上文书我们讲到了美国的先驱者10号探测器,这个探测器创下了很多个第一,比如第一个进入太阳系逃逸轨道的航天器。第一个飞越火星轨道的航天器,第一个飞过小行星带的航天器,第一个飞过木星轨道的航天器,第一个越过海王星轨道的航天器。第一个使用核电源的航天器,这些记录并不是一次创建的,而是随着时间的推移,探测器飞得越来越远了。
先驱者10号拐弯示意图,中心绿色小点是木星,其他的是木星的卫星
先驱者10号的重量只有两百多公斤,这个探测器其实很小所以根本没有足够的燃料用来刹车,也就没办法进入环绕木星的轨道,那么如果要尽量多探测一下木星,尽量多绕半圈,因此借助引力绕的这个发夹弯就非常的弯了。而且为了绕这个几乎120度的大弯,探测器就必须尽量接近木星,先驱者10号几乎是擦着木星的云层拐了这个发夹弯。
先驱者10号上的偏振光望远镜(照相机)
正因为距离近,所以拍的照片要比地球上用望远镜拍的照片要清晰多了。但是,我要说但是,这个相机实在是太差劲了。这个相机是多少像素的呢?对不起,只有一个像素。这东西就是一个小口径望远镜,口径1英寸,还没个眼镜片大。里边有一组偏振光分光镜,然后还有红蓝滤光镜,最后光信号被传递到一个传感器上。这东西几乎没办法成像,只能测量偏振光。
但是,你别忘了先驱者10号是自旋稳定,整个探测器像个陀螺一样在自转。随着自转,这个小望远镜本来就在对着周围进行一维扫描,只要用机械装置再给它加上第二个维度就OK啦。所以,这个望远镜被安装在一个转轴上,可以快速摆动,配合自转,就可以完成2维平面扫描了。信号数据经过处理,木星上一个300公里大的区域,对应一个像素。没办法,这就是这台相机的极限了。
相机扫描示意图
所以啊,先驱者10号发送回的图像有些只有200多像素,非常依赖后期的数据处理和拼接。这个分辨率放在今天根本就不够看的。但是在当时来说,这已经是最清晰的木星表面的照片,科学家们就是从这种照片上第一次看到了大红斑的结构。
你可能奇怪,美国人为啥就不好好的装一台正常点的相机,非要用这种扫描仪呢?这个我只能猜测,因为先驱者10号太小了,只有200多公斤,因为受到火箭运载能力的限制,最后必须多加一个固体助推器,才能保证探测器起步阶段就能达到太阳系的逃逸速度。没办法,探测器本身就没办法造大了。
既然探测器本身斤斤计较,这个偏振光探测器能一物多用,既可以当照相机,也可以用来进行光谱测量,当然就比较有优势,这个设计也算是结构巧妙了。但是,这种照片看着很不过瘾。没办法,只能多忍几年,下一颗探测器先驱者11号跟先驱者10号几乎一模一样,拍照质量没有什么改善,要想过眼瘾,只能等到更后边的旅行者计划了。
先驱者10号拍摄的木星局部,很明显是一行一行扫描出来的
先驱者10号拍摄了500多张照片,用无线电发送回地球,起码要90分钟才能收到地球的反馈。距离远了,延迟太大,通信速度极低。这次计划执行的还算不错。只是对木星磁层引发的强辐射估计不足,通信受到了干扰。各种仪器全都爆表了,读不出数据。探测器也收不到指令,所以没有拍到木卫一的照片。但是拍到了木卫四、木卫三和木卫二。
先驱者10号在离开了木星以后,奔着太阳系的外侧飞去。1976年,这个探测器会先路过土星轨道,但是这次不凑巧,土星不在。当时土星在太阳另一侧。不过呢,先驱者10号还是发现,木星的磁尾能够一直延伸到土星轨道,长度几乎达到8亿公里,比地球的磁场强多了。
木星磁层和太阳风相互作用
我们都知道,地球拥有一个比较强的磁场。保护我们不受太阳风高能带电粒子的侵袭。同样木星也拥有一个非常强的磁场。从太阳方向来袭的高能带电粒子会冲击木星的磁场,正面会形成一个弓形波。木星身后会留下一个长长的尾巴,也就是所谓的磁尾。外形有点像个做实验的试管,反正在这个区域内,高能电子是几乎进不来的。地球的磁尾长度撑死了只有几百万公里,木星的磁场太强,这个长尾巴一直绵延了8亿公里,一直延伸到了土星的轨道。
此后呢,先驱者10号就一直在飞,核电池虽然功率越来越小,但是还能勉强支持工作。就这么飞了30多年。一直到2003年,先驱者10号在距离地球122亿公里的地方发回了最后的信号,然后就没消息了。这个信号足足花了11小时20分才传回地球,大家想想这是多远的距离了。
对于这么大的数字,大家大概没概念。光从太阳表面传到地球大约是8分钟多一点。地球到太阳的距离被定为一个天文单位,缩写字母是AU。地球和太阳的距离会变化,一开始,AU单位是个平均值,后来嘛干脆就变成了一个固定数字。但是基本上还是大差不差的。那么好了,8光分相当于一个天文单位,如果光的传播时间是11小时20分,那相当于多少个天文单位?你自己去算吧。太阳系的引力范围大概是1光年,这一年合多少小时,还是你自己去掂量吧。
总之,先驱者10号对航天界和天文学界来讲都是一个重大的突破,但是很遗憾,它尽管走的很远,但是却没法遇到土星。当时对于NASA来讲,如何利用引力弹弓,也还只是初次尝试。拜访土星的任务就只能等到下一次的先驱者11号了。不过呢,先驱者11号比先驱者10号晚了足足一年多,因为先驱者11号要实现一次拜访两颗大行星,轨道设计更加复杂。
金星8号的纪念邮票
在先驱者10号和11号之间,我们还得讲讲苏联人都在干什么。就在先驱者10号发射的同一个月,苏联人发射了金星8号和9号。当然啦,8号倒是成功了,9号炸了。所以,这个探测器不能叫金星9号,只能叫宇宙482。
我们单说这个金星8号,这个探测器和前几颗是同一个批次,目的也还是一样,实现金星表面着陆。这一次金星8号对金星大气之中的横向风速进行了测量。在50~公里高空,风速大概是50~60米/秒。这个速度相当于地球上的16级台风的风速。这风刮起来还是很吓人的。但是到了金星地表,风速就很低很低了,大概只有1米/秒。在地球上,这个风速刚好是“一级青烟随风偏”。在金星上那就已经是排山倒海了。你别忘了金星地表的大气密度是地球的49倍。
金星8号的着陆器
金星8号还对金星的云层进行了分析,发现云层存在硫酸液滴,这种东西反射率极强,可以达到70%,难怪金星那么亮呢。金星的地面上就接收不到多少光了,所以,金星地面上的亮度跟地球上能见度1公里的大阴天特别像。反正是你想拍照,永远是光线不足的样子。
顺便提一下,美国人的阿波罗计划也接近尾声了,他们接连发射了阿波罗16和17两艘飞船,从此就再也没有人类再踏足月球,登月计划圆满结束。再不结束美国的科研拨款都快花光了,你还是给其他的项目留点经费吧。
苏联人发射了月球21号探测器,这一次他们又弄了一个月球车2号带上去了,这个小月球车的着陆过程还比较顺利,很快就开始在月球上到处溜达了。这个东西的造型基本没变,还是长得像个圆形的浴缸,你说它是浴缸吧,小了点,你说它是抽水马桶吧,它又太大,反正就是这么一个别扭的造型。最后这个月球车倒霉就倒霉在这个马桶盖上了。
大家还记得前面我们描述过的苏联月球车的结构吗?太阳能电池板是在顶上,哪个马桶盖白天都是打开的,这样电池板就可以充分晒太阳了。月夜来临的时候,马桶盖都是盖上保温的。这一次,月球车2号的导航装置坏了。好在呢,苏联人从非官方渠道获得了阿波罗17号的勘测资料,阿波罗17号的宇航员刚巧对这个地区做过探测。苏联人也是神通广大,人家阿波罗17号刚回来没多久,这资料就外泄了。
月球车2号的纪念邮票
既然导航装置坏了,就只能靠摄像头走一步看一步了。导航的摄像头只能看见前边,看不见后边,也看不见上边的那个打开的马桶盖。这月球车溜达的还挺快,4个月溜达了40多公里了,一边溜达,一边拍照。结果,这个月球车2号一不小心,掉进了一个陨石坑里。也不知道是因为车身一歪,那个马桶盖刚好铲了陨石坑侧壁上一大堆松软的月壤,还是说轮子打滑空转,扬起的尘土溅到了马桶盖和电池板上。结果呢,这就造成了电力不足,毕竟太阳能板上铺了一层沙子。结果这个探测就再也没办法从坑里爬出来。
尽管爬不出去了,月球车起码还有反应,后来夜晚来临,按照惯例要把马桶盖给盖上保温,结果等夜晚过去了,马桶盖打开,盖子上积攒的那点土全都倒在电池板上,这还发个屁的电啊?一方面电力严重不足,另一方面这些土还把散热器给糊得严严实实。月球车内部的温度也降不下来了。到此为止,这个月球车2号是彻底没救了。只能就此结束任务。这家伙在月球上溜达了4个多月,也算是完成任务了。
从此,月球上就彻底安静下来了,一直到40年以后,才有一个挂着五星红旗的小兔子重新开始在月球上溜达,不过这都是后话了。
总之,苏联人对金星和月球有执念,在哪里跌倒,就要在哪里爬起来,继续跌倒,那就继续爬。对于外太阳系的探测,苏联人始终赶不上美国人的脚步。我也不知道金星那种地狱有啥好探测的。你花同样的钱,把注意力放在探测火星上,成果肯定不止这一点。苏联人也是倒霉,金星这么恶劣的环境,探测器都能撑50分钟。火星环境算是不错,苏联人的探测器基本上是刚下去没多会儿就Game Over了,火星对苏联人纯属八字不合。
先驱者11号探测器
到了1973年的4月份,先驱者11号发射了。这颗探测器基本上和先驱者10号是一样的。但是轨道有所不同。首先是上一次先驱者10号在靠近木星的时候遇到了强烈的辐射,弄得所有仪器设备都过载了。甚至和地球失去了联系。弄得艾姆斯研究中心和承包商TRW公司的工程师们心惊肉跳的,当然先驱者10号比较幸运,最后这些仪器都恢复读数了,和地球的联系也恢复的。但是依然损坏了一个光电倍增管,这东西太敏感,容易烧。
木星的可变辐射带
现在看来,木星的辐射带在赤道附近非常强烈。当然,木星本身是一颗流体组成的球,没有固定表面,你也不知道厚厚的云层下面那些气体液体是怎么流动的,你也不知道太阳风暴从哪边来。这些因素都得对周围的辐射带有影响。先驱者10号恰好是因为辐射带的波动,才躲过了一劫。那么先驱者11号是不是还要重蹈覆辙?有没有办法不去辐射强烈的赤道附近,咱去两极不行吗?木星的两极,从地球上几乎是看不见的,角度不对。科学家们总是对未知领域充满好奇心。这回咱们能不能见识见识?
如果去木星的两极,探测器必定是斜着飞过去,再绕过木星,借助引力弹弓扔出来的时候,先驱者11号也就不可能保持在太阳系的黄道面上了。必然是会被木星扔出黄道面。你别忘了,下一站可是要去土星。你这种斜着飞出黄道面的轨道,还得借助太阳的引力,才能重新落回黄道面。这根弧线就像是打乒乓球一样,从木星这边弹出去,只有到对面才会重新落到桌子上。也就是说,土星那时候必须恰好运行到桌子对面的这个点上才行,探测器才能和土星相遇。这个轨道可太特殊了。
美国人能完成这个复杂的太阳系弹跳之旅吗?1973年3月份发射,大概到1974年年底能飞到木星,从木星的引力范围被扔出来,穿过太阳系,跳到另一侧和土星相遇,还要再走5年时间,这段路程是前所未有的漫长。
另外,先驱者11号到了土星以后还面临一个选择,到底要不要穿过土星环,能不能穿到这个“戒指”的内侧,贴着肉给土星拍照片,行吗?
除了面对这些技术难题,科学家们也第一次感觉到,探索太阳系的旅程是个非常漫长的过程,探测计划计划原定是几年就结束,但是执行过程之中,有可能几十年都不会over。你还要准备足够的经费预算来打持久战。
先驱者11号发射以后小毛病不断,弄得地面控制人员挺闹心的。一开始放射性电源启动有问题,后来发现姿态控制推进器出毛病了,这俩问题解决了,发现小行星尘埃探测器部分失效,失效就失效吧,还能怎么样呢?难道还叫回来保修啊?咱们主要任务还是可以执行的。
1974年的7月中旬,先驱者11号穿过了小行星带。随后,探测器完成了一次变轨。接下来要冲击木星的磁顶层了,也就是弓形波,这里高能带电粒子相对比较多。反正是穿越这种辐射比较厉害的地段,地面测控人员就提心吊胆的。
先驱者11号拍摄的木星,经过艾姆斯研究中心处理以后得到的照片
这一次,先驱者11号尽量避开了赤道附近比较密集的辐射区,拜访了木星的南极,这一次绕着木星转发夹弯的方向和上次相反,看到的景象也不太一样。尽管如此,还是遭遇了比较强的辐射,但是怎么也比上次好一点。只是丢失了几张照片而已。科学家们看着从亿万公里之外发回的图片,人类第一次看到了木星南极的图像。这一次先驱者11号比上次10号还要低,还要近。从云顶上方4.3万公里的地方飞掠而过。先驱者11号连续拍摄了几百张木星南极的照片,还为周围的四颗伽利略卫星拍了200多张照片。
在木星强大的引力吸引之下,探测器绕过南极,从下往上斜着绕过木星被扔了出去。所谓的引力弹弓效应,其实引力只是中介,怎么借来的就怎么还回去。其实真正提取的是木星的公转动动能。只是借用的这点动能对木星来讲连拔根毛都不算,完全可以忽略不计。
先驱者10号和11号的轨道差异
先驱者11号一拐弯,就逐渐脱离了木星的引力范围。地面测控人员又是一阵提心吊胆。因为进入木星引力范围遇到的那些辐射层,出去的时候也要碰到,只是顺序相反而已,但愿探测器别出毛病。
接下来还有5年时间,下一步可以慢慢讨论,到底要不要离土星环远点。这是目前最重要的问题。这取决于对土星环的了解,因为距离太遥远,土星环可未必就是望远镜离看到的那几层。万一你决定好一个穿进土星环内侧的轨道,但是万一,土星环最内侧,还存在一层薄薄的,地球上看不到的内环,探测器穿着道内环,会不会撞上什么东西?土星环到底是什么东西组成的,密度如何?
理查德·戈德斯坦(1987年)
你别说,地球上还真有人在研究这个问题,这两位就是JPL的理查德·戈德斯坦和乔治·莫里斯。这二位研究的领域叫做雷达天文学。尤其是理查德·戈德斯坦,他被称为雷达干涉测量之父。1961年,他在加州理工读书的时候,就利用戈德斯通的测控站对着金星发射过雷达波,而且还真的接收到了从遥远的金星反射回来的信号,利用雷达波可以测量金星的自转周期。当然啦,火星他们也没放过。1963年,他们获得了火星的雷达回波。他们后来还用雷达波探测过木卫三。以及最近探测的土星环。这二位恰好在1972~1973年间对土星环进行了雷达探测研究。
NASA的高层看到他俩获取的土星环的各种数据资料以后,做出了最终决定,咱还是安全第一,离开土星环远点。NASA的领导为啥做出这个决定呢?我们下次再说。 |