体的体积越小它密度越小因为呢它万有引力太小了它没有那么大力气把自己捏得磁磁实实的
咱们地球呢是岩石行星里面密度最大的因为咱们的地球同时也是岩石行星里面个头最大的啊它是正相关除非啊你碰上意外情况比如说某个行星被撞碎了啊它核心部分那个铁链核心飞出来一大块那体积是很小但是密度很大那就是反常了是吧但总体来说吧这个福波斯二号这次的收获还是不错的只是呢
结局不太完美让人唏嘘不已啊苏联人的火星探测之路啊他总是在关键时刻给你掉链子这个霉运到现在依然还没有结束呢哪怕苏联已经解体了
俄罗斯后续的火卫一探测计划和苏联时期的基本方案是差不多的只是俄罗斯制定的这个福布斯土壤计划呀多了一步就是从这个黑煤球上咱采样返回从这么小的一个小天体上返回并不需要很大的火箭所以呢这还是可以实现的
我国呢也做了一个萤火一号探测器是搭载在俄罗斯的福布斯土壤探测器上一起去火星这个探测器啊 2011 年 11 月 8 号从拜科努尔发射成功无奈啊这个上面级掉了链子这探测器甚至没有能够离开近地轨道
从此以后呢咱就开始独立研发自己的深空探测器了咱就不指望搭便车了咱的确也没必要这么做啊俄罗斯的航天人呢尽管遭遇了失败但是他们还是在畅想着未来能够继续下一版本的福布斯土壤计划他们的想法呢是非常好的首先这个目标很适中很讨巧可惜即便是这么一个打了折的讨了巧的版本
他们的国力依然不允许啊这个计划只能一推再推未来能推到什么时候我也不知道那反过来呢我们的天问一号就早就成功的拜访了火星了到现在还在那围着转呢而且呢祝荣浩火星车也在火星表面上留下了自己的轮子印了
别说天文一号就连天文二号都已经整装待发准备开展小行星采样返回的计划了这个人比人得死这个货比货得扔啊没办法这就是国力上的差距到了上个世纪八十年代末美国人终于结束了漫长的太空假期他们也要开始新一轮的太空探索任务了有关这档子事咱们下回再说
科学声音