[航天史料]深空一号探索彗星

释放双眼,带上耳机,听听看~!

(选自天文爱好者2002年第一期。作者吴光节)

(一)为了探测波莱利(Borrelly)彗星

1998年10月24日,在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角火箭发射场,首次使用的德尔塔7326-9.5型火箭向着宇宙深处呼啸而去。表面上看,这似乎是一次载着航天飞行器的司空见惯的发射。这架航天飞行器的重量也只有486公斤。但是,只有美国宇航局内部的人才十分清楚这次发射的意义所在——作为美国宇航局新千年计划的一部分,它不同寻常,甚至它的名字就不同寻常,叫“深空一号”,简称DS1。

绝大多数空间探测器都会使用试验过并已经成功的技术,以尽量减少失败的可能。但是,对于耗资1.5亿美元的深空一号来说,它的任务本身,就是带着十几项新的、不成熟的技术,飞往宇宙深处进行试验。其中包括:一部功率2100瓦特、可供长时间连续使用的离子推进器,一个高功率太阳能板,以及在特殊情况下处理此项飞行任务的人工智能计算机软件。作为一个技术实验飞船,深空一号就是一个飞行中的实验室。

这次飞行,如果由地面人员操控的话,在某些情况下,他一定会像做噩梦一样束手无策。因为在深空一号上几乎做任何事情都可能会出错!但是,就像人们所说的:运气总是垂青于勇敢的开拓者。在近一年的时间内,深空一号试验过了它所有的不成熟的技术。简直令人难以置信,它们都能够工作,并且有很多都超出了设计的要求!比如说,深空一号的离子推进器,以成为历史上空间计划中使用时间最长的推进器系统。这真是一次巨大的成功。这些先进技术的成功使用,也为其他的空间计划节约了大笔的实验费用。它在1999年七月,还在27千米的高空飞越了小行星1992KD。1999年九月,就已经完成了它的主要任务。

深空一号的首席管理员马克·雷曼(Marc Rayman)在美国宇航局的喷气推进实验室领导着一个由科学家和工程师组成的小组。这些足智多谋的成员共同编织着他们五彩缤纷的航天梦。他们总能够想出新的东西来进行试验。甚至在他们最初的技术试验还没有完全完成之前,他们又在规划下一轮的科技冒险了。他们想让深空一号飞越一颗彗星。这件事以前只有很少的飞行器尝试过。的确,比起研究得比较好的大行星、小行星来说,彗星还是一个处女地。飞近一颗彗星,对于深空一号来说,似乎是很自然的一件事。

马克·雷曼说,当他们在1998至1999年为离子推进器试验点火的时候,他们就眼巴巴地盯着深邃的宇宙,思考着深空一号究竟还要飞往何处。他们最中意的目标是波莱利彗星(19P/Borrelly)。这是一颗令人非常感兴趣的彗星。当它于十九世纪非常近地经过木星以后,突然转向太阳飞去。自此,它在内太阳系每6.9年绕太阳运转一周,成为最活跃的短周期彗星之一。从地球上能够比较容易地观测这颗彗星。这一次,波莱利彗星将于2001年9月14日到达它的近日点,距离太阳只有1.36天文单位。粗略地说,它位于地球轨道和火星轨道之间。这个时候最适合与深空一号相会。

不过,这样一个构想首先要经过美国宇航局批准。马克·雷曼说,他们有很多好的理由,但是不一定会被正式批准。因为宇航局有很多重要的项目要做,而基金仍然是有限的。

(二)从“乔托号”到“深空一号”

在深空一号以前,只有一个航天飞行器在近距离内拍摄到彗星的图像,那就是欧洲空间局(ESA)的乔托号,它在1986年3月13日飞到了与哈雷彗星的彗核只有596公里的距离,拍摄到清晰的哈雷彗星彗核及其喷流的照片。显示出哈雷彗星的彗核是太阳系最黑的天体之一,这也成为乔托号最令人惊奇的发现之一。而在此之前,普遍认为哈雷彗星彗核的尺度只有五千米。观测的结果使它的个头成倍地增加了。不幸的是,在飞越彗星前方时,彗星的尘埃粒子击毁了乔托号的照相机,使它后来在1992年飞越格里格·斯克杰勒儒普(Grigg-Skjellerup)彗星的时候,尽管离得更近一些,但是它已经什么也拍不出来了。

在今后的一些年里,至少还有四个航天器——彗核探测器(CONTOUR)、星尘号飞船(star dust)、深度撞击探测器(deep impact)和欧洲空间局的罗塞塔号探测器(Rosetta),也将与彗星交会。科学家还不能确信乔托号所得到的经验是否可靠。雷曼说,彗星就像人一样,各有各的特性。你不可能研究某一个人就能知道整个人类,你也不可能研究一个哈雷彗星就能知道关于彗星的一切。通过访问波莱利彗星,就可以第二次在近距离内研究一下彗星。

1999年底,美国宇航局批准了深空一号可以访问波莱利彗星。因为它已经完成了它的主要任务,值得去执行一些尽管充满危险但有可能完成的任务。这时,波莱利彗星已经在向着近日点冲刺了。也就是在这时,灾难降临了。1999年底,正当深空一号向着波莱利彗星前进的时候,它的导航系统,也就是有着9度视场(大约为北斗七星的“勺子形”的范围)的恒星跟踪系统突然失灵。恒星跟踪系统是一架由计算机控制的照相机,它利用观测到的众多恒星的相互位置,同已有的星图进行对比,已确定飞行器的指向。没有了它,深空一号就可能成为一只无头苍蝇。

按理说,此时的深空一号已经超计划完成了预定的任务。它完全可以戴着胜利者的桂冠,退役于灿烂的星空中,自由自在地漫游。不过,喷气推进实验室的工程师们很快就拿出了解决方案。他们必须重新配置深空一号上原有的、刚刚试验成功的“MICAS(微型综合照相和成像分光光度计)”照相机,用它来承担恒星跟踪系统的任务。这听起来很简单,但却有很大的障碍。第一,MICAS照相机的视场只有满月大小,大约只有恒星跟踪系统视场的百分之一,这对指向精度有影响。第二,恒星跟踪系统原来每秒测量四次飞行器的指向;现在,MICAS照相机要20秒才能为计算机提供一幅图像进行分析。因此,MICAS照相机的工作效率至少要比原有的恒星跟踪系统慢80倍。它能够保证对飞船的准确导航吗?而且深空一号已经远离地球三亿公里了!唯一的办法,就是通过无线电通讯,把指令发给深空一号的计算机,告诉它飞船上发生了什么情况,要怎么做才可能把MICAS用来改造成恒星跟踪导航系统。这场战斗不由得令人想起阿波罗13号的拯救工作。深空一号的工程师们紧张地工作着,将编写的最新软件分为90个单独文件,于2000年5月30日开始发往飞船上的计算机。地面配有一架用来给深空一号发送指令和接收信号的34米口径的深空网络天线。而飞船上的天线口径只有30厘米。谢天谢地,在没有了恒星跟踪系统的情况下,他们早已有了一个成功的技术使飞船上的天线指向地球。

这是一次刻骨铭心的行动:时间紧,任务重;一个小小的错误指令就可能让深空一号永远迷失方向。2000年6月3日,飞船在收到了90个文件中的81个以后,突然引发了一次短暂的重新开机。深空一号的天线指向了太阳,重启了计算机,并自动删除了所有的新软件。工作异常紧张,工程师们立即对飞船进行调整,重新发送所有的软件。软件在三个星期内提前通过了测试,深空一号终于得救了!雷曼回忆说:“那是一次惊心动魄的救援,不过非常及时,深空一号刚好能够与波莱利彗星相遇。”

2000年6月28日,在MICAS照相机担当起导航系统任务之后,深空一号的目标指向波莱利彗星,重新点燃了它的离子推进器,开始了新的长达15个月的新旅程。从那时起,太阳风暴有两次使这个临时拼凑起来的导航系统发生了混乱。有一次,MICAS照相机曾试图去对准一颗根本不能对准的暗星。而每一次出现问题后,深空一号小组都设法使飞船恢复正常了。雷曼说:“当时我们感到压力很大,令人难忘。如果再有一次这种情况发生的话,很可能与彗星的交会就要失败。”幸运的是,这一切都已成为过去,2001年9月22日,深空一号如期与波莱利彗星交会。

在2001年九月,天文爱好者只要使用一架10厘米以上口径的望远镜,就可以容易地看到波莱利彗星。当时,它位于双子座,星等为9等,看起来是一个模糊的斑点,带着短而暗的尾巴。模糊而较大的斑点,是彗星的彗发,这是一个包在彗核外面的、延伸5万公里的气体云。隐藏在其内的彗核,只是一个有小行星尺度的、几千米大小的、由冰块、尘埃和岩石组成的混合体。它虽然很小,但却是我们所能见到的一切之源。彗核表面的冰,接受了太阳的光和热,迅速而剧烈地蒸发,喷溅出大量的尘埃和如同飓风般的气体喷流。这样一个巨大而可怕的旋涡,完全可能会把像深空一号这样的宇宙飞船置于死地。

与乔托号飞船不同的是,深空一号本来并没有计划要去与一颗彗星相遇。它没有建立足够的屏障来保护自己不受狂飞的彗星碎片的伤害。要知道,一颗仅有人的头发大小的彗星尘埃粒子,如果撞到深空一号上,就相当于地球上的一个保龄球的冲击。飞船在以每秒16.5公里的速度穿过彗发的时候,在大约一个小时的行程中,可能会受到数十次撞击,会使深空一号剧烈摇晃。

雷曼说:仔细寻找波莱利彗星的彗核在哪里的时间很短。我们的目的只是想在近八千公里的距离内拍摄到彗核向阳面的黑白照片。事实上这也并非易事。一旦深空一号跳进朦胧的彗发之中,MICAS照相机就需要停止跟踪恒星的任务,开始去寻找彗核。飞船上的陀螺仪,在失去MICAS照相机恒星跟踪导航的情况下,将尽可能地保持飞船的稳定。要知道,飞船同时可能受到彗星尘埃粒子的撞击,使它摇晃。谁也说不准结果会怎么样。因为人们并不知道波莱利彗星的彗核是否会像哈雷彗星一样的暗,还是要明亮一些?也不知道这个5x5x8千米尺度的彗核,到时候是横着的,还是竖着的?

如果MICAS照相机成功地瞄准了彗核,它不仅可以得到黑白照片。因为这台照相机还装有一个经过试验的红外摄谱仪,可以从很远的距离探测它的矿物成分。这样的设备在乔托号上面是没有的。也就是说,这一次科学家们不仅可以看到波莱利彗星是什么样子,还可以分析它的彗核的物质成分。

(三)探测波莱利彗核

当MICAS照相机紧张而狂热地对彗核进行研究的时候,深空一号上的很多其他探测器也将被重新配置,以便使它们搜集彗发周围有价值的资料,对波莱利彗星进行更多的研究。比如,离子引擎诊断传感器将用于监听气体彗发的等离子体波,并试图探测彗星的磁场。一个经过试验的质谱仪“PEPE(行星探测等离子体实验)”将证认气体中有什么原子和分子。1999年,当深空一号飞越小行星布瑞勒(Braille)的时候,就曾经将飞船上的很多传感器重新部署,用于取得观测资料。

深空一号能否完成这些数据的采集,能否完整无缺地穿出彗发呢?谁也说不准。但是毫无疑问的是,能够与波莱利彗星交会,本身就是深空一号非常有创新的大胆行动的成功。如果飞船被毁了,其他的航天计划将更加小心谨慎,并且感谢深空一号所做出的牺牲。如果它成功了,它将向地球发送无价的科学信息。雷曼说:这次计划充满了冒险,很多东西在最初的计划中都没有了。但如果你不想冒大的风险,你就不会中大奖。

2001年9月22日,交会的这一天终于到来了。在深空一号与彗星交会前几小时,离子电子监视器开始观测彗星的周围环境。在飞船经过近彗点一个半小时之前,红外分光仪开始采集数据。在过近彗点32分钟前,开始拍摄黑白照片。在飞船飞越彗星的两分钟前,撤掉了照相机,启动离子电子监视器,仔细地探测包裹着彗核的内彗发的尘埃气体云。北京时间9月23日凌晨六点半,深空一号飞船在距离波莱利彗星冰冷的岩石核心只有2200公里的距离掠过,成功地完成了穿越波莱利彗星彗发的、充满了冒险的旅程。它拍摄到了至今最清晰的彗核照片。波莱利彗星完全就像一个保龄球弹子。照片上每个像素所对应的尺度只有45米。彗星表面变化多样的地形和表面质地清晰可见。经过了高反差处理的照片,显示出彗核表面有好几处喷流。这些图像比1986年乔托号飞船拍摄到的哈雷彗星的图像还要好。飞船上四台仪器全部开动,测量了盘旋在彗核周围的气体的化学成份,也揭露了这些气体与太阳风相互作用的新信息。雷曼非常高兴地说:“在精心呵护着这只年老而受伤的鸟多年以后,这样一个本来没有进行装备、没有打算去探测彗星的飞船,能够超出计划,圆满地执行非常复杂而充满风险的任务,真的难以置信。”他的队友、深空一号成像系统负责人索德布罗姆(Soderblom)博士说:“那是令人不知如何应对的惊人结果。这些图像告诉我们,彗核远比我们想象的要复杂得多。它有着高低不平的地形,平滑起伏的平原,深深的裂痕,以及非常非常暗的物质。”

波莱利彗星的实际情况,与科学家想象中的尘埃气体彗发是不同的。他们原来认为,从太阳抛射出来的带电粒子流(即太阳风)在流经彗发周围的时候,对于彗核中心来说是对称的。事实上太阳风对于彗发的气体云来说,的确是对称的,但是彗核则偏向有较大喷流的一边。这些喷流形成了从地球上就可以看到的彗星云状物。

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2 条回复 A文章作者 M管理员
  1. 守夜人天文爱好者

    你的文章都很优质,但文字为啥都是各种颜色的?😥

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