探测器列传：34.着陆爱神星

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。这个探测器的轨道比较复杂，需要兜圈子，路过地球的时候借助地球的引力弹弓来变轨，同时完成加速。变轨以后，还得进一步调整轨道，对准爱神星。

1998年的年底，苏梅克探测器开始轨道修正，本来这是一次常规操作。这时候距离爱神星已经不远了，预计几天以后，就可以和爱神星汇合。没想到，火箭刚点火就停机了，这颗探测器开始在太空里乱翻跟头。这事儿对美国人的探测器来讲也不是一次两次了，他们的探测器经常翻跟头。这种深空探测器距离地球非常遥远，一旦开始翻跟头。通讯很容易中断，一旦通信断了，那就神仙都没辙了。

现在面临的局面是探测器姿态时空，正在翻跟头。因为翻跟头，和地球之间的通信就很不正常。太阳能帆板方向也不对，电力严重下降，刚才调整姿态，燃料消耗了29公斤，已经没剩下多少了。原本还要进行3次轨道修正，完成刹车减速。就可以进入环绕爱神星的轨道，这下倒好，计划彻底告吹了。

绿色：爱神星；紫色：苏梅克探测器

等到第二天，这颗探测器进入安全模式，然后电脑重启，最后恢复姿态，开始和地球建立联系。大家发现，已经错过了最佳轨道调整时机，而且探测器上的燃料也不够了，目前无法减速。这时候地面人员开始动脑筋想办法，要拯救这颗探测器。既然这次无法减速，只能从爱神星旁边擦肩而过。那就绕着太阳多转一圈，到下一圈的轨道交汇点，再汇合。这样调整比较节省燃料，但是时间比较长。

按照这个计划，在1998年的的12月23号，探测器从距离爱神星3800公里的地方飞掠而过。探测器上的相机玩命拍照，拍摄的图像涵盖了爱神星表面60%的地表。这样也好，反正登陆爱神星已经推迟到下一圈，这次拍了这么多照片，可以提前考虑一下着陆的地点，也算是打个前站。

探测器在路过爱神星的时候，因为爱神星的引力摄动，轨道发生了轻微的偏折，利用这个偏折，地面科学家们精确地反推出了爱神星的质量。到了1999年的1月30号，探测器开发动机反推了一下，这样就把探测器和爱神星的速度差减小一点。

按照原本的计划，探测器需要和爱神星实现同步飞行，也就是和爱神星肩并肩，绕着太阳转。但是现在燃料不够，只能拉长时间，分好几次调整速度。探测器8月份又开发动机喷了两分钟，调整了一下轨道，探测器和爱神星的相对速度减低到了300公里/小时。这个速度大概就是飞机着陆前的速度了。到了2000年2月3号，探测器再次减速，相对速度从每小时70公里/小时，降低到了30公里/小时。这个速度大约就相当于是一辆汽车的速度。

因为爱神星的引力实在是太小了，所以探测器必须小心翼翼的和爱神星保持同步，然后略略提速，再刹车减速。2月14号，苏梅克探测器进入环绕爱神星的轨道。你别说，NASA还挺会挑日子，选了个情人节。

进入轨道一个月以后，为了纪念已故的苏梅克。NASA才正式把这个探测器的名字改为苏梅克号。此前一直叫做“近地小行星交汇任务”。我们为了省事，就一直管它叫苏梅克号啦。

一开始，轨道半径大概是300多公里。爱神星太小了，引力非常小，稍微花一点力气，轨道变动就好大，大家不得不小心翼翼，因此轨道的收缩花了很长时间。一直到7月14号，轨道缩小到了半径35公里。苏梅克号探测器在这个轨道上停留了大概10天。在此期间肯定是拍了不少的照片嘛。伴飞和环绕的任务基本上都完成了。能拍的照片也都拍了，可见光波段的和红外线波段也凑起了。现在要完成最后一个任务了，那就是着陆爱神星。

首先要进一步降低轨道，2001年的1月24号，轨道的高度逐渐降低到了5~6公里。28号，高度降低到了2~3功公里高。你别忘了，这个爱神星可不是圆球，这家伙是个弯香蕉。这时候苏梅克号探测器是围着爱神星的腰在转小圈圈。对于这种不规则的形状，着陆过程极其缓慢，一直到2001年的2月12号，探测器才正式着陆在了爱神星上。这个缓缓下降的过程，苏梅克号传回了69张高清照片，最后一张照片的距离是120米的时候拍摄的，再后面就没有照片了。但是其他传感器依然有数据发回。伽马射线光谱仪在距离表面10公分的地方收集的数据，要比在太空里收集的信号强得多。

距离250米拍摄的爱神星表面，这块区域大概是12米见方

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。估计是被冻死了。因为爱神星会自转，如果探测器随着自转，进入了没有光照的暗面，温度会急剧下降。根据回传的数据，当时爱神星上的温度是零下173度。爱神星的自转只需要5个多小时。频繁的冷热更替，探测器受不了。坚持了几天以后，终于扛不住了。

不过呢，这颗探测器已经算是超额完成任务了。这也是人类的探测器第一次在小行星表面着陆，当然，这只是搂草打兔子-捎带脚的。所以，这个着陆计划并不是太完善。按理说，应该是带着专门的着陆器，而不是探测器自己下去，这样就可以在探测器监督的情况下，看着着陆器到底是怎么下去的，怎么站稳的。可惜这次并没有。没办法，NASA当时的需求就是多快好省，最好别搞那么复杂。

当然，这种多快好省也会导致整个项目报废。我们前面提到了那个火星观察者号不就是在入轨环绕火星轨道之前3天失联的嘛，那个项目也是多快好省型的项目。那时候NASA搞了一大批诸如此类的东西。

火星全球勘察者

接替火星观察者号任务的是火星全球勘测者任务。NASA要求在16个月的周期内完成，探测器本身的预算限制在5400万美元，说实话这点钱还是有点紧张，既然如此，探测器也就造不大，严格限制在1060公斤。探测器小，就可以用小点的火箭来发射，比较便宜。可是探测器小，携带的燃料就少，刹车减速就是一锤子买卖。容不得什么闪失。

JPL的工程师们设计了一种比较新颖的办法，那就是利用火星大气层来减速。外来的飞行器被火星的引力捕获以后，轨道往往都是长椭圆。近地点很近，远地点很远。你要想把轨道调节成圆轨道，就得在近地点减速，一减速，远地点就会缩短。轨道就会变得比较圆。只要一次次慢慢的减速，远地点就会一点一点的缩回来，最终变成绕着火星转小圈圈的圆轨道。

火星稀薄的大气层

采用火星大气层来减速，比较节省燃料，想法的确很巧妙，但是执行起来就不是那么回事了。有史密斯专员在，你想省钱往往是省不下来的，那年头NASA各个项目花钱总是超支，想的挺好的，最后一算账，实际上花的钱远不止这个数。发射费用另算，要6500万美元。探测器还需要运行维护，少不了要动用深空测控网络。再加上数据分析费用，最后还是要花1.5亿美元左右。

火星全球勘测者嘛，主要的目标就是绕着火星一圈一圈的拍照片。通过激光高度表来探测火星的地形起伏，绘制高精度三维地图。高精度地图这个东西是为了日后一大堆火星着陆器做准备。

大概一个月以后，NASA要发射火星探路者探测器，这东西是个火星车。可以在火星上到处溜达。火星全球勘探者还需要充当信号中继工作。所以，这颗探测器上还带有专用的转发器。后续NASA还有一大串的火星车项目，轨道上的中继卫星是少不了的。

火星全球勘察者号发射

1996年的11月7号，火星全球勘测者就从卡纳维拉尔角发射升空了。足足飞了10个月，中间经历了几次轨道修正，探测器才飞到火星。然后呢，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来减速来调整轨道。首先在远地点，开发动机稍微减减速，近地点的高度就会降低。从263公里，降低到了110公里。在这个高度上，火星的大气尽管很稀薄，但是已经不能忽视了。每次探测器路过近地点，都会减速，远地点也就会缩减。按照计划，经过几个月的调整，最终轨道会变成一个圆。但是，这个计划进行了一个月以后，就进行不下去了。为啥呢？因为太阳能电池板被火星大气层给吹弯了。

这个探测器有两个长长的太阳能电池板。整个外形长得跟宋朝官员的乌纱帽似的。地面测控人员发现，有一边的太阳能板从中间开始打弯。太阳能板在火箭发射的时候是折叠的，估计半途中折叠机构出了毛病，展开以后不太结实，结果利用火星大气层来减速，等于是有迎面风吹过啊，结果就把太阳能板给吹弯了。过去也就是在金星试验过大气减速，后来就没尝试过，谁知道太阳能板会被吹弯呢对吧。

JPL的工程师一看不行啊，赶紧开发动机，在远地点加速，把近地点略略抬升了一点。从1998年的5月份开始，通过开发动机来调整轨道，切换到有利于晒太阳的轨道，补偿了因为一边电池板打弯造成的损失。从1998年的11月份开始，重新开始降低近地点轨道，利用火星大气层来减速。就这样折腾到1999年的3月份，终于把轨道调整成了一个高度380公里的圆轨道。

接下来就是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。

火星上水流冲刷的痕迹

除了绘制火星表面高精度地图以外，火星全球勘测者号还有许多其他重要发现。比如类似于地球表面液体流动造成的地形，有点像山洪爆发，水在山坡上冲出的各种沟槽，但火星表面气温和压力过低，液态水是很难存在的，到底是什么东西冲出来的，在当时没人知道。通过空中的遥感数据，探测器还发现了不少被掩埋的火山。另外，勘测者还拍到了正在发生的火星龙卷风等等。

当然，在此时此刻，火星探路者早就在火星表面安了家，旅居者号火星车正在火星的表面溜达呢。

美国的火星探路者号探测器于1996年12月4日发射升空，仅仅比火星全球勘测者号晚了不到一个月。这个任务是继“海盗”号任务20年之后，人类探测器再次登陆火星。想当初，海盗号是出了名的贵，1974年，耗资9亿美元，那年头美元可值钱了，换算成90年代末的价格，估计得35亿美元。可是火星探路者居然只花了1.5亿美元，由此可见多快好省项目的确是比当初便宜。

既然要省钱，所以火星探路者根本没有减速、环绕，在着陆的过程，人家直接沿着双曲线轨道一头就扎进了火星大气层，速度那叫一个快啊。靠火星的稀薄大气层减速根本不够。在烧蚀材料挥发殆尽以后，探测器的速度虽然降低了不少，但是依然不算慢，那顶小小的降落伞在超音速的气流之中被打开，实现了进一步减速。防热大底被抛弃，四面锥体型的探测器外罩露了出来。

在距离火星表面只有350米的高度上，四面锥的外边突然膨胀起了一大堆的气球，每一面是6个，4面体，一共是24个气球。这个吹气的原理跟汽车的安全气囊是一个道理，火药一爆炸，立刻就吹足了气。

在抛弃了降落伞以后，这个被一大堆充气球囊包裹住的探测器在火星上蹦跶了好远才停下来。这个缓冲方案比火箭反推要便宜多了。反正对地面的平整程度要求不高。蹦跶到哪儿就算哪儿了。

到最后，这堆皮球终于不蹦跶了，停稳了。这时候，探测器里边主动刺破球囊泄了气。4面体的外壳摊开，里边包裹的旅居者号火星车就露出来了。这天刚好是1997年的7月4号，美国的国庆日。探测器的着陆地点是火星上的战神峡谷。

着陆的时间是在火星当地晚上，要等到白天，电池板晒到太阳了，才能进行通信。通信需要通过太空里的火星全球勘测者卫星进行中继。地面人员从接受道德数据来看，有个气球还鼓着呢，地面人员发指令，让火星探路者号抬一抬三角形的外壳，把这个气球压压扁，这样就为旅居者号从三角形底座上顺利的下来，铺平了道路。

旅居者号

等到没问题了，周围没有什么障碍物，旅居者号慢悠悠的从底座上开下来，算是正式落地火星表面。这个车不大，只有10公斤，开不快，只能慢慢溜达。周围有几块大石头。最近的的一块石头浑身上下大窟窿小眼儿。长得有点像地球上布满了藤壶的岩石，所以管这个大石头起名字叫“藤壶比尔”。旅居者号开过去，用alpha粒子X射线光谱仪对这块岩石的成分进行了检测。

检测一块石头花的时间很长，需要差不多10个小时，原理就是利用alpha粒子和X射线对岩石进行照射，alpha粒子不就是氦的原子核嘛，利用alpha粒子打在物质晶格上产生的散射，以及X射线照射产生的荧光，就可以判断基本成分。从传回来的基本成分来看，这块石头应该是安山岩。这种安山岩是一种火山喷发的产物，难怪身上那么多窟窿眼呢。

火星上的岩石“藤壶比尔”

地球上的安山岩多半出现在隐没带，台湾岛上就有不少。这是一种很普通的火山岩。大洋板块被插进了大陆板块之下，最后送进地下深处的地幔层被重新融化，随着火山喷发再一次被喷出地表。正因为岩石有个重新熔融的过程，所以里边的含铁和镁的成分沉淀到了地幔深处，没跟着一起喷出来，所以安山岩的铁和镁的含量比较少，二氧化硅比较多。

在火星上发现安山岩，说明这块岩石曾经发生过重新熔融，而且还不是它一个。而是一大锅岩浆，维持高温很长时间，造成了含铁和镁的成分发生沉淀，这样才能产生这块藤壶比尔。火星上可是没有板块运动的，那么这块岩石为什么会发生重新熔融的现象？这可就值得好好研究了。

旁边一块圆头圆脑的石头有点像黄石公园里的瑜伽熊。这些石头都是用卡通人物的名字给命名的。旅居者号转过去对瑜伽熊进行了分析，发现这是一块玄武岩，比藤壶比尔更加原始。而且这个家伙圆不溜秋的，应该是经历过长时间水流冲刷的大号鹅卵石。很可能是被洪水给搬运到这里。这也说明，火星上曾经有大量的水。可是现在，这些水都到哪里去了呢？这的确是个好问题。

我们下次再说。