探测器列传:04.否极泰来

文摘   2024-09-13 08:39   加拿大  

上文书讲到了水手1号和2号金星探测器。水手1号失败了,一头扎进了海里。但是水手2号还是比较成功的。尽管一路上,经常出故障,但是好歹还算是按计划飞到了金星附近,传回了不少有用的数据。

金星探测器周期很长,并不是发射成功了就算胜利。但是老百姓不管那一套,美国的探测器结二连三的出毛病,老百姓也不满意。这不是浪费纳税人的钱嘛。原本徘徊者5号按计划是在6月份发射,但是因为舆论压力太大,NASA决定推迟到水手系列探测器发射之后再说。

现在水手2号探测器发射成功,NASA觉得自己又行了。赶快趁热打铁,赶快把徘徊者5号提上了计划列表。徘徊者5号当时在卡那维拉尔角的库房里已经等了些日子了。说实话,要不是水手2号发射成功,这个徘徊者计划能不能继续下去都难说。

喷气推进实验室本来就被上级NASA骂的狗血喷头。水手2号其实和徘徊者探测器采用的平台是同一个,只是水手2号做了简化。看来这个平台没问题。只需要小修小补就能继续发挥作用,JPL的信心也上来了。

徘徊者4号

那么我们就得回过头来解释一下徘徊者4号出了啥问题。因为故障发生在监控的盲区,JPL也不知道出了什么具体的毛病。按理说,在地面测试的时候没发现任何问题。所以工程师们只能对照遥测记录,看看失去联系是在什么时候发生的。比对以后,大家发现,似乎是在探测器和阿金纳上面级分离以后就出了毛病。可能是探测器和阿金纳上面级之间的电气连接被断开的时候,内部电源没跟上。JPL的技术人员判断,可能是电线在断开的事后,电线发生了短路,导致探测器内部断电了。

所以,JPL的工程师对徘徊者5号做了改进,比如在电源线上加了保险丝和二极管,即便是出现了短路,保险丝会马上熔断,不至于一直短路下去。另外,内部加了一个备用定时器,保证探测器的计算机能按计划定时启动。另外,还要增加一个氮气瓶。这个探测器是依靠高压氮气来控制飞行姿态的。多加一个高压气瓶,这样每个气瓶的压力就可以降低一点,这样更加安全。

当然,整个探测器,都要在125度的温度下烘烤一遍,等冷下来之后,用酒精擦拭所有的零部件,全部消毒。最后再用环氧乙烷把整个探测器浸泡一遍。这个消毒过程就是为了防止任何微生物掉到月球上。当时谁也不知道月球是不是能适合微生物繁殖。万一地球生物污染了月球,那可不是闹着玩儿的。

但是,这一次,JPL的团队反对这种消毒措施,他们认为这种措施会破坏敏感的电子元器件。增加失败的概率。最后NASA的高层同意了取消消毒环节。但是徘徊者5号和后续的6号7号已经完成消毒过程了,要取消这个步骤,只能从8号开始了。

徘徊者5号从加州理工的JPL运输到佛罗里达州的卡纳维拉尔角需要一个运输过程。所以JPL的工程师早早的就押着探测器上了路,运输过程还算顺利。水手2号发射这天,徘徊者5号就已经运到卡纳维拉尔角的仓库里了。能不能按期发射,一来看火箭什么时候装好,二来看水手2号是不是发射顺利。还不错,水手2号顺利发射,看来霉运过去了。

徘徊者5号在卡纳维拉尔角的库房里等待了差不多两个月,这才轮到发射。这一次,宇宙神火箭又一次出了毛病,信标机依然不正常,轨道再次出现偏差,上次水手1号就是这个毛病,到现在徘徊者5号,还是没改好。但是,后边全靠阿金那上面级比较给力,硬给救回来了。随着阿金纳上面级的关机,徘徊者5号顺利的和阿金纳上面级分离,准确的进入去往月球的轨道。

徘徊者5号发射

在徘徊者5号发射75分钟之后,它的太阳能电池板再一次出现短路故障。尽管电路上有保险丝,有防止电流逆流的二极管。可以保证电池不烧毁,但是,太阳能板供不上电,徘徊者只能使用机内备用电源,支撑不了多长时间。最后徘徊者5号耗尽了机内的电力,最终失去了联系。

NASA的地面测控站依然监视着徘徊者5号的轨迹。还是老办法,监控着陆器里面的那个小无线电的信号。徘徊者5号距离月球最近的时候仅有724公里。这说明轨道还是蛮准确的,但是肯定无法传回任何有用的数据了。徘徊者5号成了一颗绕着太阳公转的人造行星,尽管上面的仪器已经无法工作了,地面测控站一直追踪这家伙到127万公里的遥远距离才丢失信号。

徘徊者5号又失败了,NASA高层快疯了。这到底是怎么回事,刚想露脸,就把屁股露出来了。喷气推进实验室的主管皮克林更是崩溃。剩下8年时间就要登月,这倒好,美国人连无人探测器都搞不利索,这还谈什么有人的登月飞船啊?

皮克林一口气把徘徊者计划的高管全都给撤了职。在这样下去不行啊。看来,问题出在整个实验室,这是系统性的问题。问题出在哪里呢?发现范·艾伦辐射带的那个范·艾伦道出了问题所在。JPL的工程师都是技术天才,都富有极客精神。但是,他们奉行的文化是“先发射了再说,剩下听天由命”。您这是研究探测器啊,还是研究主动雷达制导导弹啊?您这是玩儿“射后不理”是吧!这纯属的态度问题。

徘徊者6号

恰好在此时,古巴导弹危机爆发,吸引了公众的注意力,算是给NASA留出了一点整顿的时间。所以,JPL开始了一场有关技术和质量的大整顿。希望不再犯这种低级错误。新一代的徘徊者6号也在紧锣密鼓的研制之中。徘徊者6、7、8三个探测器采用的是同一个平台,可以被称为徘徊者block3。虽然整体外观变化不大,但是内部加强了冗余,内部安装了第二组电源。太阳能电池板也做了改进,两块太阳能板彼此隔离,省得一边短路两边电池都玩儿完。

同时block3去掉了月震仪,空出来的地方都用来装摄像头,探测器上的摄像头增加到了6个,而且分辨率也比以前的更高。经过改进,block3的重量达到了366公斤,这几乎是阿金纳B上面级的运载极限了,不能再重了。

就在1963年的11月份,肯尼迪总统遇刺身亡。公众的吸引力又一次被这件突发事件所吸引。继任总统的林登·约翰逊下令调查肯尼迪遇刺案。这件事前前后后调查了好几个月。徘徊者6号就是在这种氛围之中发射的。1964年的1月30号,徘徊者6号从卡纳维拉尔角发射升空。这一次,火箭没出什么幺蛾子,顺利把徘徊者6号送进了地月转移轨道。16小时以后,地面发出修正指令,徘徊者6号完成轨道修正。这一次徘徊者6号一直在稳定工作,果然也没出什么幺蛾子。

2月2号,徘徊者6号探测器以每秒2公里的速度到达距离月球表面2000公里的高度,按照计划,高分辨率相机要开机传回图片。但是地面测控中心的人发现,摄像机根本没反应。最后,徘徊者6号探测器一头撞上了月球表面,地点就在静海,也就是日后阿波罗11号登月的地点。撞击点距离预定地点的距离仅仅31公里,可见导航还是非常精确的。但是有用的图像数据是一张都没传回来。

在工程师们看来,徘徊者6号已经算是比较成功了,除了摄像头。其他的仪器和设备从头到尾都没掉链子。不过,从公众和科学界的角度来看,这是NASA连续第7次登月任务失败。这比中国队踢0:7还难看呢。于是NASA和JPL又一次被骂的狗血喷头。就你们这水平,对得起已故的肯尼迪总统吗?那一阵子公众的心情也不好,还没从肯尼迪总统去世的悲痛之中走出来,看着NASA气儿就不打一处来。

至此,徘徊者计划几乎到了死亡的边缘了。NASA决定,现在已经造好的几枚探测器打完就算了,后续的不造了,这一下就给原本庞大的徘徊者计划来了个“腰斩”。

接下来,NASA总部成立了另一个调查委员会来调查这次事故。在新的调查结果出来之前,后续探测器全部暂停发射。一直到1964年3月中旬,NASA发布了报告,反正就是说,摄像头系统尽管看上去冗余很多,足足安排了6个摄像头嘛。但是其实很多摄像头是并线设计,两个摄像头用了一根传输线,起不到冗余的作用。反正厚厚的一本报告,有75页都在论述摄像头系统的问题。似乎其他部分都是没问题的。

徘徊者6号发射

但是,很快,工程师们发现,这事儿没那么简单。工程师们仔细观察了宇宙神火箭的发射过程,当时是有电影机拍摄记录的。他们发现火箭可能排放了51公斤的液氧和30公斤的煤油,当然,这些燃料不是同时排放的。这些燃料排出去以后形成了雾状,被火箭的火焰给点燃了,形成了一个爆炸冲击波。火焰似乎是沿着火箭的某些开口,刚好吹到了摄像机系统某些针脚。这一吹,可就出大麻烦了。

大家要明白一个知识点,火焰是导电的。火焰就是一团气体嘛,其中有不少气体是已经被电离的等离子体。大家看没看过修理电脑啊,拿螺丝刀往开机的针脚上捅一下,电脑就开机了。这一次巧了,火焰刚好吹到了摄像机系统的开机针脚上。就相当于拿螺丝刀捅了一下,摄像头系统提前开机了。

有人可能觉得这个问题不大,不就是提前开机了嘛,这有啥啊?巧了,摄像头系统用的是独立的电源,和主电源不连着。您这一提前开机,那可就提前把电给耗光了,你说这不是倒霉催的嘛。

其实发射以后,地面的工作人员也想到,要对摄像头系统进行检查。但是这个系统设计有个问题,那就是这个探测器就是一枪头买卖。撞击月球之前,开摄像头,开了机也就不需要关机了。一直到电耗光或者是撞上月球为止。提前开机检查,就等于是提前耗光了电,所以根本无法检查。有电没电就是它了。

徘徊者7号

好了,知道毛病在哪里,就好解决。这一次JPL也到了背水一战的地步。再要搞不定,那就不是挨骂的问题了,后续计划全部撤销,JPL就得喝西北风了。这一次,工程师们进行了更为严格的测试,包括对火箭也进行了严格的检查。1964年7月份的这次发射,工程师们还是提心吊胆的。尽管宇宙神火箭的助推器依然还是排放了一部分燃料,形成了一小片云雾。但是这一次摄像头系统没有提前开机。算是经受住了考验。

发射过程非常的顺利,7月29号,在地面的引导之下,探测器实现了轨道微调,这一次撞击的目标是风暴洋。这一次,摄像头设定的开机时间相对比较早。太平洋夏令时上午6点09分,第一张图像到达地球,马上就被传回了位于加州帕萨迪诺的喷气推进实验室。

徘徊者7号传回的第一张图片

此后,一张张图片陆续传回来,摄像头忠实的记录下了探测器撞击前的画面。6:25探测器撞上了月球,一切信号都停止了。JPL的工程师们高兴坏了,整个实验室里几乎都开始了狂欢。真的太不容易了,喷气推进实验室终于打了一个翻身仗。你就听吧,当时JPL实验室里到处都传出开香槟的声音,这帮人实在是憋屈太久了,今天终于可以释放一下。

因为航天活动不可控的因素太多了,因此也形成了不少禁忌和习惯。这次徘徊者7号任务,恰好有人在控制室吃花生,前几次没人吃花生就失败了,这次有人吃花生,就成功了,看来花生能带来好运啊,从此以后NASA的控制室里总会搞一个盛大的开大桶花生的仪式,这个传统就是从徘徊者7号开始的。

我记得当初,有网络游戏公司服务器上新版本之前还得在机房烧一炷香,这都是被稀奇古怪的BUG给折腾的。不确定性越高,稀奇古怪的禁忌就越多。

徘徊者7号上的摄像头

徘徊者7号上一共是6个摄像头,都是成双成对,互为冗余备份。全扫描相机“F链”由一对摄像机组成,可提供1152行图像,每台摄像机每5秒钟提供一张图像。“A”相机的宽度相对较宽,有25°的视野,相当于85mm长焦,而“B”相机有一个更窄的8°视野,相当于300毫米的超长焦了。

快速扫描相机“P链”由4台相机构成,也是分为长焦和超长焦两组。特点是分辨率低,只有300线,但是速度快,可以每秒钟传输5帧图像。

当然,这一次,徘徊者7号为每一台摄像机都配备了独立的电源、传输线和无线电,就是为了防止上一次的问题再出现。这一次这些摄像头表现良好。在撞击前17:30,F链摄像机开始拍摄,14分钟时P链摄像头开始工作。前后总共传输了4000多月球表面的照片。JPL拿到这些数据以后,还得经过滤波处理,去掉乱七八糟的噪音,最后进行判读。当然啦撞击前的最后几张照片的价值最高,因为距离最近,分辨率最高。

徘徊者7号的项目科学家
左起:亚利桑那大学行星科学家伊文·惠特克首席实验员柯伊伯、JPL工程雷蒙德·希科克

JPL的人把照片拿给柯伊伯看,他们行星实验室的人是专家。尽管看上去月球表面坑坑洼洼的。但是柯伊伯老爷子还是发现,月球上存在特别平坦的表面,看上去适合航天器降落。至于地皮是软是硬,这就不知道了。柯伊伯计算了一下,月球表面的土壤的承受能力大概是每平方英寸承受1公斤左右,还是可以供航天器登陆的。

这东西到底是怎么算出来的呢?其实也不难,照片上找块大石头,估算一下被土壤埋了多少。识别一下这块石头是什么类型的岩石,可以估算出这块石头有多重,就可以反推,石头下边的土壤有多少承压能力了。

NASA向公众宣布徘徊者7号的成功消息,正是由柯伊伯老爷子宣布的。媒体宣传肯定也少不了,专家学者也都要上电视给公众做介绍,柯伊伯那些天没少在媒体上露脸。接下来他还有的忙呢,因为他还要跟地质调查局以及空军配合,在美国各地寻找地形地貌跟月球表面相似的地方。月球与行星实验室的人员也开足马力,新鲜出炉的各种月球照片进行逐一分析,因为这些分析都跟月球的起源和演化密切相关。

自从徘徊者7号以后,喷气推进实验室头上的霉运就已经一扫而空了。徘徊者8号和9号相继发射成功,徘徊者8号拍摄了7000多张图像,徘徊者9号还实现了撞击月球的现场直播。上百万的美国观众看到了探测器是如何撞击月球的。月球表面到底是个什么样子。

如今我们去回顾徘徊者计划,喷气推进实验室真的是没少吃苦,一开始走霉运,连喝凉水都塞牙,美国人在探月上可以说是七连败。但是他们还是经受住了这份挫折,JPL慢慢的找到了感觉,懂得了如何与无人探测器,与太阳系里大大小小的星球打交道,而且还喜欢上了和这些星球打交道。

到此为止,徘徊者计划顺利结束,NASA紧锣密鼓的就展开了下一个探测计划,也就是“勘测者”计划。咱不能总是一头撞下去对吧,咱们总是要在月球表面软着陆的对吧。载人登月总不能撞上去对吧。勘测者计划的目标就是在月球表面软着陆。当然,这个探测器就比较大了,宇宙神-阿金纳火箭肯定是运不动了。肯定要等待新的宇宙神-半人马座的组合才能运输。

就在这个档口,从苏联传来一个消息,苏联的月球9号探测器成功的实现了在月球上的软着陆。JPL的工程师顿时感到脖子上的绳子又被勒紧了一圈,这才松快几天啊。我们下回再说。

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