探测器列传：28.一波三折
24:03 Share

了解科学爱上科学欢迎收听科学时评话咱们书接上文呢上文书怎么不是讲到了美国人在八十年代有一个空窗期吗基本上就没怎么发行星探测器其实这档子事呢它是事出有因

主要是因为当时美国人几乎是全力压保在了航天飞机上这个东西吧它对于深空探测呀实在是有点不合适由此呢也就导致了一大串的麻烦这可就说来话长了

美国人一直到 1989 年才发射了两颗深空探测器一颗是麦哲伦号去金星一颗是伽利略号去木星麦哲伦号我们前面讲过了所以这次我们就主要来讲一讲这个一波三折的伽利略号木星探测器在此之前美国人对于木星的探测都是飞掠而过属于走马观花他没有办法长时间的仔细观测

所以美国人很早就开始策划一个新的环绕木星探测器这样的话呢就可以长时间的绕着木星进行观测了顺带呢咱们携带一个木星大气探测器

这个东西其实呢跟着陆器差不多啊就是把这家伙扔下去这家伙一边穿越木星大气层一边往下掉一边发出去因为木星没有固体的地面所以这东西呢它不能叫着陆器只能叫大气探测器反正这东西到最后一定是会被木星的大气给压扁的嘛 1977 年美国国会就批准了这个项目也就是说可以拿到拨款了这种事吧它没有钱是万万不行的

一开始呢这个东西叫做木星环绕探测器这个名字呢有点太直白了啊到了 1978 年就改名叫伽利略号伽利略是第一个用望远镜观测木星的人而且还发现了木星的四颗大卫星啊

按理说呀用五年时间进行研发 1977 年开始 1982 年发射这时间差不多应该是够用的呀但是这个计划总是赶不上变化这个项目前前后后一共拖了 12 年首先呢是这个探测器它比较重需要用大力神运载火箭加半人马做上面级才能发射但是等到这个探测器造的差不多了

这大力神火箭它退役了而且呢 NASA 决定全部押宝航天飞机未来也不会研发什么新的运载火箭了那这下就麻烦了因为航天飞机这东西真的不适合发射升空探测器咱们以前在讲麦哲伦号的时候呢也讲到过这一点这个航天飞机啊基本上就相当于一个皮卡前边做人后边拉货

它靠自己的动力只能爬升到环绕地球的近地轨道如果你只是发射近地轨道的航天器那是非常方便的事你飞上去以后把后舱门一打开然后把那个航天器给它推出去 OK 这就算完事了就没你的事了如果你要发射高轨道卫星或者是深空探测器那么就必须在探测器下边装上一个惯性上面级

这个上面级名字就叫惯性啊你得连带探测器带上这个惯性上面级一起装在航天飞机的货舱里边然后呢发射以后把它扛到近地轨道到了以后你把那上面那个舱门打开让这个探测器和这个上面级小火箭呢一起飘出去然后离航天飞机远点啊远点以后再点火点火以后它就奔着自己的轨道去了

这个惯性上面级啊它是两级固体火箭送麦哲伦号去金星那是足够用了但是从伽利略号去木星它就不够用了那你要说让这个波音公司研发一个三级的上面级是不是也就够了呢这个倒也是够了但是谁知道猴年马月才能搞出来啊所以伽利略号这档子事就只能往下拖延了

那么如果要利用引力弹弓效应来加速这个 JPL 的工程师呢有点不愿意因为引力弹弓呢非常麻烦而且呢在太空里边一飞就要飞好几年你万一中间出毛病呢是吧万一你给弹错方向了呢这不就白白增加了风险吗再说呀这探测器寿命有限呢你在一路上先跑它个几年这就等于缩短了探测木星的时间这里外里都不划算嘛

那么好了过去用的那个半人马座上面级的性能非常优秀啊因为这个东西啊它是个液体上面级这个液体火箭它能够多次开关机而且它比冲也比固体要大说白了耗油率比较低嘛

但是大家根本不敢在航天飞机的货柜里边装上液体上面级你想啊万一发射的时候那个货仓一震动啊一摇晃这上面级燃料要是漏了那怎么办呢要是炸了那怎么办呢这个一次性火箭的都不算贵重复使用的航天飞机要是炸了那真是哭鼻子你都找不着分头了

可是这个惯性上面级它不够给力啊要不咱这次就铤而走险试一次咱们就用那个半人马做上面级但是吧这事他巧了当时呢里根政府削减赤字他一刀砍下来这 NASA 的经费恨不得就少了一半

这下就要命了因为 NASA 就不能全都要了呀它得掂量掂量做做选择了这边呢是伽利略木星探测器那边呢是哈勃空间望远镜你说这钱到底给谁呀做这种选择真的很难呀最后呢 NASA 还是决定偏向哈勃空间望远镜这东西属于基础设施嘛对吧这个伽利略号呢你就一切从简吧这个半人马座上面级那太贵了

算了你还是用这个惯性上面级嘛那好既然要用惯性上面级那时间可就不等人了因为你要玩引力弹弓就得看人家金星的位置是不是合适你过了这村他可就没这地儿了 1982 年倒是有一次窗口期瞧了整个航天飞机的计划全部都延迟了这 1982 年他就排不上队最早也得等到 1984 年

到了 1984 年吧虽然也可以用引力弹弓但是金星的角度实在是不太对你真硬要用的话就只能打一个不小的折扣就根本没有办法把那么大的探测器送到木星去科学家想了半天办法那就只能拆开发射了

让这个环绕器咱先单独发射这叫打前站这个大气探测器就是往下扔的那个啊这个大气探测器呢咱以后再发射这样分两次发射也能满足要求啊但是在关键时刻这军方跳出来了他们呢也觉得这个惯性上面机不太够用他们支持研发新的上面机

那就以半人马做上面级为基础然后针对航天飞机的货舱做一下适配也就足够了多出来的钱那就军方掏了呗另外 JPL 针对木星的复杂电磁环境做了一个专门的屏蔽层军方对此非常感兴趣因为核弹爆炸也会造成极其强烈的电磁辐射美国人在太平洋里核弹爆炸的时候就曾经造成过夏威夷的电线大范围跳炸

因此军方对电磁屏避疫技术也很感兴趣他们也乐观启程而且给予了很大支持这不是大好事吗既然不需要用引力弹弓了那也就不用赶时间了就这样一直折腾到了 1985 年的年底这都 12 月份了这个伽利略号木星探测器就从加州的帕萨迪诺运到了佛罗里达的肯尼迪航天中心

1986 年咱就可以拉出去发射了这个探测器的总重量大概是 2.2 吨这个轨道器它采用了自旋稳定也就是说探测器每分钟要转 3.5 圈用陀螺效应来保证自己的姿态

但是吧这个探测器很特殊它上半身在转它下半身不转因为这个探测器下半身啊装了好多照相机啊探测器啊之类的你要是跟着一块转的话它没法拍照了呀

这个探测器装了个 CCD 摄像机清晰度比旅行者号探测器高了 20 到 1000 倍可以分辨出土星表面 30 到 50 米范围内的细节而且还装了红外线和紫外线的光谱仪整个探测器的 CPU 是一个 8 位的芯片这个计算能力跟任天堂那个红白机差不多内存只有 16K 但是这个 CPU 的性能已经足够用了

那么好了既然它采用自旋稳定那么也就没有办法安装大面积的太阳能电池吧多新鲜啊你装上都不成电纱了是吧它只能用同位素电池所以这个探测器也得用一根细长的杆子把这个核电池给它伸出去伸得远远的就怕微量的核辐射干扰了本机的其他仪器所以就得加远一点也有利于它散热嘛

这个核电池可以提供 480 瓦的电力这个探测器正中心呢有一个非常大的伞形天线就是一张倒开的伞形成一个反射无线电信号的反射面

折叠起来呢就可以减小尺寸了另外呢还有一个低增翼天线通信速度很慢但是它的方向性不强它不需要特别的对准地球这个大气探测器呢是 M4 研究中心研发的这个东西啊长得像个锥体里面装的是大气传感器可以探测木星大气的基本参数比如说测量一下气压测测温度分析一下成分反正呢就可以获得一大堆的数据

这个探测器的壳很厚主要就是为了隔热抗压整个探测器重量达到了 339 公斤壳子就有 220 公斤重这个东西呢最终是会被扔进木星大气反正最后下场嘛肯定是被高温高压给破坏了所以呢这个数据会一边下降一边从两个频率以 128 比特的速度通过轨道器转发回地球

本来喷气推进实验室和 IMS 研究中心已经做了充足的准备这都准备好了吗就等着航天飞机的班次按照排班应该是 5 月份发射可惜就在 1986 年发生了一次震惊世界的大事那就是挑战者号航天飞机当空爆炸 7 名宇航员全部遇难

这件事在当时的影响大到了什么程度当天的新闻联播把这件事放在了一开头而不是末尾一般来讲呢一开头应该是国内新闻吧到最后五分钟才是国际新闻这次呢它倒过来了由此可见这事很重要正因为挑战者号出事了所以呢所有的航天飞机都得停飞等着事故调查完了以后再说至于什么时候才能恢复您就回家等通知吧

就这样一直等到了 1987 年上面来通知了根据现在的排队状况发射时间得拖到 1989 年 10 月份以后了既然如此那就没有办法了喷气推进实验室的工程师只能乖乖的把这个伽利略号拉回了加州的帕萨迪诺原来的发射方案也必须重新调整了

因为出了这么严重的事故整个 NASA 上下全都变得小心翼翼的你把液态火箭塞进航天飞机的货仓啊你死不死啊谁敢这么干呢大家越想越慎的话万一出问题那是不能忍受的于是大家不得不又一次换回了使用固体火箭的惯性上面积

老问题又来了你换回了惯性上面级这探测器根本就飞不到木星即便是借助金星玩引力弹弓这时间也错过了你说怎么办嘛最后经过反复计算不得不选择了一条极其复杂的在金星和地球之间玩好几次引力弹弓的方案

首先呢这个探测器从地球上发射走一条偏心椭圆轨道咱直奔金星就去了咱得绕着太阳转小半圈可以路过金星然后借助金星的公转咱甩一下啊绕着太阳转四分之三圈就和地球会合了

借助地球的引力咱们再甩一下走一个偏心的大椭圆轨道奔着一颗叫做加斯普拉的小行星咱就去了在路上拜访过这颗小行星以后顺着轨道咱就回到太阳系的内圈第二次和地球相遇然后借助地球的引力拐个弯咱奔着木星方向就去了这一次咱就再也不回头了

简而言之这个过程要借助金星甩一次借助地球甩两次然后才能去木星这个复杂的过程啊以前也不是说没有人想过但实在没有人愿意这么干第一个问题是探测器和木星汇合的时候地球恰好在距离木星最远的位置上这对通信很不利

另外从地球上看过去这个木星角度偏南也就意味着马德里和哥德斯通两座测控站恰好看不见只有南半球的堪贝拉测控站能工作但是只有一个测控站能监视就做不到 24 小时连续通信了

后来呢就想一想这个信号好像还太弱了就让这个澳大利亚的帕克斯望远镜顺便帮个忙代为监测但是这帕克斯望远镜也在澳大利亚跟堪培拉是同一个时区也就是说还是解决不了这个连续监控的问题

另外呢这个特殊轨道要借助金星的引力弹弓但是这次吧它路径比较靠近太阳为了防止太阳发射的高能粒子打坏这仪器就必须加固这个屏蔽装置于是呢又增加了重量第二次通过地球呢是仅仅借助地球拐个弯借不到任何动能所以有些人认为啊这种方法是多此一举

当环保组织知道这个消息以后他马上就搞出了一大堆抗议活动你要知道美国人搞这种事啊他是相当在行这帮人的音量还是非常大的那么这些环保组织反对啥呢他怎么就跟航天探测器较上劲了呢你别忘了啊这个伽利略号上是带着核电池的这些环保人士反对任何放射性物质有火箭发射

你万一火箭炸了这些放射性物质岂不就要泡洒在地球上吗这不行啊坚决反对再说了这个探测器带着放射性物质带着核电池还要两次路过地球啊它万一和地球撞上了呢这不行坚决不许这么干

我们现在是很难理解这些环保人士的脑味路你怎么想的但是其实也不奇怪你放在当时那大背景下去当时是美苏冷战高峰期大家都是生活在和威胁的恐怖平衡之下本来就有点弹劾色变

再加上挑战者号爆炸带来的影响哦他们对航天器的安全性是不放心的对于带着放射性元素的航天器那就更加不放心了所以这帮人还把 NASA 给告了给告上法庭了 NASA 的科学家就别提多窝火了他想起军方哎

能不能问问军方啊这个大力神四号火箭他们还用不用啊可不可以拿来发射啊这样咱就不用兜圈子了当时军方还是坚持要用常规火箭来发射卫星的他不像 NASA 全部押宝航天飞机结果军方说我现在没空啊现在军方自己的发射任务都已经够重了实在是没时间

哎呀这帮科学家没办法呀他只好见招拆招啊他只好继续回过头来对付环保分子他们就不断的写文章做科普告诉大家航天器的轨道设计到底是怎么回事他如何计算的留下多少安全余量反正能提交的说明全都提交了

环保组织申请的禁令呢最终没批下来也就是说伽利略号是可以发射的最终伽利略号的发射时间就确定在了 1989 年的 10 月 17 号用亚特兰蒂斯号航天飞机发射升空任务代号 ST34 你想这是多不容易的事啊从 1977 年批准立项开始到 1989 年发射它足足折腾了有 12 年了 NASA 对这事实在是太重视了啊

为了防止有人趴墙头他们还加强了安保万一那个环保人士不死心呢是吧这个发射过程倒是很顺利的最后呢是航天飞机打开被捕获舱然后呢让这个惯性上面级和探测器飘出舱外飘到足够远的地方火箭点火启动然后全力以赴的把这探测器送上了去金星的轨道这 JPL 的工程师们总算是松了一口气了哎这祖宗总算是走了

就这样加利略号探测器开始老老实实按部就班的工作这个探测器上的各种设备也按照计划逐个开机了一直到 1990 年的 2 月 10 号探测器在 1.6 万公里的距离上掠过金星顺便也就对金星进行了观测来都来了嘛你当时不能空跑一趟嘛这叫贼不走空嘛是吧

从微弱的电磁脉冲信号里面呢他们揪出了九个脉冲估计这九个脉冲就是由金星上的闪电引起的这也算是一个收获吧

到了 1990 年年底伽利略探测器第一次回到了地球附近然后借助地球的引力弹弓甩了一下奔着加斯普拉小行星就去了现在呢探测器已经远离了太阳附近的高能带电粒子比较强烈的区域了而且呢这个地方温度也不是那么高了可以展开那个大天线了也

也就是说一直到了 1991 年的 4 月份他们准备打开这个高增益天线结果呢这个天线打开到一半就卡在那了这个伞口啊只张开了一个小圆口它形成不了一个漂亮的抛物面天线也就是说地面和伽利略号是没有办法展开高速通信的他们只能依赖那个低增益天线

低增益天线信号太弱呀它收发速度受到严重的制约它发三个信号能错两个它老得纠错它可不就得卖下来吗

科学家们还不死心呢还在想办法拯救这个卡住的伞骨其实就三根伞骨卡住了他第一招呢就是先让这个卡住的伞骨啊在太阳底下暴晒咱们就看看是不是能靠这个热胀冷缩让卡住的地方松动一下发现呢不行卡的还挺死然后他们就迅速的转到阴面看看呢频繁的这个冷热循环是不是能让卡住的地方松动一下

折腾了半天还是不行要不然咱就让这个探测器转速加快一下看看能不能把这个伞鼓给它甩开可惜转了 N 圈还是无效折腾来折腾去怎么都折腾不开最后干脆放弃了不跟这伞鼓子较劲了可是你仅仅靠那个低增益天线它通信速度上不去怎么办呢

那就只能靠数据压缩了好在那年头呢计算机技术已经大大进步了程序员们就重新写了一套高压缩率的压缩算法大大提高了通信速度这个问题算是凑合着解决了这个探测器一路就奔着加斯普拉小行星来了这个加斯普拉小行星它是个长条形的长度大概 18 公里

粗细直径大概十公里左右它表面密密麻麻的到处都是细小的撞击坑看来这家伙没少一打表面还有六个比较平坦的平原区这个平原区啊方圆大概也就是几公里这么大不知道这些平原怎么形成的因为这么小的家伙它不可能搞什么火山喷发呀它也形成不了岩浆平原呢再说看那色它也不像啊所以到现在它还是个谜到底怎么出来的

总而言之加了略号探测器给这个小行星拍了不少照片但是因为传输速度太慢啊这段段续续传了一年多才全传回去地面上的科学家们研究了很长时间呢他就发现呢这个小行星上坑虽然多但是他没有到层层叠叠的程度啊他没有说清坑压着旧坑而且呢撞的都是小坑啊那大坑是一个都没有啊

就说明这颗小行星还是个新手它的年龄并不大大概是在 3 到 20 亿年之间估计也就是几亿年的样子吧

到了 1992 年年底这伽利略号第二次掠过地球借助地球拐了弯以后就正式奔着木星去了到了 1993 年伽利略号路过小行星带他恰好遇到了一颗叫做爱达的小行星这颗小行星比较大它长度达到了 50 多公里宽度 24 公里厚度大概是 15 公里这就是一块肥皂嘛这是

这一次呢伽利略号探测器有了一个重大的发现那就是发现就这个爱达居然自己还带了一颗卫星啊这个小行星有卫星在当时来讲真是个新鲜事儿了

这个小家伙接近球形他直径只有 1.4 公里距离他的母星爱达有 90 公里左右这两个小家伙呢都是满脸的坑看样子年龄已经不小了而且呢他俩的成分很相近估计都是来自于鸭女星族的碎片

这个鸭女星族是运行在小行星带之中的若干颗小行星估计这些家伙都是在 21 年之前由更大的天体碰撞撞碎了以后留下的碎片这种太空中的撞击事件其实一点都不罕见科学家们曾经提出一个吸尘器理论就是这个木星几乎是最容易被小天体撞击的对象

因为这家伙跟吸尘器一样啊这个引力太大了溜达到附近的天体很容易就掉进这个引力线镜最后全撞到木星上了发生这种小天体撞击木星的几率几乎是撞地球的二至八千倍由此可见呢木星这老大哥还是帮我们地球啊挡掉了很多次雷呀

说曹操就曹操到就在 1994 年夏天发生了一件可以载入人类天文学史的重大事件可惜这伽利略号当时在路上他晚了一步所以呢他就没能近距离观测到这场太空机关那到底是怎么回事呢咱们下回再说科学声音