深空探測史話|被磨難環繞的「伽利略號」的一生

人類的航天史是一部歷史長篇，其中不乏感人至深的偉大奇蹟，也有慘痛而壯烈的失敗和事故。有一些航天項目從始至終順風順水，順利地完成了既定的目標。有一些剛發射就出現了致命的故障，項目也被迫終止了，留下了很多遺憾。和上面的情況不同，「伽利略號」號飛船從立項開始就磕磕絆絆，發射之後還出現了各種問題，真可謂命運多舛。雖然各種艱難險阻，科學家們「逢山開路，遇水架橋」，解決了一個又一個的問題，讓這個飛船成功地完成了自己的使命。

被寄予厚望的「伽利略號」

「伽利略號」是美國宇航局的一個木星探測飛船。和之前其他探測飛船（比如旅行者號）不同，它不是簡單地飛掠過木星，而是要進入環繞木星的軌道，對木星和它的衛星們進行長期觀測。

「伽利略號」的名字來源於著名的義大利天文學家和物理學家伽利略，16世紀伽利略第一次把望遠鏡對準天空，發現了很多星空中的奧秘，比如木星的衛星，為糾正當時錯誤的世界觀提供了有力支持。可以毫不誇張地說，伽利略天文觀測取得的新發現是人類進步的基石。飛船以伽利略的名字命名，說明科學家們對它寄予厚望。

△著名物理學家伽利略（圖片來源：維基百科）

從外形上看，伽利略號飛船和其他幾個深空的探測器非常相似，都是由一個大鍋狀天線和飛船的主體組成。主要的科學探測載荷都安裝在主體上，有幾根杆從主體向外伸出。其中一個伸杆頂部裝有核能電池，這個為飛船提供能源的核能電池也給伽利略號本來「不幸」的命運增添了幾分的「悲劇」，當然這是後話。飛船的底部有個小型的木星大氣探測器，在飛船抵達木星附近後小探測器會直接墜向木星，探測木星的大氣構成等。

（圖片來源：NASA）

1977年10月，「伽利略號」通過國會批准，相當於國內航天人常說的工程立項。不過當時這個計劃並不叫「伽利略號」，而是叫木星環繞探測器，1978年才正式更名為伽利略號。項目最初計劃花四年左右的時間完成飛船的研製工作，82年發射飛向木星。按照這個計劃，伽利略號將在1984年開始環繞木星。計劃總是趕不上變化快，由於種種原因，伽利略號一再延期，直到1989年成功發射，整個研製過程長達12年，中間經歷了多次磨難和反覆。

△伽利略號探測木星（圖片來源：NASA）

磨難一：難以抉擇的上面級

項目研製初期在上面級的選擇上「折騰」開啟了伽利略號不安穩的命運旅程。上面級其實是一個小型火箭，在深空探測器發射過程中，通常大型運載火箭將飛船和上面級送到環繞地球的軌道，然後上面級接力工作讓飛船飛向探測目標。如果把飛船飛抵木星的過程比作從北京出發到山西的一個小山村，需要先乘坐高鐵抵達縣城，然後乘坐三蹦子走小路去山村。運載火箭相當於高鐵，上面級就是三蹦子。

伽利略號可供選擇的上面級有兩個，一個是波音公司生產的採用固體燃料的「慣性上面級（IUS）」，另一個是使用液體燃料的半人馬上面級。伽利略號研製初期在這兩個上面級中反覆來回修改，總讓人想起瓊瑤劇中在兩個女主中搖擺不定的男主角。

△圖片來源：《情深深雨濛濛》

最初的方案選擇了「慣性上面級」（女一號）。這個「女一號」有個響亮的外號：「百分之一百零九」，因為它常常產生超出設計值的推力。不過選擇固體上面級並不是因為推力，而是出於安全考慮。伽利略號利用太空梭發射，半人馬上面級（女二號）因為使用液體燃料，在太空梭中有可能爆炸，給飛機上的乘員帶來危險。

固體上面級雖然推力大，不過工作時間短，實際運載能力反而不如液體上面級，就像一個短跑選手，爆發力強，耐力卻不足。受上面級的運載能力限制，科學家們一度考慮將伽利略號的環繞器和木星大氣探測器分開發射。這樣增加了工程的複雜度，也需要花費更多的經費；另一方面，波音公司也表示，研發上面級的經費需要在原計劃的基礎上增加１億美元。

在這一系列問題影響之下，備胎「女二號」的機會來了。項目組決定放棄慣性上面級，轉而採用半人馬上面級。半人馬一直以來保持著很好的發射成功記錄，另外除了運載能力強以外，液體上面級也有其它優點。它不像固體上面級那樣點火瞬間產生巨大的衝擊力，這個衝擊力有時候甚至會毀壞飛船或者飛船上的部件。另外液體上面級可以多次點火，易於控制；固體上面級正好相反，一旦點火後必須等燃料用盡才能關機。讓科學家們最高興的是，可以把木星大氣探測器和木星環繞器一起發射，成本降低，工程方案也更簡單。不過更換了上面級方案，伽利略號需要更長的研製時間。

而這只是瓊瑤劇中男主感情的第一次搖擺，搖擺還會繼續。「伽利略號」很快遭遇了一次非技術原因產生的沉重打擊。80年代初，裡根政府為了減少財政赤字，平衡預算，不得以砍掉了NASA一半的經費。大幅度的經費消減將迫使美國宇航局放棄一些科學探測任務，伽利略也不幸被列入其中，整個項目面臨著生死存亡的考驗。為了保住這個項目，科學家們進行了反覆的申訴。伽利略號是美國NASA一項大型的深空行星探測任務，有2000多個科研人員參與這個項目的研製。如果取消這個項目，參加項目的工作人員都面臨著失業的危險。另外伽利略號是當時唯一的行星探測任務，有重大的科學意義，放棄這個項目還會導致美國深空探索的技術出現斷檔。最終財政部同意保留伽利略號木星探測項目，不過停止了對半人馬上面級研發的支持，「女二號」的地位又一次出現了危機。

　「半人馬上面級」性能優異，成功率高，但是價格昂貴，財政部為了平衡預算限制它也是不得以，工程師們又回到原來使用慣性上面級的老方案上。為了彌補慣性上面級的運載能力，科學家們在上面級前面增加了一個助推級，就這樣還是不能達到飛抵木星。無奈之下，科學家們想到了深空探測中慣用的一招，行星借力（也稱為引力彈弓）。讓飛船靠近借力金星，利用金星的引力來加速飛船，以彌補運載能力的不足。因為金星借力需要額外的時間，飛到木星需要大約四年。

劇情很快又一次反轉，這次「女二號」半人馬上面級有美國空軍的支持，願意提供經費支持半人馬上面級的研發工作。美國空軍有自己的考慮，半人馬上面級可能會用在空軍其他發射計劃中，出資研發半人馬，其實是羊毛出在羊身上。另一方面，採用半人馬能使飛船直接飛向木星，無須借力，抵達木星只需要兩年左右。科學家們也希望採用更快的方案。第一階段的上面級之爭暫時以「女二號」勝出結束。

磨難二：挑戰者號失事引發的連鎖效應

雖然反覆折騰，項目研製進程一再延期，在1985年底伽利略號還是完成了研製。1985年12月，伽利略號從加州的噴氣動力實驗室出發，踏上了前往發射基地的徵途。旅途中除了加油和吃飯，運送隊伍一刻也不敢停歇，除了擔心交通意外，也怕遇到環保主義者示威或者恐怖襲擊。經過四千多公裡的漫長旅途，終於平安抵達了位於佛羅裡達州的發射基地。然而，旅程中長時間的顛簸給後面的天線故障埋下了隱患。

如果挑戰者號沒有失事，伽利略號將在1986年5月和上面級火箭一起將搭乘亞特蘭蒂斯號太空梭升入太空，在1988年10月抵達木星，開始探測木星。事與願違，1986年1月28日挑戰者號臨空爆炸，造就了美國航天史上最慘痛的失敗，七名太空人全部遇難。失事後所有太空梭停飛，包括伽利略號準備搭乘的亞特蘭蒂斯號。伽利略號的發射擱淺了，被運回加州噴氣動力實驗室。

挑戰者號失事後，伽利略號再次進行方案覆核，以確保發射能安全進行。原計劃中使用液體燃料的半人馬上面級再次被「慣性上面級」替換，「女一號」終於成功打敗了「女二號」，坐穩了正選位置。不過之前也講過，「女一號」運載能力不如「女二號」，由於地球、金星位置的變化，原先設計的金星借力的方案已經無法實現，「伽利略號」看來是無法抵達木星了。

經過反覆計算，軌道團隊又設計了一個「金地地借力飛行」的方案。伽利略號先通過金星借力，然後兩次地球借力，最終獲得足夠的速度飛向木星。這個方案除了需要花費更多的時間，飛船靠近金星借力，會讓伽利略號長時間在距離太陽比較近的地方飛行，為防止過熱，飛船加裝了防護罩保護儀器，這時候的伽利略號才變成前文圖中的樣子。不過誰都沒想到，這個兩次經過地球的方案引來了環保組織巨大的抗議，伽利略號也險些不能發射。

△伽利略號從地球出發，利用一次金星和兩次地球借力抵達木星（圖片來源：NASA）

環保組織為什麼反對科學探測？早期就有環保組織反對載有核燃料的飛船上天。那一代人相當長的時間裡生活在核戰爭的陰影下，核就是原罪。之前的先驅者十號、十一號和旅行者號也採用了相同的核能電池，已經證明這項技術是安全可靠的，所以環保組織的反對並沒有造成多大影響。但是挑戰者號失事給了環保組織更多反對理由，兩次地球借力飛行意味著這個帶有核燃料的飛船在發射到太空中後會兩次飛回地球附近，也加大了風險。伽利略號搭乘的亞特蘭蒂斯號太空梭會不會也像挑戰者號一樣當空爆炸？即使成功發射，在借力的過程中會不會控制不好撞向地球？上面任何一種情況發生，反射性的核燃料會不會散布到全球？

這種擔憂也不無道理。如果按重量計算，飛船上核燃料足以毒死當時世界上所有人，這更加堅定了環保組織阻撓發射的決心。一方面，環保組織在報紙上製造輿論，很多人相信發射伽利略號可能會帶來全球性的巨大災難，而且不得不承認，有時候偽科學比科學更容易傳播。另一方面，環保組織還向法庭申請禁止令，禁止伽利略號發射。更有少數極端分子試圖通過防護欄靠近準備發射中的火箭，「人肉」阻止伽利略號發射。

面對環保組織的凌厲攻勢，科學家們見招拆招。著名的天文學家康奈爾大學卡爾薩根教授撰文解釋，說明科學家在計算太空飛行器軌道時非常謹慎，負責行星借力計算的團隊非常有經驗，出現飛船撞上地球的機會非常非常小。而且工程師們加固了核能電池的外殼，即使飛船像挑戰者號一樣當空爆炸，這個外殼也不會被損壞，核燃料也將被完整地回收，不會汙染環境。在法庭上，科學家團隊也據理力爭，環保組織的禁止令申請被駁回。為了應付少數的極端分子，發射基地周圍加強了保安。

△圖片來源：NASA

挑戰者號事故過去後三年，終於等來了那個激動人心的日子。1989年10月17日，伽利略號開始發射倒計時。可惜天不作美，大片的雲霧籠罩發射基地的上空，發射被推遲到第二天。屋漏偏逢連夜雨，當天一場7.1級的地震襲擊了北加州，震中離位於加州的上面級指揮中心只有幾英裡。指揮中心的工作人員趕緊撤離，伽利略號發射眼看又要推遲。當天晚上，指揮中心的工作人員冒險回到工作崗位，發射才能順利進行。伽利略號終於在10月18日下午搭乘亞特蘭蒂斯號太空梭發射升空。

發射成功後，剛上任的伽利略號項目經理斯皮哈斯基（Spehalski）這樣說，「伽利略號的成功發射，是我們中很多個人和團隊長年努力和堅持換來的，此時此刻，我們的心情無以言表...我有幸參加到這個團隊目睹了各種竭盡心力的操勞。整個過程中我看到的專業精神、合作精神和奉獻精神鼓舞人心，也值得堅持。」寫到這裡，筆者覺得興許他更想說，「我的天！總算是發射了，要不然還不知道會出什麼么蛾子。」

磨難三：不聽話的天線和磁帶機

在經歷了挑戰者號失事，環保組織反對，伽利略號終於成功發射，踏上了飛向木星的漫長旅途，但是厄運和挑戰並沒有結束。1991年，伽利略號完成金星借力朝地球進發的途中，科研人員發出了展開高增益天線的指令（就是那口鍋），飛船發射時天線像雨傘一樣處於收攏的狀態，等收到指令天線展開之後會給地面發送一個確認信號，可惜這個信號一直沒有到來。高增益天線由18根杆構成，後面調查發現其中三個杆未能完全伸展到位，這個「鍋天線」看起來就像一把壞雨傘。高增益天線是飛船從遙遠的深空和地球通訊的，通常也稱為深空天線。失去了深空天線將意味著飛船進入深空後將無法和地面取得聯繫，飛船距離地球數萬到數百萬公裡，修復天線也是困難重重。正如事後負責伽利略號的項目科學家回憶，他去給項目組的成員匯報發生的狀況，還要盡力鼓勵大家，項目還在…

△圖片來源：NASA

是什麼原因導致伸杆展開失敗？天線展開是通過電機帶動活動螺栓完成的，顯然有幾個活動螺栓卡在了栓套中。螺栓表面塗有潤滑塗料，本來電機的力足夠拔出螺栓。之前我們提到過，飛船在發射前經歷了幾次從西部到東部長途旅行，另外發射時和上面級點火都會產生巨大的衝擊力，使得螺栓和栓套之間相互摩擦，磨掉了一部分光滑塗層，增大了螺栓的摩擦力，因此被卡住，伸杆也無法展開。儘管這時候飛船遠在數萬公裡以外，但找出原因的科學家們信心滿滿，相信他們有辦法將天線展開，因為他們有幾套折騰天線的方案。

第一招是將天線的展開機構長時間置於太陽下暴曬，再將它置於陽光防護罩的陰影中，讓它冷卻，希望通過熱脹冷縮來讓天線解套。這招都失敗後，他們又將天線展開機構進行極限旋轉，還試圖通過飛船的火箭製造衝擊力。隨後科學家們打出了一套組合拳，冷熱循環加上旋轉，結果還是未能將天線修復。

幸運的是，伽利略號還有一套用於飛船離地球較近時通信的低增益天線。現在高增益天線無法工作，只能讓低增益天線挑大梁。當然低增益天線的數據傳輸能力要低很多。這時候，另外兩項技術彌補了天線的數傳能力，一是數據壓縮技術，飛船利用程序對探測的數據進行了壓縮，然後再發送回地球，另外，地面接收和發射天線的能力也有提高。雖然不能達到飛船設計的數據傳輸效率，科學家們仍然可以獲得大量探測數據用於研究。

就像經歷了九九八十一難的取經隊伍一樣，伽利略號終於在1995年12月7日抵達木星附近。在抵達木星之前的5個月，「伽利略號」就釋放出小型的木星大氣探測器。到12月的時候，木星大氣探測器撞向木星，人類第一次通過探測器觸摸了木星濃密的大氣層。這一段時期伽利略號工作順利，可是很快，另一個問題就出現了。

△圖片來源：NASA

這次伽利略號的故障出現磁帶機上。那個年代內存條還沒有廣泛應用，磁帶機是計算機0用來存儲數據的主要手段。如果高增益天線工作正常，所有的數據都能及時傳回地球，磁帶機也就沒那麼重要了。現在高增益天線不能正常工作，很多數據都需要先存儲在磁帶機上，然後選擇最有價值的數據傳回地球，磁帶機卡帶就成了很嚴重的問題。

發現磁帶機卡帶的時候正好是伽利略號第一次靠近木星衛星歐羅巴和伊奧的時候，項目組不得不放棄給這兩個木衛拍照的計劃，避免造成磁帶機不可修復的損傷。幸運的是，科學家們發現磁帶機只是因為大部分磁帶被卷到一邊轉軸上而暫時卡帶。找到問題根源之後，科學家們很快決定，為了避免發生類似問題，磁帶機只使用中間部分磁帶來記錄數據，而靠近兩端的部分磁帶固定纏繞在轉軸上以保證磁帶機的正常轉動。問題雖然得到了解決，但是非常珍貴的伽利略號首次靠近木星的照片被永遠封存在不用的磁帶部分中，再也沒有機會傳回地球。

△圖片來源：百度百科

「取經」成功

經過了上面級選角的來回折騰，挑戰者號太空梭失事發射延誤，環保組織的阻撓，深空天線展開機構失靈，還有接近木星後磁帶機故障，伽利略號終於成功抵達木星，開展探測，取得了很多有趣的觀測成果，包括於對木星及小行星和木星衛星的研究。

伽利略號穿越了小行星帶時，在1600公裡的距離上拍到了一張小行星加斯普拉的照片，這也是當時世界上最清晰的小行星照片。和地球火星這樣的大行星不同，小行星看起來就像一個形狀怪異的土豆，上面還布滿了大大小小的隕石坑。

△小行星加斯普拉（圖片來源：NASA）

伽利略號在經過一個小行星Ida（中文名愛達）時發現它居然也有衛星。小行星通常是沒有衛星的，大行星中金星和水星也沒有衛星。大行星本身質量比較大，容易捕獲周圍的天體，而這個小個頭的天體居然也有衛星引起了科學家的興趣。

△小行星Ida和衛星（圖片來源：維基百科）

伽利略號對木衛一伊奧的火山活動進行了系統的觀測，發現伊奧上的火山活躍程度比地球上的火山高出100倍，還發現木衛三蓋尼米得上居然和地球一樣有整體磁場，這是第一次發現有內稟磁場的衛星。當然最令人稱奇的發現是關於木衛二歐羅巴上的地下水的發現，歐羅巴地表之下有一個大面積的地下湖，通過計算發現，這個地下湖的含水的總量幾乎和地球上水的量相當。由於有水的存在，科學家們猜測這個星球上可能有生命生存。

「伽利略號」一直運行到2003年9月，那時它所帶的燃料接近枯竭，科學家們將不能有效地控制它的飛行軌道。為了避免伽利略號上的核燃料汙染可能存在生命的星球，伽利略號在地面引導下撞向木星，完成了它的坎坷歷程。儘管經歷了很多波折，伽利略號飛船在科學家的堅持不懈的努力下工作到了最後。對那些為了這個項目日夜操勞的科學家和工程師來說，支持他們的不僅僅因為這是一份工作，而是他們畢生為之奮鬥的事業——人類徵服太空的偉大夢想。

參考文獻

１、 劉勇《深空探測器》　北京理工大學出版社出版2019

２、 MichelMeltzer,MissiontoJupiter:AhistoryofGalileoProject2007　

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出品：科普中國

製作：劉勇（中國科學院國家空間科學中心）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心