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了解科学 爱上科学 欢迎收听科学时评话咱们上次讲完了这个伽利略号木星探测器呢后续美国和欧洲还发了不少探测器呢
那种只有几百公斤重连个照相机都不带的探测器咱就不聊了咱们还是专门挑重要的探测器来讲这个 1995 年发射的 SOHO 太阳探测器还是很值得讲一讲的这个家伙提供的观测资料可以说是奠定了现代太阳物理学的基石这个探测器的全称叫做太阳与日光层天文台缩写就是 SOHO
这个东西是欧空局和 NASA 联合开发的主要还是欧洲人单缸欧洲人设计制造然后用美国人的擎天神二号火箭发射用美国人的深空测控网络进行监视和管理这个探测器有三个科学目标第一个是研究太阳的外层大气也就是色球层啦过渡区啦还有日冕层
第二条呢就是在 L1 点上观测太阳风和相关的现象第三条就是利用日振学观测太阳的内部结构没错啊这个探测器会发射到第一拉格朗日点上啊
地球和太阳之间呢一共是五个拉格朗之点 L1 呢是在地球和太阳的连线上是对着太阳的那一边 L2 呢是在地球后边是背着太阳的那一边 L3 呢是在地日连线太阳的背后那一边 L4 和 L5 呢是在地球的公转轨道上和太阳形成等边三角形的位置一共就是这五个点了
L1 L2 L3 都是坡顶 L4 和 L5 是碗底所以 L4 和 L5 这两个位置天生就是稳定的剩下的三个点是要花很少一点能量就可以维持平衡著名的微波望远镜就是放在地球背后的 L2 点
这个 SOHO 既然它是观测太阳的那就必须放在朝阳的那面也就是 L1 点 L1 点和 L2 点距离地球相对来讲比较近它大概只有 150 万公里左右其他三个点那就太远了就不太好操控了既然你要研究太阳的大气少不得得拍什么红外紫外多个波段的照片吧为了研究太阳的日冕层你就必须带上一个日冕仪
所谓的日冕仪呢就是在相机的焦屏面上放一个挡板挡住中间的太阳咱们就制造一个人造的日食这样的话呢就可以看到太阳周围平常被光球层的光芒所掩盖的高层大气了通过这个日冕仪呢科学家们就可以观测到日冕物质抛射的图像
那太阳打个喷嚏咳嗽一声那可是惊天动地但是吧等到这个探测器发射上去以后大家才发现这个日冕仪居然可以发现彗星没错就是彗星有些彗星在靠近太阳的时候它的亮度会急剧增加而且表面会被加热会喷发出各种各样的气体当然了彗星这个玩意儿吧
充其量也就是萤火虫的屁股它也没多带点亮度即便是亮度它急剧上升也依然会被淹没在太阳的光辉里面但是这个 SOHO 它不是带个日免仪吗它不是会人造日食吗咱把那大太阳给它挡上周围这些飞蛾扑火般近距离的彗星就能被拍到了
你别说这个 SOHO 还真拍到过一颗撞进太阳的大彗星那撞起来是真厉害太阳还真的冒了一股烟呢因此呢这个 SOHO 探测器就意外的成了一个探测彗星的优秀工具
这 SOHO 呢就从 150 万公里之外用 40KB 的速率把一张一张的照片发回了地球这些照片呢都是公开的有不少业余爱好者呢就通过这些照片也能发现新的彗星而且全世界的业余爱好者还互相较上进了就比谁发现的多他们发现的这些彗星啊比天文学家要多得多
到现在呢加起来总共有好几千颗这些通过 SOHO 探测器被发现的彗星呢统称就叫做 SOHO 彗星了那为啥这些业余爱好者就比科学家来近呢因为天文学家的主要工作他不是干这个那天文学家的关注点在哪呢是在研究太阳的风暴
最近几年咱们这都是太阳活动的高峰期地球上经常隔三差五的这出现极光了那出现极光了太阳隔三差五了就会大爆发说白了就跟咳嗽打喷嚏差不多太阳咳嗽一声大量的高能带电粒子就给喷出来了这些喷发都跟太阳不稳定的磁层结构是有关系的
影响这些磁层结构的因素呢都埋藏在太阳的光辉表面之下光球层是不透明的所以太阳的内部我们看不见但是呢太阳会颤抖会有日振太阳的表面呢会像一个共鸣枪一样震动起来这种震动呢是可以透露太阳内部活动的情况的这种事我们以前讲过这也是 SOHO 的主要观测任务
SOHO 的任务就是研究太阳从内到外各个圈层中的物理过程为我们深入了解太阳这颗恒星理解太阳风暴产生的过程和发展过程提供重要的观测数据
当然了任何航天器它都是有寿命的这个 SOHO 的预期工作时间就是两年因为维持轨道需要消耗一定的燃料等耗光了它就维持不住了然后就会逐渐从拉戈朗日点上飘走变成环绕太阳的公转的探测机科学家们做了一个最保守的估计能够工作两年就已经值回造价了它多工作一天那都是赚的
当然了探测器上的各种耗材按理说可以支持工作四年不过面对太空这么恶劣的环境能撑多久其实它是个未知数到了 1998 年的 4 月底这 SOHO 探测器已经完成了预定任务了说白了就是已经赚够本了到了 6 月底这个 SOHO 它就出声了
这个 SOHO 探测器它要拍照片自然就需要三轴稳定而且对于三轴稳定的要求还很高这个探测器是第一个使用陀螺仪来调整自身指向的探测器 15 分钟之内指向太阳的角度不能偏离超过正负 10 个角秒这是啥概念呢
咱们知道啊圆周啊转一圈 360 度那一度呢分 60 份这就叫一角分这一角分再分 60 份这就叫一角秒你说这个角秒是多小的一个单位正负 10 角秒是一个非常小的误差这个 SOHO 探测器呢用了三个飞轮来控制自身的指向角度
随着机器设备的工作运转呢它时间长了呀误差是会慢慢积累的误差积累大了呢你靠飞轮来调整就不太够用了它必须开发动机调整一下每次开发动机调整需要花费 48 个小时时间可是科学家们实在是不舍得花这个 48 小时
他实在舍不得这个时间所以呢 SOHO 的工程师们就重新编写了一个代码把这个调整时间压缩到了 24 小时结果倒霉就倒在这上面这段代码它是有 bug 的它没经过完整测试就这么上传到了探测器上了就在 1998 年的 6 月 24 号这探测器呢开始执行新的程序了这个时候啊
三个飞轮都是要开机工作的平常这三个飞轮不是同时工作现在呢不但是同时工作而且是满负荷工作等到程序结束以后啊飞轮 A 正确的关机了飞轮 B 出幺蛾子了
按理说呢它不该转了呀是吧你都停机了结果这个飞轮 B 转起来没完没了了这下探测器的姿态可就全乱了本来它是眼珠不错的盯着太阳这下倒好现在找不着太阳了急于是整机就进入了紧急太阳再捕获状态按理说你关掉这个飞轮 B 切换到正常的飞轮 A 它就能解决问题了可惜这程序出 bug 了它根本就不听你的
最后啊这个探测器干脆是晕头转向整个姿态完全紊乱了这
这姿态一乱天线不对着地球这方向那就完全联系不上这探测器给弄丢了这下麻烦大了这个地面操控团队啊是 NASA 下属的哥达德太空中心负责这下可把他们给吓坏了这欧空局也是火就火了妈玩意儿我探测器丢了赶紧他们就派人飞到美国两边的工程师开始商量解决方案了这还有救没救啊这
双方呢就调集精兵强将组成了一支抢救队伍开始拼命挽救这个探测器首先呢就得分析一下基本的情况了这探测器现在在哪啊现在应该还是在 L1 点附近绕圈圈呢
要是飘出 L1 点大概还得用几个月时间这个第一拉格朗日点呢它是固定的即便是现在联系不上我们也大致知道方向接下来的问题就是电力够不够啊这个 L1 点阳光充足晒太阳不成问题但是就是不知道这个太阳灯板是不是对准了如果它是在翻跟头那个隔三差五说不定还能照到光它暂时死不了但是
太空不比地球这阳面它能晒死阴面它能冻死如果姿态不对仪器会不会给冻坏了燃料是不是给冻成大冰坨子了这就很难说了还有呢就是天线对着地球的方向吗很显然并没有要是对着地球方向通讯就不至于中断了好了那么现在理清了头绪了首先就是要找到这颗探测器那它哪儿去了呢你怎么找呢是吧
最好的办法是拿雷达扫描啊就跟看天上的飞机是一个道理嘛那么 150 万公里哦你有这么大的雷达吗这无线电信号发得过去吗你别说咱们地球上当时还真的就有这么大的雷达那就是著名的阿雷西伯望远镜没错我们以前提到过这个阿雷西伯是可以发射无线电波的
他搞的那个不叫射电天文学他搞的那个叫雷达天文学首先咱们就用阿雷西伯的雷达功能找到这颗探测器的具体位置 7 月 3 号地面的人员真的找到了这个探测器从回波的闪烁情况来看这个家伙正以 52.8 秒的周期在不断的旋转好家伙这家伙真的成了无敌疯狗轮了
更要命的是这个太阳能板几乎和阳光呈现出平行状态也不对按理说应该是垂直状态啊
这平行状态也就是说根本晒不到太阳电力供应肯定是不够的但是你别忘了啊这个家伙可是在拉格朗日点上他是在和地球一起绕着太阳公转他有自转有公转跟一颗行星也差不了多少了咱们地球上的阳光直视点可是在南回归线与北回归线之间来回的移动哦
所以在这个探测器上阳光直射点也会发生变化它也有季节在耐心的等了一个半月之后这太阳能板的角度啊就可以照到光了电力虽然很弱但是好歹比煤电强啊
只能慢慢的给机内电池充足了电这样机器就可以开机了这事呢急不得你只有等着这个机器它重启以后慢慢的会有信号发出来现在呢地面和探测器的通信呢是靠大力出奇迹因为这个阿雷西伯发射的信号非常强
哪怕探测器天线方向不对他也能听到这个信号所以阿雷希伯就负责发信号位于加州的哥德斯空测空站呢就负责接收信号这个信号呢
这个加州和波多黎各还得建立起其他网络才能完成这个一手一发到现在为止这个探测器还没有办法完成姿态调整还在那翻跟头呢因为燃料罐里面有 48 公斤的燃料已经冻成了大冰坨子它没法用了另外发动机的管道也给冻住了所以调整姿态的发动机是无法工作的只能攒够了电力以后用电力来加热慢慢把它暖过来
可是通信也要消耗大量的电力那就只能轮流开关呗这会儿加热咱就别通信了过会儿咱切过来咱得通信它光是解冻就足足花了 11 天
燃料解冻以后呢就可以开发动机来调整姿态了 9 月 16 号 SOHO 终于完成了姿态调整这太阳能电池板呢又对准了太阳了通信天线又一次对准了地球了这个探测器终于就被救活了然后地面人员赶紧发指令检查仪器发现这些仪器都是完好无损的没有被冻坏唯一的问题就是这三个飞轮现在只剩下一个是好的就是飞轮 C 是好的
那咱就先凑合着用吧到了年底的 12 月份就连最后一个飞轮也坏了现在就只能靠发动机来调整姿态了你这个发动机调整姿态是要耗燃料的呀每周要耗 7 公斤燃料探测器上总共也就 200 公斤燃料那哪经得起这么耗呢
到了转过年来的 2 月 1 号欧洲人写了一套程序就是让这个探测器不用飞轮进行姿态控制啊算是把燃料的消耗给减下来了后来呢这个 SOHO 探测器又工作了很多年算是超期服役了很长时间了其实呢呃
诸如此类的事在航天领域内经常发现它并不罕见我在查资料的时候偶然发现在月球探测器这一栏里面居然有一颗叫做亚洲三号通信卫星我还纳闷呢这通信卫星怎么成了月球探测机了
仔细一查才发现呢这也是一个创造了奇迹的拯救行动这个亚洲三号通信卫星啊是休斯公司制造的一颗大容量通信卫星本来是卖给香港的公司的啊这个预计寿命 15 年也就是说这个卫星上带的燃料还是不少的本来呢它是交给俄罗斯的质子号火箭从哈萨克斯坦的拜科努尔发射
结果这个质子号火箭的第四级火箭在关键时刻掉了链子他就没能把这个卫星送到同步轨道上这个卫星就停留在了一个倾角达到 50 度的长椭圆轨道上这是商业卫星啊它都是有保险的这保险公司一看哎呀妈呀这颗卫星是发射失败了只能咬着后槽牙把这个钱给赔了啊
其实呢这颗卫星是全虚全隐它功能齐全啊它什么都没坏只是不在正确的轨道上这个休斯公司的工程师啊他不死心他们想要用最低的能量消耗把这颗卫星挪到正确的同步轨道上去要知道同步轨道是在地球的赤道上空也就是说它的倾角是零高度是三万六千公里它接近一个圆形
现在亚洲三号的倾角是 51 度从哈萨克斯坦发射的卫星倾角度很大这是地理位置决定的它的轨道呢也是个长椭圆而且高度还很低它距离同步卫星啊差得远着呢
这个轨道高度相对来讲比较容易调整但是轨道倾角不对这问题就大了于是修斯公司的这些工程师就开始大胆规划咱们利用月球的引力弹弓效应来改变这个轨道倾角为了达到这个目的就必须让亚洲三号的远地点慢慢延伸到月球轨道上在近地点开发动机加速这个远地点就会向远处延伸这是一个常用的办法
为了节省燃料呢这个延伸远地点的爬坡过程啊它必须得慢得好几个月时间慢慢兜圈子每一次飞到近地点就开发动机轻轻的退吧
靠时间长就把这个轨道给延伸出去了到了 1998 年 5 月份这颗商业卫星在距离月球 6000 公里的地方就飞掠而过借助这次引力弹弓修正了轨道倾角到 6 月 6 号再次从 3.4 万公里之外掠过月球再次修正了这个轨道的角度
接下来呢还有开发动机把亚洲三号的轨道从长椭圆压缩成一个圆其实呢只要在近地点开发动机减速这远地点它就缩回来了这远地点缩回来缩到特别短慢慢的就变成正圆了
这颗卫星就是这么慢慢一点一点被救回来最终还是变成了一颗正常的同步卫星了当然了亚洲三号也就一不留神成了第一个拜访月球的民间商业卫星我们仔细扒拉扒拉手指头算算日子好像拯救 SOHO 和拯救亚洲三号卫星差不多就发生在同一个时间段内没办法这事就这么巧
不过话又说回来这个亚洲三号它毕竟是绕着地球兜圈子这圈子不大兜来兜去它也没有多长时间假如这个探测器是去拜访一颗小行星你老先生要是轨道调整的时候出了问题那兜的圈子可就大了去了那有这事吗还真有那就是苏梅克探测器的遭遇了
这个苏梅克探测器啊早先不叫这个它叫尼尔这是缩写全称就是近地小行星交汇任务后来呢为了纪念 1997 年意外去世的苏梅克就管这颗探测器叫做苏梅克探测器了这个探测器的目标就是去探索近地小行星爱神星自从这个苏梅克利维 9 号把木星给撞了这个 NASA 那一阵子就对近地小行星它来了兴趣了
它不但要拍照片而且还要登陆到小行星上这个苏梅克探测器就是要完成这个任务小行星呢还是主要分布在火星和木星之间的小行星带有超过 90%的小行星呢都在这儿在这儿老老实实绕着太阳转的叫做主带小行星
在主带小行星之外呢还有不少小天体比如说呢是在木星的拉格朗日点上也就是在 L4 和 L5 点上存在两大坨小行星因为这个地方是引力的碗底嘛它根本就不用你操心任何小天体都可以舒舒服服的待在这个位置上乱晃悠这两大群小行星叫做特洛伊小行星
不仅仅是木星哦其他行星也有自己的特洛伊小行星群只是呢数量太少发现的不多不管是主带小行星啊还是特洛伊小行星啊它长期都是在一个不大的圈圈里面绕着太阳转所以即便是有点水分随着漫长的时间流逝它也逐渐就被蒸发干了所以小行星往往是比较干燥的它的水分是不多的
那彗星就不一样了这个彗星的轨道呢它是非常扁的长椭圆它常年累月都在幽暗寒冷的地方溜达它进入内太阳系也跟冲刺一样它冲过来绕一圈很快就走了所以水分蒸发并不多它水分还是很充足的这就是彗星和小行星比较大的一个差别
但是吧这个天下之大无奇不有总是存在一些比较另类的小行星比如半人马小行星它们的轨道啊往往是一头在木星之外另外一头呢它能搭到海王星轨道上而且呢轨道也比较扁长但是它又不像彗星那么扁
而且这些小天体也要跨越好几个巨行星的轨道因此它们也经常受到这些巨行星的引力射动所以它们的轨道也是不稳定的迟早它们都会被扔出去至于是扔到海王星之外还是奔着地球这边来那就不好说了那些时不时就靠近地球轨道的叫做近地小行星在近地小行星之中第二大的天体就是这个爱神星
这个爱神星到底有多大呢长度 33 公里粗细 13 公里的样子这些数值呢都是粗略估算因为这个家伙长得实在不太规则他长得像个香蕉还是个弯的当然你要说他长得像个生姜吧好像也行那么 NASA 为啥要选择爱神星呢首先他是近地小行星嘛说白了就是比较近嘛他飞过去也比较快嘛
另外就是因为它比较大你想在小行星上着陆啊那可太难了因为这个东西引力小得可怜你想落你都落不上去可是呢你又不能像空间站对接那样彻底忽略这个引力所以麻烦事也很多 NASA 当时呢在推动低成本深空探测器说是低成本其实它也不便宜预算不超过 1.5 亿美元它都叫低成本
相对来讲呢探测爱神星算是比较便宜的买卖了
另外路上还可以拜访一颗叫做马蒂尔德的小行星这算是一举两得一鱼两吃了就在 1996 年的 2 月份这个苏梅克探测器就发射了 1997 年的 6 月 27 号这探测器就和马蒂尔德小行星相遇了这个擦身而过的机会只有 25 分钟时间非常短暂这探测器当场就拍了 60 张照片
到了 7 月 3 号探测器完成了第一次轨道调整到了 1998 年的 1 月 23 号这个探测器从地球附近掠过然后算是利用地球的引力弹弓再加一把速到了 1998 年的年底预计还要进行一次轨道修正结果就是这次轨道修正又捅了娄子了这档子事咱们下回再说科学声音