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      不死鳥的傳奇

      2019-02-06 04:00:11鸑鷟鹓鶵
      科普童話·百科探秘 2019年11期
      關鍵詞:信標小行星姿態(tài)

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      生死未卜,義無反顧,這使得航天探測器的旅程多少有些悲壯,然而卻有這樣一個幸運兒——不向命運屈服的“隼鳥”,在探索一片從未涉足過的陌生小行星時,“身體”不幸受到巨大摧殘,甚至和地面失去了聯(lián)系。在這樣的情況下,大難不死,歷時三年重返地球,成就不死鳥傳奇的,就是“隼鳥”號小行星探測器。

      目標:“絲川”

      “隼鳥”號是一顆看起來很樸素的探測器,長1.6米,寬1.1米,高1米,重量也只有510千克,而通常相同壽命的人造地球衛(wèi)星重量在一兩噸左右。

      不過,“隼鳥”號樸素外表的背后卻包含著很多的新技術,這些尚未成熟的新技術既賦予了探測器新的活力,也成為“隼鳥”號最終傷痕累累的重要原因。

      另一個不同于當時的絕大多數(shù)探測器的地方是,“隼鳥”號的探測目標是一顆名不見經(jīng)傳的小行星,而在此之前,大多數(shù)熱門天體都是大行星。

      選擇小行星,是經(jīng)過天文學家們深思熟慮的。小行星們就像太陽系的“時間膠囊”一樣,保存著太陽系早期形成之時的信息,很可能為我們了解太陽系的形成和演化提供重要的痕跡和線索。

      最簡單的例子是,盡管地球已經(jīng)四十多億的高齡了,但在地球表面找到一塊30億年前的巖石十分困難,而在月球上找一塊古老的巖石要容易得多,在小行星上,則遍地都是古老的巖石。

      “隼烏”號選擇的小行星尤其袖珍,目標小行星編號25143號“絲川”,是一個僅有535米長、294米寬和209米高的大“土豆”,相當于l6座胡夫大金字塔。它也是人類主動探測的最小的一顆天體。

      新技術加身.

      小行星“絲川”并不位于我們所熟知的,介于火星和木星之間的小行星帶,而是一顆阿波羅型小行星。這類小行星主要分布在金星和火星的軌道之間,它們的軌道和地球軌道有交點。也正因為如此,部分阿波羅型小行星接近地球的時候距離非常近,比較容易探測。

      “隼鳥”號于2003年5月9日從鹿兒島航天中心發(fā)射升空。好景不長,發(fā)射后不久,超強的太陽黑子爆發(fā),“隼鳥”號部分太陽能帆板失效,太陽能電量供應下降。雪上加霜的是,之后它的蓄電池也掛了,所以只能靠太陽能帆板提供全部的能量。但是,這個故障對于“隼鳥”號的際遇而言,還只是命運的開胃小菜。

      為了實現(xiàn)低成本、低燃料消耗,“隼鳥”號使用了一個新技術——離子推進發(fā)動機。這款發(fā)動機并不是在“隼鳥”號上首次使用的,但長時間使用和驗證離子推進發(fā)動機的卻不多見,這也是“隼鳥”號的一個科學目標。這種發(fā)動機的推力比常見的化學能發(fā)動機要小得多,非常節(jié)省燃料。不過“隼鳥”號的曲折經(jīng)歷無一不和離子推進發(fā)動機有關,我們可以看到這項新技術是如何像蹦極一樣,將“隼鳥”號推進深淵,又從深淵里拉回。

      失敗的第一次碰觸

      2005年7月29日,“隼鳥”號的儀器首次拍攝到目標小行星“絲川”,這標志著“隼鳥”號已經(jīng)快要接近目的地了。

      一切似乎都非常順利。

      然而僅僅兩天后的2005年7月31日,“隼鳥”號就出現(xiàn)了第一個大問題——×軸姿態(tài)控制失靈,這相當于一架不能控制向左右轉彎的飛機。

      現(xiàn)代的航天器大多采用的是三軸穩(wěn)定的方式,即通過內部控制器的調整,穩(wěn)定航天器在xyz三個坐標軸上的方位,保證航天器在漫無邊際的空間中維持自身的相對穩(wěn)定。

      壞了一個方向控制的情況并不算糟糕,“隼鳥”號還可以用自己的發(fā)動機調整自身姿態(tài)。

      2005年9月12日,“隼鳥”號離目標小行星“絲川”僅相距20千米,官方宣布“隼鳥”號順利抵達目的地。

      然而禍不單行,10月2日,“隼鳥”號的y軸姿態(tài)穩(wěn)定也失靈了。

      病情加重的“隼鳥”號并沒有醫(yī)生,所以它只能繼續(xù)硬抗。

      進入11月,“隼鳥”號開始多次嘗試著陸。由于著陸時通信天線無法對準地球,因此這段時間地球和探測器之間是失聯(lián)的。外加上此時地球和小行星“絲川”之間距離較遠,光速的信號傳輸也會有幾分鐘的延遲。

      這就導致了地面并不知道“隼鳥”號的情況,不知道“隼鳥”號是否有條件著陸。于是,你不知道它有沒有著陸,你也不知道你發(fā)過去的指令有沒有生效,只有它發(fā)給你消息時,你才知道它有沒有著陸。

      11月12日,“隼鳥”號下降到了距離小行星表面僅55米的地方,原本準備著陸的“隼鳥”號發(fā)生了故障,停在了半空中,不知情的地面工作人員錯誤地評估了此時“隼鳥”號的狀態(tài),人為操縱釋放了1斤重的微型著陸器“Minerva”。不過著陸器仍然距離地表太高,而“絲川”小行星自身的引力非常小,因此,在這個高度下釋放的“Minerva”逃逸到了太空,著陸器的著陸失敗了。

      11月20日,“隼鳥”號首次“觸摸”到了小行星“絲川”。當時,“隼鳥”號因為不明原因的故障而在10米高的半空中停留,并進入安全模式。此時地面發(fā)出了放棄著陸和上升的指令,還沒等“隼鳥”號收到這一指令,“隼鳥”號自行降落在了小行星“絲川”的地面上。

      隨后在上升狀態(tài)中,“隼鳥”號收到了來自地面的上升指令,地面收到了“隼鳥”號的著陸狀態(tài)確認,難以形容此時地面工作人員的復雜心情。著陸后,“隼鳥”號迅速上升,離開了“絲川”。

      失聯(lián)了

      11月25日,“隼鳥”號第二次“觸碰”到小行星“絲川”。

      就在之后的第二天,病情加重了!“隼鳥”號本身就已經(jīng)有兩個方向的姿態(tài)穩(wěn)定失靈,不得已依靠發(fā)動機的推力來維持平衡。

      而不幸的是,“隼鳥”號的燃料已經(jīng)泄露多時,主發(fā)動機沒有足夠的燃料可用,一時無法及時調整“隼鳥”號自己的姿態(tài),姿態(tài)逐漸失控。而姿態(tài)的失控將意味著“隼鳥”號的天線無法對準地球,和地球的聯(lián)絡可能中斷。

      局勢越來越惡化,主發(fā)動機幾乎處于棄療的狀態(tài).12月8日,最不愿意看到的事情還是發(fā)生了,“隼鳥”號與地球失聯(lián)了!

      不拋棄,不放棄,成為接下來的奮斗目標。這不僅是對地面工作人員的勉勵,也是對“隼鳥”號的期待。

      “隼鳥”號在失聯(lián)狀態(tài)下,姿態(tài)會持續(xù)不穩(wěn)定,然而在這些不穩(wěn)定狀態(tài)中,“隼鳥”號可能會處在一個特定的范圍內,這一范圍內的姿態(tài)下“隼鳥”號是可以與地球進行短時間聯(lián)絡的,這時候地面工作人員就可以嘗試人為啟動離子推進發(fā)動機。

      另一方面,地球自身也在公轉,因此地球的視角也在不斷變化??偠灾?,就是希能幸運地能因此聯(lián)系上正在亂轉的“隼鳥”號,希望亂轉之中也能逐漸恢復有序。

      地面此時能做的,就是不斷搜尋可能由“隼鳥”號發(fā)出的信標信號,并寄希望于“隼鳥”號能夠調整回一部分姿態(tài),能夠朝向地球哪怕一小會兒。

      等待的過程是煎熬的,很多探測器在失聯(lián)之后就從此杳無音信。工作人員并不知道自己需要等待多久,大家也不知道遙遠的“隼鳥”號此時此刻正在經(jīng)歷著什么樣的煎熬,這是一個重病纏身,卻又倔強的“隼鳥”號。

      2006年1月23日,經(jīng)歷了46個日日夜夜的失聯(lián)之后,地面最終等到了來自“隼鳥”號的信標信號?!蚌励B”號沒有放棄自己,地面也不會。

      收到信標信號是一個好的苗頭,說明“隼鳥”號的系統(tǒng)還在正常工作,姿態(tài)調整還具備一定的功能。于是地面使用了一個最簡單的方式來看看是否能控制“隼鳥”號,地面讓“隼鳥”號發(fā)送另一個信標信號,3天后,地面收到了另一個信標信號,“隼鳥”號做到了!

      2月6日,根據(jù)地面的指令,“隼鳥”號啟動了離子推進發(fā)動機,一步一步進行姿態(tài)校準和控制,將天線對準地球?!蚌励B”號的通信天線和大型衛(wèi)星電視天線是接近的,都是幾米寬的拋物面天線,長得像是一口鍋。人們用這口鍋接收衛(wèi)星的信號,“隼鳥”號也用這樣的一口鍋與地面通信。

      2006年3月7日,官方正式宣布再次與“隼鳥”號恢復正常聯(lián)絡,“隼鳥”號大難不死,置之死地而后生。

      然而“隼鳥”號還有個終極目標——返回地球。“隼鳥”號那病入膏肓的身體還能夠繼續(xù)這趟旅程嗎?

      發(fā)動機的勉強支撐

      即使是完全正常工作的探測器,地球的往返票并不像火車往返北京和上海之間那樣有軌道,也不像飛機那樣有航線,畢竟北京和上海不會長腿跑掉,因此路線的設計會簡單得多。

      但是地球、“隼鳥”號和小行星“絲川”都是不斷高速運動的,高到可以使用km/s的單位來描述,在這么快的速度下往返天地之間的難度可想而知。

      對于“隼鳥”號這樣經(jīng)歷了這么多坎坷和風雨的游子來說,回家或許意味著更多。人們也期待“隼鳥”號能夠回家,也期待著“隼鳥”號帶給我們來自外星的禮物。

      2007年4月25日,“隼鳥”號開始回家旅途的第一次變軌。

      2009年11月4日,離子推進發(fā)動機D故障。禍不單行的是,發(fā)動機D完全故障時,還有兩臺各壞了一半,發(fā)動機A和B分別有一部分器件故障。

      “隼鳥”號一共有四臺離子推進發(fā)動機,分別編號為A、B、C、D,原本預計有一臺做備份,現(xiàn)在卻只有一臺完好的發(fā)動機。

      幸好A和B壞的部分不一樣,地面工作人員將A和B正常工作的部分拼湊成了“一臺”可用的發(fā)動機,最終的“隼鳥”號僅剩這兩臺可以使用的發(fā)動機。而經(jīng)過技術人員的計算,這幾乎是勉強能使“隼鳥”號返回地球的最低發(fā)動機配置了。

      身殘志堅的“隼鳥”號憑借著微弱的動力和強大的毅力,一步步靠近地球。這一路,“隼鳥”號走了三年。

      2010年6月13日,本來有機會漂泊太陽系的“隼鳥”號主體也選擇了回歸地球,不過這項選擇的代價是墜入大氣層燒毀,“隼鳥”號的再入畫面十分絢爛,高速摩擦產(chǎn)生的視覺效果如同高空的煙花一般絢爛,“隼鳥”號在煙花中完成了自己的使命。

      最終,“隼鳥”號返回艙安全著陸在預定的澳大利亞沙漠中,不死鳥回家了!

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