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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讲到了美国人的苏梅克号探测器这颗探测器的目标是去探测爱神星
这个探测器的轨道呢就比较复杂了需要兜圈子在路过地球的时候呢还得借助地球的引力弹弓效应来变轨同时完成加速变轨以后呢还得进一步调整轨道要对准爱神星啊
在 1998 年底苏梅克探测器就开始轨道修正了本来这是一次常规操作这时候呢距离爱神星已经没多远了预计几天以后就可以和爱神星会合没想到啊这个火箭刚一点火它就停机了所以这颗探测器就开始在太空里头乱翻跟头这事呢美国人的探测器翻了也不是一次两次了他们的探测器也经常翻跟头
这种深空探测器距离地球非常遥远它一旦开始翻跟头通讯就很容易中断一旦通信中断那神仙都没辙那好了现在面临的局面就是探测器姿态失控正在翻跟头因为翻跟头和地球之间的通信就很不正常太阳能翻反的方向也不对电力严重下降刚才姿态调整这个燃料消耗了 29 公斤现在已经没剩下多少了
原本还要进行三次轨道修正完成刹车减速然后就可以进入环绕爱神星的轨道了这下倒好这计划是彻底告吹现在呢地面测控人员是一点辙都没有了那只能傻等着等到第二天这颗探测器它进入安全模式了然后呢电脑重启了然后慢慢开机恢复姿态开始和地球建立联系
等到这时候大家发现完了已经错过了轨道最佳调整时机了而且探测器上的燃料也不够了没法进行减速这时候地面人员就开始想办法动脑筋了要拯救这颗探测器那既然这次没法减速就只能从爱神星旁边擦肩而过
那就只能绕着太阳多转一圈了等到下一圈这轨道再汇合的时候咱们再凑过去这样的话呢调节起来比较节省燃料但是呢花的时间比较长你还得多转一圈嘛
按照这个新的计划在 1998 年的 12 月 23 号探测器从距离爱神星 3800 公里的地方飞掠而过趁这个机会探测器上的照相机也就玩命拍照拍摄的图像涵盖了爱神星表面 60%的地表
这样也好啊反正登陆爱神星已经推迟到下一圈了嘛这次拍这么多照片可以提前考虑一下着陆的地点也算是打个前站了当然了探测器在路过爱神星的时候因为爱神星的引力射动这轨道呢发生了轻微的偏转利用这个偏折地面上的科学家就可以精确的反推出爱神星的质量
到了 1999 年的 1 月 30 号这个探测器发动机开反推推了一下这样的话呢就把探测器和爱神星的速度差减小了一点按照原本的计划呢这个探测器需要和爱神星实现同步飞行也就是说和爱神星肩并肩绕着太阳转但是现在燃料不够咱就只能拉长时间分好几次调整速度
这个探测器 8 月份开始又开那发动机喷了两分钟调整了一下轨道这个探测器和爱神星的相对速度就减低到了 300 公里每小时这个速度大概也就是飞机着陆前的那个速度到了 2000 年的 2 月 3 号这个探测器再次减速相对速度呢从每小时 70 公里降低到了每小时 30 公里这就相当于是一辆汽车的速度了
正因为这个爱神星的引力实在是太小了而且它长的是个香蕉的形状它每个地方重力都不太一样所以呢探测器就必须小心翼翼的和爱神星保持同步然后呢略略提速再刹车减速来回调整就在 2 月 14 号苏梅克探测器就进入了环绕爱神星的轨道减速算是成功了
你别说这 NASA 还挺会挑日子啊它挑了个情人节在进入了环绕轨道一个月以后呢为了纪念已故的天文学家苏梅克所以 NASA 才把这个探测器改名字叫做苏梅克号此前呢它一直叫做近地小行星交汇任务我们是为了省事所以一直就管它叫苏梅克号啊
一开始啊它的环绕轨道半径大概是 300 多公里这爱神星太小它引力非常小稍微多花一点点力气这轨道变动就好大所以大家就不得不小心翼翼一点点调整因此轨道的收缩就花了很长时间一直到 7 月 14 号这轨道半径缩小到了半径 35 公里
这苏梅克号探测器在这个轨道上停留了大概十天左右在此期间肯定是拍了不少照片嘛这个半飞和环绕的基本任务都已经完成了能拍的照片也都拍了可见光波段和红外线波段也都凑齐了现在就要完成最后一个任务了那就是着陆爱神星
首先就要进一步降低轨道 2001 年的 1 月 24 号轨道的高度就逐渐降低到了 5 到 6 公里 28 号这个高度降低到了 2 到 3 公里高
你别忘了这爱神星不是个圆球这家伙是个弯形的香蕉这时候苏梅克号探测器是围着爱神星的腰在转小圈它转大圈围着长轴转它转不过来那长轴 60 多公里的对于这种不规则的形状这个着陆过程是极其缓慢的一直到 2001 年的 2 月 12 号这探测器才正式着陆在了爱神星上
这个缓缓下降的过程苏梅赫号传回了 69 张高清照片最后一张是距离 120 米的时候拍摄的在后边就没有照片了但是其他传感器依然有数据发挥这个伽马射线光谱仪是在距离表面 10 公分的地方收集到了数据这些数据就比在太空里对着收集的那信号要强得太多了
一直到 2001 年的 2 月 28 号地面深空测控网络和苏梅克号探测器失去了联系估计呢这个探测器也是被冻死了
因为这个爱神星它是会自转的如果探测器随着自转那进入了没有光照的黑暗面这温度就会急剧下降根据传回的数据当时爱神星上的温度是零下 173 度这个爱神星的自转呢只要五个多钟头它频繁的冷热更替这探测器受不了在坚持了若干天之后它终于盯不住了就死过去了
不过呢这颗探测器也算是超额完成任务了这是人类的探测器第一次在小行星表面着陆
当然了这次着陆呢只是捞草打兔子烧的脚了所以这个着陆计划并不是太完善你按理说呀你要执行一个小行星的着陆任务你得带个着陆器你不是探测器自己下去啊如果你把两个任务分离开那么就可以让探测器在空中监视着看看着陆器到底是怎么落下去的是怎么站稳脚跟的可是这次并没有
说句实话啊这也是没办法的事因为 NASA 当时的指导思想就是多快好省咱最好别搞那么复杂的幺蛾子不过那话又说回来这种多快好省啊
你也不能省过头啊这省过头了会导致整个项目都报废咱们前面不是提到过那个火星观察者号吗啊那家伙就是在进入环绕火星轨道之前三天他失联了吗那个项目啊他也是一个多快好省型的项目那时候 NASA 搞了一大批诸如此类的东西
接替火星观察者号任务的是火星全球勘测者任务这个 NASA 要求在 16 个月的周期之内完成任务这探测器本身的预算限制在了 5400 万美元说实话这点钱还是有点紧张既然如此这探测器就造不大它严格限制在 1060 公斤这探测器小吧
就可以用小点的火箭来发射这样的话呢就比较便宜可是啊如果探测器很小那么携带的燃料就会变得很少那么刹车啦减速啦轨道调整啦就变成一锤子买卖了它容不得有什么闪失啊因此呢 JPL 的工程师们就设计了一种比较新颖的办法那么就是利用火星大气层来减速
外来的飞行器被火星引力捕获以后呢那轨道呢往往都是长椭圆也就是近地点很近远地点很远你想要把轨道调节成远轨道啊就得在近地点减速近地点一减速给远地点呢就会往回缩这轨道呢就会变得比较圆
只要一次一次的慢慢减速远地点就会一点一点的缩回来最终呢就会变成绕着火星转小圈圈的这种圆轨道了当然了采用火星大气层来减速呢比较节省燃料而且想法的确是非常巧妙但是执行起来它就不是这么回事了有史密斯专员在啊你那个想省钱往往都是省不下来的
那年头 NASA 各个项目花钱总是超支你想的挺好的到最后一算账实际上花的钱并不止这个数
首先那发射费用就另算它要 6500 多万美元这个探测器呢还需要运行啊维护啊之类的少不得你得动用这个深空探测网络和探测器进行联系吧啊这也得花钱呢再加上后期还有数据分析费用最后前前后后加起来还是要花到 1.5 亿美元左右这钱并不少啊
那么这个火星全球勘测者它到底是干什么用的呢它的主要目标就是绕着火星一圈一圈的拍照片然后通过激光高度表来探测火星的地形起伏然后绘制一张高精度的三维地图高精度地图这个东西那就是为了日后一大堆火星着陆器做准备的大概一个月之后这 NASA 就要发射火星探路者探测器
这个东西呢是带了个火星车是可以在火星上到处溜达的这个火星全球勘测者还要充当这个信号中继工具所以呢这个探测器上还带了专用的转发器后续还有一大堆火星车项目啊这轨道上的中继卫星是肯定少不了的
就在 1996 年的 11 月 7 号这个火星全球探测者就从卡纳维拉尔角发射真空了足足飞了 10 个月中间经历了几次轨道修正这探测器才飞到火星然后呢就开发动机进行刹车减速最终进入了一个近地点 263 公里远地点 54026 公里的长椭圆轨道下一步呢就是利用火星的大气层减速来调整轨道了
首先要在远地点开发动机稍稍减速远地点一减速近地点的高度就会降低近地点的高度就从 263 公里降低到了 110 公里在这个高度上火星大气尽管非常稀薄但已经不能忽视了每次探测器飞到近地点都会减速远地点也就会缩减
按照计划呢经过几个月的调整最终这个轨道就会变成一个圆但是吧这个计划进行了一个月以后它就进行不下去了
为啥呢因为那个太阳能电池板呢被火星大气层给吹弯了这个探测器呢有两个长长的太阳能电池板大家可能在电视剧里边都看到过啊就跟宿朝官员的那乌纱帽差不多那两个帽衬那叫一口花章啊这个地面测控人员就发现吧有一边的那太阳能电池板呢从中间开始打弯了这太阳能板在火箭发射的时候它是折叠的
估计呢这个半途之中啊折叠机构出了什么毛病展开以后呢它不太结实结果利用火星大气层来减速的时候就等于有迎面的风吹过来嘛结果就把这太阳能电池板给吹弯了过去呢在金星测试过这大气减速后来就再也没尝试过了那时候没有这么长的这个太阳能电池板呢
谁知道这太阳能电池板会被吹弯呢是吧那地面上 JPL 的工程师还有测控人员一看哎呀不行啊赶紧开发动机在远地点加速把近地点滤滤给抬升了一点从 1998 年的 5 月份开始然后他们就通过开发动机来调整轨道切换到有利于晒太阳的轨道
补偿了因为一边那个太阳能电池板打弯嘛造成的这个损失就这样这颗探测器在比较高的轨道上晒了好几个月的太阳从 1998 年的 11 月份开始重新开始降低近地点轨道的高度然后利用火星大气来减速就这样折腾到了 1999 年 3 月份终于把轨道调整成了一个高度 380 公里的圆轨道
接下来呢就开始正式的一遍又一遍的画地图了如今我们看到的很多火星高清晰度的彩色照片都是火星全球勘测者的功劳
除了绘制火星表面高精度地图以外这个火星全球勘测者号还有其他很多重要发现比如说类似于地球表面液体流动造成的地形那地形看起来真的有点像山洪爆发那个水在山坡上冲下来冲出的各种沟槽但是吧在火星表面气温和压力都过低的情况之下液态水它是很难存在的
那这东西到底是什么冲出来的它到底是个什么水啊在当时是没有人知道的还有呢通过空中的摇杆数据探测器还发现了不少被掩埋的火山这儿原来是喷过的现在都被埋掉了另外勘测者号还拍摄到了正在发生的火星龙卷缝等等诸如此类的发现还有很多
当然了此时此刻这火星探路者号上的小车啊早就在火星表面安了家这个旅居者号火星车正在火星表面那溜达呢美国的这个火星探路者号探测器啊是 1996 年 12 月 4 号发射升空的总共就晚了不到一个月这个任务呢也是继海盗号任务 20 年之后人类探测器再次登陆火星
想当初那个海盗号可是出了名的贵 1974 年耗资 9 亿美元那年头那美元可值钱换算成 90 年代末的价格估计得 35 亿美元了可是火星探路者居然只花了 1.5 亿美元由此可见呢
这个多快好省型项目的确是比较便宜比当初便宜多了而且大家也发现了那一阵子 NASA 的这些探测器那价钱通通控制在了 1.5 亿美元那你既然要省钱所以这个火星探路者就根本没有过去的那套什么减速啦环绕啦再着陆的这个过程人家直接沿着双曲线轨道一头就扎进了火星大气层速度哪叫一个快啊
靠火星稀薄的大气层减速它根本就不够在这个底部那个防热大地烧石材料挥发殆尽之后这探测器的速度虽然降低了不少但依然是不算慢的
头顶上那个小小的降落伞在超音速气流之中被打开实现了进一步减速然后呢就是防热大地被抛弃四面锥体的这个探测器外壳就露出来了在距离火星表面只剩下 350 米高度的时候这四面锥的外边突然膨胀起了一大堆的气球
一个面是 6 个气球 4 个面一共是 24 个气球这个气球吹气的原理就跟汽车的安全气囊是一回事火药一炸立刻就把气给吹足了在抛弃了降落伞之后这个被一大堆充气球囊包裹的探测器就在火星上开始蹦的蹦的来蹦的去蹦了好远才停下来
这个缓冲着陆方案就比火箭反推它要便宜多了反正对这个地面的平整程度要求不算高你蹦的哪儿算哪儿反正到了最后这堆皮球终于它不蹦的了挺稳了这时候探测器里边主动刺破这些球囊泄了气这四面体的外壳就开始摊开了
里边包裹的这个旅居者号火星车就露出来了巧了这天刚好是 1997 年的 7 月 4 号美国的国庆日探测器的着陆地点就是在火星上的战神峡谷着陆的时间段呢恰好是在火星当地的晚上要等到白天这太阳能电池板能晒到太阳了才能进行通信而且通信也要通过太空里的火星全球探测者卫星进行中继
地面人员从接收到的数据来看怎么有个气球还鼓着呢所以地面人员就发指令让这个火星探路者号抬起那三角形的外壳把这个鼓起来的气球给它压扁了就这样旅居者号四面这个坡全平了这样呢就为旅居者号从三角形底座上下来顺利的铺平了道路
等到没问题了周围没什么障碍物了咱一慢二看三通过这旅居者号才慢慢悠悠从底座上开下来了算是正式的落地火星表面这个车不算大它重量只有 10 公斤尺寸只有 60 多公分它宽度跟一个客桌差不多这东西它开不快它只能慢慢溜的
通过传回来的画面来看周围有那么几块石头最近的一块石头浑身上下是大窟窿小眼的长得有点像地球上布满了藤壶的岩石所以大家就给这个大石头起了一个卡通名字叫藤壶比尔旅居者号就开过去了然后就用α粒子 X 射线光谱仪对这块岩石进行了分析检测
这个检测一块石头花的时间很长啊它差不多要十个钟头
原理就是利用α粒子和 X 射线对岩石进行照射这α粒子它不就是钛的原子核吗利用α粒子打在物质晶格上产生的散射以及 X 射线照射以后产生的荧光就可以判断出基本的成分从传回来的数据分析来看这块石头应该是一块氨山岩这种氨山岩是一种火山喷发的产物难怪身上那么多骷髅眼儿呢是吧
地球上的氨山岩多半出现在隐没带比如说咱们台湾岛上就有不少这是一种很普通的火山岩是大洋板块插进了大陆板块之下最后被送进地下深处的地漫层被重新融化然后随着火山喷发再一次被喷出地表
正因为岩石有一个重新熔融的过程所以里边含铁含铭的成分它就被沉淀到了地脉的深处它就没跟着一块喷出来所以安山岩的铁和铭的含量比较少二氧化硅比较多那在火星上发现了安山岩说明这块岩石也曾经发现过重新熔融
而且呢也不能只有它这么一小块是吧它得是一个大锅一大锅岩浆维持高温维持了很长时间才能造成含铁和含铭成分发生沉淀这样的话才能产生这块藤壶皮它的含铁和含铭量是很少那么问题来了火星上可是没有板块运动的哟那么这块岩石为什么会发生重新熔融的现象呢这个问题就值得好好研究咯
另外啊这个旅居者火星车一转头发现旁边有块圆头圆脑的石头啊这石头长得有点像黄石公园里面的瑜伽熊这些石头啊都是用卡通人物的名字给命名的这个旅居者号呢就转过身凑过去对这个瑜伽熊进行了成分的分析发现呢这就是一块玄武岩啊这块玄武岩那可比腾湖比尔更加原始而且呢这个家伙是圆不溜球的一
应该是那种经历过长时间水流冲刷形成的大号的鹅卵石它很可能就是被洪水给搬运到这儿的这也就说明啊火星上过去曾经是有大量的水的可是现在这些水都去哪了呢那这的确是个好问题有关这档子事我们下回再说科学声音