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跡，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(fā)射就出現(xiàn)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(fā)射之后還出現(xiàn)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(huán)繞木星的軌道，對木星和它的衛(wèi)星們進行長期觀測。
“伽利略號”的名字來源于著名的意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(fā)現(xiàn)了很多星空中的奧秘，比如木星的衛(wèi)星，為糾正當時錯誤的世界觀提供了有力支持?？梢院敛豢鋸埖卣f，伽利略天文觀測取得的新發(fā)現(xiàn)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，有幾根桿從主體向外伸出。其中一個伸桿頂部裝有核能電池，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”，當然這是后話。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后小探測器會直接墜向木星，探測木星的大氣構(gòu)成等。
(圖片來源：NASA)
1977年10月，“伽利略號”通過國會批準，相當于國內(nèi)航天人常說的工程立項。不過當時這個計劃并不叫“伽利略號”，而是叫木星環(huán)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制工作，82年發(fā)射飛向木星。按照這個計劃，伽利略號將在1984年開始環(huán)繞木星。計劃總是趕不上變化快，由于種種原因，伽利略號一再延期，直到1989年成功發(fā)射，整個研制過程長達12年，中間經(jīng)歷了多次磨難和反復(fù)。
伽里略號探測木星(圖片來源：NASA)
磨難一：難以抉擇的上面級
項目研制初期在上面級的選擇上“折騰”開啟了伽利略號不安穩(wěn)的命運旅程。上面級其實是一個小型火箭，在深空探測器發(fā)射過程中，通常大型運載火箭將飛船和上面級送到環(huán)繞地球的軌道，然后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(fā)到山西的一個小山村，需要先乘坐高鐵抵達縣城，然后乘坐三蹦子走小路去山村。運載火箭相當于高鐵，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(chǎn)的采用固體燃料的“慣性上面級(IUS)”，另一個是使用液體燃料的半人馬上面級。伽利略號研制初期在這兩個上面級中反復(fù)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。
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(chǎn)生超出設(shè)計值的推力。不過選擇固體上面級并不是因為推力，而是出于安全考慮。伽利略號利用航天飛機發(fā)射，半人馬上面級(女二號)因為使用液體燃料，在航天飛機中有可能爆炸，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(fā)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(huán)繞器和木星大氣探測器分開發(fā)射。這樣增加了工程的復(fù)雜度，也需要花費更多的經(jīng)費;另一方面，波音公司也表示，研發(fā)上面級的經(jīng)費需要在原計劃的基礎(chǔ)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(zhuǎn)而采用半人馬上面級。半人馬一直以來保持著很好的發(fā)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(yōu)點。它不像固體上面級那樣點火瞬間產(chǎn)生巨大的沖擊力，這個沖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，易于控制;固體上面級正好相反，一旦點火后必須等燃料用盡才能關(guān)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(huán)繞器一起發(fā)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制時間。
而這只是瓊瑤劇中男主感情的第一次搖擺，搖擺還會繼續(xù)。“伽利略號”很快遭遇了一次非技術(shù)原因產(chǎn)生的沉重打擊。80年代初，里根政府為了減少財政赤字，平衡預(yù)算，不得以砍掉了NASA一半的經(jīng)費。大幅度的經(jīng)費消減將迫使美國宇航局放棄一些科學探測任務(wù)，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，科學家們進行了反復(fù)的申訴。伽利略號是美國NASA一項大型的深空行星探測任務(wù)，有2000多個科研人員參與這個項目的研制。如果取消這個項目，參加項目的工作人員都面臨著失業(yè)的危險。另外伽利略號是當時唯一的行星探測任務(wù)，有重大的科學意義，放棄這個項目還會導(dǎo)致美國深空探索的技術(shù)出現(xiàn)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(fā)的支持，“女二號”的地位又一次出現(xiàn)了危機。
“半人馬上面級”性能優(yōu)異，成功率高，但是價格昂貴，財政部為了平衡預(yù)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(zhuǎn)，這次“女二號”半人馬上面級有美國空軍的支持，愿意提供經(jīng)費支持半人馬上面級的研發(fā)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(fā)射計劃中，出資研發(fā)半人馬，其實是羊毛出在羊身上。另一方面，采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?？茖W家們也希望采用更快的方案。第一階段的上面級之爭暫時以“女二號”勝出結(jié)束。
磨難二：挑戰(zhàn)者號失事引發(fā)的連鎖效應(yīng)
雖然反復(fù)折騰，項目研制進程一再延期，在1985年底伽利略號還是完成了研制。1985年12月，伽利略號從加州的噴氣動力實驗室出發(fā)，踏上了前往發(fā)射基地的征途。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(huán)保主義者示威或者恐怖襲擊。經(jīng)過四千多公里的漫長旅途，終于平安抵達了位于佛羅里達州的發(fā)射基地。然而，旅程中長時間的顛簸給后面的天線故障埋下了隱患。
如果挑戰(zhàn)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航天飛機升入太空，在1988年10月抵達木星，開始探測木星。事與愿違，1986年1月28日挑戰(zhàn)者號臨空爆炸，造就了美國航天史上最慘痛的失敗，七名宇航員全部遇難。失事后所有航天飛機停飛，包括伽利略號準備搭乘的亞特蘭蒂斯號。伽利略號的發(fā)射擱淺了，被運回加州噴氣動力實驗室。
挑戰(zhàn)者號失事后，伽利略號再次進行方案復(fù)核，以確保發(fā)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”終于成功打敗了“女二號”，坐穩(wěn)了正選位置。不過之前也講過，“女一號”運載能力不如“女二號”，由于地球、金星位置的變化，原先設(shè)計的金星借力的方案已經(jīng)無法實現(xiàn)，“伽利略號”看來是無法抵達木星了。
經(jīng)過反復(fù)計算，軌道團隊又設(shè)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，然后兩次地球借力，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(jīng)過地球的方案引來了環(huán)保組織巨大的抗議，伽利略號也險些不能發(fā)射。
伽利略號從地球出發(fā)，利用一次金星和兩次地球借力抵達木星(圖片來源：NASA)
環(huán)保組織為什么反對科學探測?早期就有環(huán)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里生活在核戰(zhàn)爭的陰影下，核就是原罪。之前的先驅(qū)者十號、十一號和旅行者號也采用了相同的核能電池，已經(jīng)證明這項技術(shù)是安全可靠的，所以環(huán)保組織的反對并沒有造成多大影響。但是挑戰(zhàn)者號失事給了環(huán)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(fā)射到太空中后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航天飛機會不會也像挑戰(zhàn)者號一樣當空爆炸?即使成功發(fā)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(fā)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(huán)保組織阻撓發(fā)射的決心。一方面，環(huán)保組織在報紙上制造輿論，很多人相信發(fā)射伽利略號可能會帶來全球性的巨大災(zāi)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(huán)保組織還向法庭申請禁止令，禁止伽利略號發(fā)射。更有少數(shù)極端分子試圖通過防護欄靠近準備發(fā)射中的火箭，“人肉”阻止伽利略號發(fā)射。
面對環(huán)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，說明科學家在計算航天器軌道時非常謹慎，負責行星借力計算的團隊非常有經(jīng)驗，出現(xiàn)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(zhàn)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，不會污染環(huán)境。在法庭上，科學家團隊也據(jù)理力爭，環(huán)保組織的禁止令申請被駁回。為了應(yīng)付少數(shù)的極端分子，發(fā)射基地周圍加強了保安。
(圖片來源：NASA)
挑戰(zhàn)者號事故過去后三年，終于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(fā)射倒計時?？上觳蛔髅?，大片的云霧籠罩發(fā)射基地的上空，發(fā)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，震中離位于加州的上面級指揮中心只有幾英里。指揮中心的工作人員趕緊撤離，伽利略號發(fā)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(fā)射才能順利進行。伽利略號終于在10月18日下午搭乘亞特蘭蒂斯號航天飛機發(fā)射升空。
發(fā)射成功后，剛上任的伽利略號項目經(jīng)理斯皮哈斯基(Spehalski)這樣說，“伽利略號的成功發(fā)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(yè)精神、合作精神和奉獻精神鼓舞人心，也值得堅持。”寫到這里，筆者覺得興許他更想說，“我的天!總算是發(fā)射了，要不然還不知道會出什么幺蛾子。”
磨難三：不聽話的天線和磁帶機
在經(jīng)歷了挑戰(zhàn)者號失事，環(huán)保組織反對，伽利略號終于成功發(fā)射，踏上了飛向木星的漫長旅途，但是厄運和挑戰(zhàn)并沒有結(jié)束。1991年，伽利略號完成金星借力朝地球進發(fā)的途中，科研人員發(fā)出了展開高增益天線的指令(就是那口鍋)，飛船發(fā)射時天線像雨傘一樣處于收攏的狀態(tài)，等收到指令天線展開之后會給地面發(fā)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根桿構(gòu)成，后面調(diào)查發(fā)現(xiàn)其中三個桿未能完全伸展到位，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后將無法和地面取得聯(lián)系，飛船距離地球數(shù)萬到數(shù)百萬公里，修復(fù)天線也是困難重重。正如事后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(fā)生的狀況，還要盡力鼓勵大家，項目還在…
(圖片來源：NASA)
是什么原因?qū)е律鞐U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。螺栓表面涂有潤滑涂料，本來電機的力足夠拔出螺栓。之前我們提到過，飛船在發(fā)射前經(jīng)歷了幾次從西部到東部長途旅行，另外發(fā)射時和上面級點火都會產(chǎn)生巨大的沖擊力，使得螺栓和栓套之間相互摩擦，磨掉了一部分光滑涂層，增大了螺栓的摩擦力，因此被卡住，伸桿也無法展開。盡管這時候飛船遠在數(shù)萬公里以外，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(gòu)長時間置于太陽下暴曬，再將它置于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。這招都失敗后，他們又將天線展開機構(gòu)進行極限旋轉(zhuǎn)，還試圖通過飛船的火箭制造沖擊力。隨后科學家們打出了一套組合拳，冷熱循環(huán)加上旋轉(zhuǎn)，結(jié)果還是未能將天線修復(fù)。
幸運的是，伽利略號還有一套用于飛船離地球較近時通信的低增益天線。現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸能力要低很多。這時候，另外兩項技術(shù)彌補了天線的數(shù)傳能力，一是數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，飛船利用程序?qū)μ綔y的數(shù)據(jù)進行了壓縮，然后再發(fā)送回地球，另外，地面接收和發(fā)射天線的能力也有提高。雖然不能達到飛船設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸效率，科學家們?nèi)匀豢梢垣@得大量探測數(shù)據(jù)用于研究。
就像經(jīng)歷了九九八十一難的取經(jīng)隊伍一樣，伽利略號終于在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(xiàn)了。
(圖片來源：NASA)
這次伽利略號的故障出現(xiàn)磁帶機上。那個年代內(nèi)存條還沒有廣泛應(yīng)用，磁帶機是計算機0用來存儲數(shù)據(jù)的主要手段。如果高增益天線工作正常，所有的數(shù)據(jù)都能及時傳回地球，磁帶機也就沒那么重要了?，F(xiàn)在高增益天線不能正常工作，很多數(shù)據(jù)都需要先存儲在磁帶機上，然后選擇最有價值的數(shù)據(jù)傳回地球，磁帶機卡帶就成了很嚴重的問題。
發(fā)現(xiàn)磁帶機卡帶的時候正好是伽利略號第一次靠近木星衛(wèi)星歐羅巴和伊奧的時候，項目組不得不放棄給這兩個木衛(wèi)拍照的計劃，避免造成磁帶機不可修復(fù)的損傷。幸運的是，科學家們發(fā)現(xiàn)磁帶機只是因為大部分磁帶被卷到一邊轉(zhuǎn)軸上而暫時卡帶。找到問題根源之后，科學家們很快決定，為了避免發(fā)生類似問題，磁帶機只使用中間部分磁帶來記錄數(shù)據(jù)，而靠近兩端的部分磁帶固定纏繞在轉(zhuǎn)軸上以保證磁帶機的正常轉(zhuǎn)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(jīng)”成功
經(jīng)過了上面級選角的來回折騰，挑戰(zhàn)者號航天飛機失事發(fā)射延誤，環(huán)保組織的阻撓，深空天線展開機構(gòu)失靈，還有接近木星后磁帶機故障，伽利略號終于成功抵達木星，開展探測，取得了很多有趣的觀測成果，包括于對木星及小行星和木星衛(wèi)星的研究。
伽利略號穿越了小行星帶時，在1600公里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(jīng)過一個小行星Ida(中文名愛達)時發(fā)現(xiàn)它居然也有衛(wèi)星。小行星通常是沒有衛(wèi)星的，大行星中金星和水星也沒有衛(wèi)星。大行星本身質(zhì)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(wèi)星引起了科學家的興趣。
小行星Ida和衛(wèi)星(圖片來源：維基百科)
伽利略號對木衛(wèi)一伊奧的火山活動進行了系統(tǒng)的觀測，發(fā)現(xiàn)伊奧上的火山活躍程度比地球上的火山高出100倍，還發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)三蓋尼米得上居然和地球一樣有整體磁場，這是第一次發(fā)現(xiàn)有內(nèi)稟磁場的衛(wèi)星。當然最令人稱奇的發(fā)現(xiàn)是關(guān)于木衛(wèi)二歐羅巴上的地下水的發(fā)現(xiàn)，歐羅巴地表之下有一個大面積的地下湖，通過計算發(fā)現(xiàn)，這個地下湖的含水的總量幾乎和地球上水的量相當。由于有水的存在，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污染可能存在生命的星球，伽利略號在地面引導(dǎo)下撞向木星，完成了它的坎坷歷程。盡管經(jīng)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后。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斗的事業(yè)——人類征服太空的偉大夢想。
