人类探索哈雷彗星的历史

cbj发表于2018-11-08 00:00:00

行星协会和它驭光而行的探索旅程 启航:从追寻世界上最著名的彗星开始

  译/ 梁炳鑫

  1607年,欧洲上空出现了一颗彗星。

  没有人知道这颗彗星是1531年出现过的那一颗,也没有人知道1682年它会再次造访。许多年后,天文学家埃德蒙多·哈雷将发现这是一颗轨道周期为7 5年的彗星,并预测它将于1759年再次出现。但是在1607年,没有人知道这一点,它只不过是一颗再寻常不过的彗星,给处在科技复兴时代的人们带来了一点天文轶事。


  36岁的德国天文学家约翰内斯·开普勒也是一位彗星观测者,他怀着极大的兴趣观测了这次彗星造访。开普勒很想知道,是什么让这颗彗星在划过天空时宽阔的尾部扩散开来,变成一个长长的彗尾。他认为应该是太阳光的加热作用使彗星表面物质脱离。虽然开普勒没办法证明自己的假设,但这一观测仍然非常了不起,并且最终被证明是正确的。从彗星上脱落的冰和尘埃形成了被称为彗发的临时大气层。太阳风将彗发中的尘埃颗粒沿各个方向吹散,其中一些逃脱彗星的引力作用,形成了延伸的彗尾。


  太阳光线能与天体相互作用的理念让开普勒相信,或许有一天太空帆也能靠捕获太阳光来驱动,就像船帆借助风力一样。在1608年写给伽利略的一封信中,开普勒写到,或许有一天人类能够运用这种技术踏上拜访其他星球的旅程——

  


  “水手4”号拥有四个太阳能叶片,利用阳光产生的压力来维持航天器的稳定。

  “假如船和帆能够利用天堂的微风,就一定会有勇者拥抱那片虚空。”



  但是直到1865年詹姆斯·克拉克·麦克斯韦证明光是由叫作光子的能量粒子构成的时,开普勒的想法才获得学术证据的支持。麦克斯韦证实,光子具有能量和动量,可以传递给其他物体。当光子撞上反射面,比如闪光的太阳帆,就会推动帆前进。20世纪早期,一对俄罗斯科学家将麦克斯韦的研究与真正的工程学概念结合了起来。1924年,工程师弗雷德里克·桑德尔这样写道:“对于星际空间的飞行,我的想法是使用超薄的巨大片状反射镜做帆板,应该能够达到良好的效果。”


  20世纪50年代,火箭技术的飞速发展将人类推向了太空时代的边缘,太阳帆的设想再一次兴起。这一次,它出现在科幻杂志里。在《惊骇科幻故事》1951年5月刊中,电子工程师卡尔·怀利提出了一种降落伞式的太阳帆,朝向太阳打开,降落伞通过绳索拖拽后方的航天器。怀利设想的这种帆直径4000米,面积61平方千米。他写道:“宇宙飞船应当停靠在环绕地球飞行的人造卫星上,旅客和货物可以通过火箭在地球和飞船之间往返。船体本身需要在人造卫星上建造。”由于这一想法过于天马行空,怀利只好用罗素·桑德斯的假名对它进行发表,以此致敬名为“罗素- 桑德斯耦合”的量子物理学概念。

  1957年,第一颗人造卫星的发射让太空卫星从科幻变成了现实。仅仅1年之后,太阳帆开始出现在科学著作中。到了20世纪60年代,刚刚成立的美国航空航天局(NASA)获得了充足的资金,按照肯尼迪总统定下的“10年内送人类登月”的目标,奋起直追。在这一时期,NASA资助了一系列有关太阳帆的研究。但是在20世纪70年代的后阿波罗时期,由于NASA资金紧缩,太阳帆的研究被搁置了起来。


  在俄亥俄州巴特尔纪念研究所,一位叫作杰罗姆·怀特的工程师独自继续钻研,决心证实太阳帆的可行性。起初,NASA是让怀特研究哪种火箭系统能够把太阳帆送上太空,但怀特更进一步,开始研究使用太阳帆登陆其他星球的可能性了。


  在这一过程中,怀特发现了千载难逢的机会:一条可以让太阳帆和1986年回归的哈雷彗星相遇的轨道。1607年,正是这颗彗星引发了对太阳帆的探索,而如今它有望成为该技术的首个目的地。

  第一次听说杰罗姆·怀特的想法时,路易斯·弗里德曼对太阳帆所知甚少。他在纽约布朗克斯区长大,获得了康奈尔大学工程力学硕士学位以及麻省理工学院航空航天专业博士学位,是一位科学家兼工程师。1970年,他进入NASA位于加利福尼亚州帕萨迪那的喷气推进实验室,参与了“水手”号和“旅行者”号深空探测任务的工作。他还领导了喷气推进实验室的高级项目组,致力开发航天任务的新技术。

  


  直升机式太阳帆靠近哈雷彗星的艺术想象图。直升机式太阳帆具有12个旋转的扇片,每个扇片长达6400米。


  弗里德曼知道,太阳光产生的压力可以在太空中推动物体。他在自己的博士论文中,针对非引力作用力对航天器的影响进行建模,探究了这一现象。1960年至1964年,NASA发射了两个喷镀聚酯薄膜的大型气球,以测试通信信号在全国范围内传递的方式。由于气球又大又轻,它们可以很轻易地被太阳光推动。

  “水手4”号是第一个飞经火星并传回照片的探测器,它拥有四个太阳能叶片,利用太阳光压力的平衡来保持稳定。在“水手10”号探测任务中,工程师在探测器姿态控制气体用完后再次利用了太阳光,让探测器的太阳光反射板定向排列,利用太阳光来推动它旋转并保持稳定。


  弗里德曼在自己的著作《驶向外星:太阳帆与星际旅行》中回忆了自己在听到怀特关于发射太阳帆与哈雷彗星接触的想法时,与JPL 实验室的一位同事进行的讨论:

  “你是指飞掠,而不是着陆吧?”

  “不,我指的就是着陆。”

  “即使這趟旅行要花10年时间?”

  “如果只需要1年呢?”



  对于拜访另一个天体,航天器有两种选择:一种是飞掠目标,尽可能多地获取数据;另一种是携带大量燃料,发动引擎减速并进行着陆。在哈雷彗星上着陆似乎是不可能的。地球围绕太阳以30千米/秒的速度逆时针旋转,而哈雷彗星顺时针从地球轨道平面下方进入太阳系。在靠近太阳时,哈雷彗星会被加速,以40千米/秒的速度掠过地球。

  这些数据意味着想让航天器在彗星上着陆必须做大量的工作,不但必须抵消地球30千米/秒的速度,还得让航天器获得逆向40千米/秒的速度,并且倾斜自己的轨道平面。

  实现这一目标的方法之一是使用极其强大的火箭。实际上,研究组考虑过这种方案,提议使用巨型的“土星5”号火箭把航天器送上木星。然后利用木星的强大引力作用,使航天器绕过这颗大型行星,进入与哈雷彗星相吻合的逆向轨道。但杰罗姆·怀特认为,更好的方法是使用太阳帆。


  使用化学燃料的火箭可以提供短时间内的巨大作用力。与此不同,太阳帆虽加速缓慢但持久,最终可以达到高很多的速度。根据帆的角度,太阳光产生的力可以对航天器的绕轨速度进行加速或者减速。“哈雷”太阳帆首先会减速,以内旋接近太阳。在那里,太阳的能量可以转化为大量动能,将太阳帆送入一个不同的轨道。


  NASA对这个想法很感兴趣,资助了“哈雷”太阳帆的初期研究。1975年,怀特加入喷气推进实验室,与弗里德曼等工程师一起开展这项工作。他们的团队考虑了两种设计方案。第一种是正方形类似风筝的帆,每边长500米,背面由四条帆杠支撑起整个帆的结构。每条帆杠的末端都有一个小型太阳能叶片,可以通过角度调整来控制航天器的姿态。这个设计方案简洁优雅,但是团队担心这样的帆缺乏硬度,可能会因为摇摆而无法建模或者控制。


  第二种设计是直升机式的,像两个叠在一起的吊式风扇。每个“风扇”有六个扇片,通过旋转为太阳帆提供更好的稳定性。但是直升机帆仍然需要具有和正方形帆相同的表面积,每个扇片的长度都必须超过6400米。尽管如此,研究组还是选择了直升机式的设计。后来,弗里德曼有些后悔做出这个选择,因为它在美学和技术上都存在问题。

  当时,在太空组装部署这么大的结构面临巨大的困难,直到1973年航天飞机被批准建造,情况才得到改变。“航天器算是大型有效载荷,利用有效载荷舱,我们就可以把它部署到太空中去,”弗里德曼说,“这让大家开始探索能够部署大型太空结构的实用设计。”


  那么,尚未制造出的航天飞机能否让宇航员将太阳帆送入地球轨道,并在有效载荷舱进行部署?有可能。


  虽然航天飞机为发射有效载荷提供了新途径,但它耗资巨大,不断吞噬NASA预算中越来越多的份额。20世纪70年代是行星探索的黄金时期,“先驱者”号、“维京”号、“旅行者”号任务传回了海量图像和数据。然而,1978年至1990年,国会和白宫没有批准任何一项行星探索任务。

  


  欧空局的“乔托”航天器在距离仅60万干米的地方拍摄的哈雷彗星


 布鲁斯·默里博士是时任NASA喷气推进实验室的主任,他非常坚定地认为“哈雷”太阳帆具有重要的科学价值。他还解释说,这样的任务会激发公众对行星探索的兴趣。1978年,“哈雷”太阳帆完成了初期设计研究,但时间非常紧迫。为了让航天器有足够时间与哈雷彗星相遇,发射任务必须在1982年之前完成。而在此之前,还需要在航天飞机上对太阳帆组装技术进行实际演练。

  与此同时,NASA正在進行离子动力推进器的实验,使用电子剥离气体——例如氙气——中的电子来产生离子。这些离子可产生低推力的持续动力。和太阳帆一样,离子动力推进器也计划通过航天飞机的有效载荷舱进行发射。


  虽然离子推进器最终会为若干项行星探索任务提供动力,但对当时的“哈雷”太阳帆来说,这项技术还不够成熟。直升机式太阳帆技术也并不成熟,弗里德曼回忆说,这个想法还是过于雄心勃勃了。

  即使直升机式太阳帆或者离子动力推进器已经准备好发射,航天飞机也没有到位,它的首次飞行被推后至1981年,机载操作任务1982年才启动。对适当测试和发射“哈雷”太阳帆这样的长周期任务来说,都为时已晚。


  在喷气推进实验室,默里要求拿出一个更实际的直接飞掠哈雷彗星的任务方案。为了让任务顺利实施,他甚至直接跑到白宫去游说。但在1981年,里根政府为了应对联邦预算赤字大幅度削减经费,NASA没有任何理由要求政府向“哈雷”太阳帆放款。最终,美国这个行星探索领域的领导者,将不会去拜访世界上最著名的彗星。


  然而,俄罗斯、日本和欧空局都发射了飞掠哈雷彗星的航天器,它们被统称为“哈雷舰队”。俄罗斯的航天器第一个经过哈雷彗星,但最近距离接触的荣誉属于欧空局的“乔托”探测器。1986年3月,“乔托”号以挑战死亡的近距离穿过哈雷彗星的彗尾,在仅60万千米外拍下了它的彗核。NASA的国际彗星探测者,最终在远达2800万千米的地方观测了哈雷彗星。


  1982年,默里卸任喷气推进实验室主任一职。在努力将“哈雷”太阳帆送上太空的同时,他和路易斯·弗里德曼以及卡尔·萨根于1980年共同建立了行星协会。这个基于会员制、非营利性的太空组织致力向决策者展示民众对行星探索的支持。1981年,该组织开始出版一份叫作《行星报告》的杂志。在创刊号中,卡尔·萨根这样描述行星协会的目标:

  “如果我们取得成功,或者至少是某些专家认为我们能够达到的那种成功,我们或许不仅能展示民众对行星探索的支持,还能够为促成某些关键任务提供专项资金。”

  这些任务里一定包括太阳帆。探索如何驭光而行的旅程尚未终结。


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