科学好故事外星降落如何登陆一个陌生的星球

时间:2021-04-23 11:04:02 来源:新浪科技
科学好故事外星降落如何登陆一个陌生的星球

  来源:AIR & SPACE MAGAZINE

  撰文:Ralph Lorenz

  翻译:任天

  如何登陆一个陌生的星球?

  古代的探险家和地图制作者往往用海怪和龙来填补航海图上未知的区域,与此类似,今天人类的探测器在探索其他星球时,也面临着种种未知的危险,有些是真实的,也有些是想象的。在太空探索的早期阶段,美国国家航空航天局(NASA)曾一度担心阿波罗号着陆器可能会像陷入流沙一样,沉到月球尘埃之中。随着前往其他天体的探测器越来越多,我们对太阳系的了解也越来越深入,所面临的潜在威胁似乎也变得更加不可思议,比如木卫二上巨大的冰棘,以及土卫六上惊人的波涛。

  目前科学家对其他星球的表面和大气状况并不完全了解,很难甚至不可能在实验室进行复制。应用物理实验室的行星科学家花了将近30年时间,试图预测这些环境条件可能带来的危险,以便为穿越太阳系的探测器在设计和运行上提供保护。即使我们知道某些行星的环境很完美(这其实有点矛盾,因为如果已经知道的话,我们还有必要再派探测器过去吗?),并且很适合在地球环境中对探测器的硬件进行测试(通常我们不知道确切的压力和温度,重力条件也很难匹配),对于大多数项目而言,时间和金钱的成本也都非常高。

  因此,我们必须把握问题的主要方面。有些风险确实需要事先进行测试,但其他问题或许可以通过分析或类比来消除。而且,由于许多风险都是只能主观感知的,因此在任务中建立信心往往在交流上是一种挑战——与其说是一门科学,倒不如说是一种艺术。在外星探索中,有些风险是真实存在且不可避免的,人类必须接受这一点。

  无人驾驶的勘测者3号着陆器。勘测者计划的探测结果消除了人们对月球表面可能像流沙一样吞没着陆器的担忧

  陷入月球尘埃?

  1961年,美国总统约翰·肯尼迪宣布美国将在这个十年结束前将人类送上月球。但要做到这一点,首先必须计算出月球着陆器的支撑脚应该有多大。月海(月球上比较低洼的平原)的表面可能覆盖着一层厚厚的微细尘埃,可能承受不了着陆器的重量,反而会像流沙一样,使着陆器完全下沉,不留一丝痕迹。

  地质学家在观察了月球上的山峰和陨石坑之后,发现这种情况很难出现。研究者对月球表面在昼夜周期中的快速冷却过程进行了测量,发现月表最外层部分至少有几毫米的厚度呈“蓬松”状态。这一事实表明,这种担忧可能受到了超出应有程度的关注。多年后,航天器设计师考德威尔·约翰逊回忆起有一次会议,工程师欧文·梅纳德最后恼怒地宣布:月球一定就和亚利桑那州一样!没有其他情况。我们就来设计一个像这样的起落架。

  幸运的是,在阿波罗任务之前的一系列无人着陆器任务,即月球勘测者计划,为阿波罗登月舱的设计提供了保证。月球表面并不会将飞船和宇航员吞没,已经设计好的阿波罗登月舱起落架也确定可以使用。

  1976年,火星崎岖的地形让美国国家航空航天局的任务规划者十分苦恼,他们不得不依靠低分辨率的轨道图像来为海盗号飞船选择安全的着陆点

  海盗号计划(Viking program)在选择火星着陆点时也主要考虑到了危险的地形。该计划由两个航天器(海盗1号和海盗2号)组成,各自都包括轨道器和着陆器。轨道器发回的图像使NASA科学家能够近距离考察潜在的着陆点。最初,海盗1号计划于1976年7月4日登陆火星(它甚至具有一个特殊的美国建国200周年的纪念标志)。然而,随着地质学家通过轨道器观察到越来越多的火星景观,根据分辨率较低的早期任务图像所选择的地点就显得越来越可怕。他们看到,这些地点似乎是坑坑洼洼的,或者被厚厚的沙子覆盖。不过,海盗号轨道器的图像分辨率也只有100米,因此只能看到较大的地貌特征。

  NASA决定使用一项新的技术:雷达。从地球发射到火星的无线电信号在火星表面反射回来形成的图像表明,火星表面的粗糙度在波长范围(约10厘米)之内,这与着陆安全关系重大。如果着陆器横跨一块直径只有50厘米的岩石,它的腹部可能就会被挤压到;或者,如果刚好一个支撑脚落在一块这么大的岩石上,着陆器的倾斜可能就会妨碍挖掘样品,或使其天线不能指向正确的方向。

  然而,负责接收这些数据的人是电气工程师,他们用数学术语来描述这些发现,而数学术语在地质学家看来既模糊又陌生,因此雷达数据可能没有得到应有的重视。事实上,即使能对所有数据进行最细致的综合分析,也只能得出某种猜测。幸运的是,海盗1号在美国建国200周年纪念日16天后(1976年7月20日)安全着陆。海盗2号于当年9月3日夜安全着陆,尽管它的一个脚垫落到了一块岩石上(海盗1号的图片显示,一块能破坏着陆器的岩石就在几米开外)。

  卡西尼号飞船用其雷达仪器绘制了土卫六北极的地图,生成了土卫六湖泊的伪彩色图像。研究人员通过模型计算出这些甲烷海洋中波浪的大小,为向丽姬亚海发射探测器做准备

  月球洞穴将是人类的下一个家园?

月球的洞穴不仅在科学上很不可思议,它们还可能是未来人类的家园。

  登陆月球后我们会发现月球上是存在洞穴的。我们对月球洞穴的了解还不多,但目前所掌握的信息已经足以使它们成为未来太空探险者的目标。事实上,月球洞穴有朝一日很可能会成为人类的家。它们可以为月球居民提供庇护所,以躲避可能造成伤害的恶劣环境条件。一些研究者甚至已经在开始规划在月球上寻找合适居住地点的探险任务。

夏威夷的Nāhuku-Thurston熔岩管

  如果选择居住在月球洞穴中,那我们最好对它们有足够的了解。地球上的许多洞穴是因侵蚀而形成的,而这在没有空气和水流的月球上是不可能的。研究者已经证实,月球洞穴是由火山活动产生的。当热熔岩喷发到温度较低的表面时,其外部首先冷却;当熔岩流的外部变硬时,内部可以继续保持熔融状态。此外,炽热的熔岩也会在周围的岩石中形成管道。无论是哪一种方式,当剩余的熔岩流失后,会留下一条中空的通道。科学家将这种洞穴为“熔岩管”。熔岩管是熔岩洞的一种,我们可以在地球上很多地方找到这种地貌,比如冰岛、济州岛和东非大裂谷等。大多数熔岩管都只有一两公里长,但也有特例,比如夏威夷莫纳罗亚火山东南坡的卡祖穆拉(Kazumura)洞穴,至少有65公里长,有些地方的宽度超过20米。澳大利亚昆士兰州的Udara熔岩管的长度超过100公里。

  月球的熔岩管可能会使地球上最大的熔岩管相形见绌。月球熔岩管的直径可达4.8公里,足以容纳整个曼哈顿岛。不过,即使在阿波罗任务完成半个世纪后,科学家仍然不太了解月球熔岩管的作用。在20世纪70年代,人们做出了一些看似很有根据的猜测,但它们主要基于对月球物质的过时认识。尽管如此,几十年来人们一直在引用这些数字。

阿波罗15号所拍摄的蜿蜒月溪

  多亏了“辉夜号”(Kaguya)号月球人造卫星,科学家们才找到了更确凿的证据。这是一个不规则的长方体探测器,正式名称为“月球科学与工程探测器”(SELENE),由日本宇宙航空开发机构于2007年发射升空,目的是测量月球的引力场并观察其表面。在观测月球古老的马利厄斯丘陵时,辉夜号的一台摄像机拍摄到了一个不寻常的坑洞,其大小和一架波音747飞机相当。

  月球古老的马利厄斯丘陵有一个不寻常的坑洞,其大小和一架波音747飞机相当,它很可能是一个熔岩管系统的“天窗”

  然而,目前科学家还没有看到月球熔岩管的内部图像,在此之前,他们还无法下任何定论。它们有多大、有多长、有多广,我们都还不清楚。然而,尽管了解不多,但深入这些洞穴并加以利用的想法却早已有之。利用月球熔岩管作为人类居所的概念并不新鲜,至少在20世纪80年代就已存在,而这也是科学家们一开始就想要寻找熔岩管的重要原因之一。

  2019年,探索月球洞穴的努力突然向前推进了一大步。有5个研究小组向欧洲空间局(ESA)发送了探索计划,希望用不同的方法——包括系绳探测车、机器蜂群、重力测量仪等——来解决上述问题。目前,欧洲空间局已经将5个方案减少为2个。在正在进行的一项更高级的研究中,两组研究人员将在同一项任务的分别完成不同方面的工作。

DAEDALUS号球形探测车的想象图

  当然,人类想要探索的不仅仅是月球洞穴。毕竟,熔岩管并不局限于月球。类似的洞穴可能存在于水星、木卫一以及其他任何具有类似地球熔岩的星球上。火星肯定存在熔岩管,它们也曾被提议作为人类的居住地。这些洞穴甚至可能是火星生命的避难所。事实上,这颗红色星球正是BRAILLE项目的终极目标。

  土卫六的波涛

  卡西尼-惠更斯号是一架前往土星系统的空间探测器,也是由NASA和欧洲空间局(ESA)合作进行的任务。该任务由两部分组成:环绕土星的卡西尼号和登陆土卫六的惠更斯号。2005年1月14日,惠更斯号在土卫六着陆并传回数据,成为首个在外太阳系天体完成登陆的探测器。

  卡西尼-惠更斯号揭示了土卫六是一个由液态甲烷组成的湖泊和海洋的世界。2010年又提出了一项后续任务:将一艘太空舱溅落到土卫六的北极海域——直径约400公里的丽姬亚海(Ligeia Mare)。卡西尼号已经拍摄了这片海域的全地形清晰地图。

  这个落到丽姬亚海的太空舱实际上是一个浮标,它会随着水流和风飘过这片液态甲烷海洋,用声纳测量其成分和深度,并记录天气数据,以了解这些奇异的大气和海洋如何相互作用。通常而言,航天器工程师对声纳并不太熟悉,但幸运的是,负责管理这个项目的约翰霍普金斯应用物理实验室以找到不少声纳专家。

  该太空舱将直接将数据传回地球,这只有在土卫六北半球的夏季才有可能实现,那时太阳和地球都在地平线以上,从丽姬亚海上方就能看到。这就需要一个小型天线,在太空舱在波涛中上下摆动时,一直锁定着地球。这在原理上并不十分困难:游轮提供卫星电视信号时也会用到类似的技术。但如果要实现灵活的天线指向,首先需要评估太空舱的移动速度,而这就要求知道波的大小和周期。

  第一步,当然是估计风速,约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的科学家已经有了土卫六大气环流的计算机模型。单个模型提供的数据可能不够准确,但研究人员分析了4个独立的模型。尽管这些模型在季节时间和风向上有所不同,但至少在风速范围上是一致的,最大风速为每秒1米。

  然后是平均风速与平均浪高的关系。在这里,需要对地球的经验关系加以修正。例如,土卫六的大气层比地球的空气密度更大,因此更容易产生波浪。但是,土卫六的重力又比地球更小,在重力较低的情况下,波浪会变得更大,但在一定尺寸下,波的移动速度会更慢。考虑到这些因素,研究人员确定,风速为每秒1米时的平均浪高将是中等的0.2米。但并非所有波浪都是同等规模的,来自不同方向的波浪会随机叠加,产生某种统计分布。例如,可能有千分之一的波浪是平均高度的两倍。由于预期的任务时间是6个土卫六日(相当于90个地球日,约200万个波周期),因此统计计算表明,有99%的把握不会遇到比平均水平大4倍的波浪。

  这一切当中还有一个有趣的小问题,太空舱会像许多动力系统一样,具有一个典型的摇摆周期。这意味着,最糟糕的摇摆角度和速度实际上与最强的风无关。尽管强风会产生更大的波,但大型波浪的速度较慢;反之,中等强度的风产生的波浪周期较短,尽管其振幅较小,但它们会与太空舱运动产生共振,导致更大的摇摆。通过这一分析,研究人员确定了太空舱天线需要多快的转向速度才能与地球保持联系。

  最终,NASA选择了洞察号任务来研究火星的内部结构,而没有选择用“浮标”来探索土卫六的海洋。不凑巧的是,如果探测器在21世纪20年代末到达土卫六的话,其北半球的夏季将会结束,届时也就不可能从丽姬亚海直接与地球通信了。

  2026年,NASA将启动“蜻蜓号”(Dragonfly)任务,开始重返土卫六。可以想见,一架八翼直升机在另一个星球上的飞行将会面临很多挑战,任务团队需要有条不紊地应对可能出现的各种风险,比如流沙、闪电和尘暴,并确定每种风险的可能性和后果。

  由麦哲伦号探测器获得的雷达图像显示了金星阿尔法区高原的三维立体特写。未来的任务规划者不仅要应对金星的复杂地形,还要应对其极端高温——早期的“先驱者金星计划”就曾遭遇这一问题

  金星的高温

  达芬奇号(DaVinci)是一架拟议中的探测器,目的是测量金星的大气,并在降落时拍摄金星表面的图像。美国最后一次(也是唯一一次)到达金星表面的任务是1978年的“先驱者金星计划”,该任务由一个轨道飞行器和四个探测器组成,进入了地狱般的金星大气层深处。尽管探测器总体上运行良好,但在下降过程中,它们的外部传感器(尤其是温度传感器)都在同一高度——约12公里处——神秘失灵。当时科学家对此有多种猜测,包括可能是某种形式的放电,但对于相距数千公里的探测器来说,这种影响似乎是不太可能会如此巧合。

  在先驱者金星计划的12年后,NASA终于召开了一次研讨会,以理清该任务中发生的一切。从零散发表的会议记录来看,尽管用于传感器布线的聚酰亚胺胶带在测试中显示出能经受金星大气高温能力,但Kynar收缩管也被用来加固一些线路接头。当这根管子被加热到600K(327摄氏度)以上时,会释放出腐蚀性的氟化氢气体,攻击聚酰亚胺胶带,进而导致传感器短路。可以说,是一个看似无害的改进造成了意想不到的缺陷。对材料的慎重选择将避免这个问题。事实上,苏联维加2号(VEGA-2)探测器的传感器在1985年登陆金星时就经受住了考验。

  在智利安第斯山脉查南托高原上,被称为“忏悔者”的融凝冰柱大约有2.1米高。这种结构可能也存在于木卫二上,或许会对从地球发射的着陆器构成威胁

  木卫二——致命的冰矛

  研究人员认为,木星冰冷的卫星木卫二有一个深约100公里的全球性海洋,其上方覆盖着15公里厚的冰层。尽管尚不清楚生命是否会在这样的环境中出现,但可能性是存在的。那么,目前对木卫二表面的了解是否足以设计出一个着陆器呢?从伽利略号探测器获得的图像显示了木卫二崎岖的表面,但这些图像只覆盖了这个星球的一小部分。因此,研究人员不得不再次思考木卫二表面景观的形成过程,以及其中潜藏的危险。

  蒸发和冷凝的过程既可以在真空中发生,比如在木卫二的表面,也可以在空气中发生,并将冰从表面的日晒区域转移到较冷的区域。平坦表面的凹陷会因冰的运输而加剧,因此地球上的冰川经常形成一种“杯状”表面。这一过程有时会发展到极致,在安第斯山脉的一些区域,会形成4米半高的可怕的融凝冰柱,如同冰矛。这些结构被称为“忏悔者”(penitent),因为看起来很像礼拜者忏悔时戴的白色兜帽。对宇宙飞船设计者来说,这种地貌简直就是一场噩梦。

  “像冰面一样平滑”的说法并不适用于木卫二。该星球被冰层覆盖的部分地形被认为已经破裂,并“漂流”到了新的位置

  木卫二固态冰蒸发的数学模型表明,尽管理论上可以形成融凝冰柱,但并不意味着它们真的会形成。而且,如果真的形成了融凝冰柱,它们会占据木卫二的多少表面,是否足以对着陆器构成威胁?让我们从另一个角度来思考这个问题:地球上的某些地点可以形成融凝冰柱,但外星飞船的设计者会把它们考虑进去吗?也许雷达可以帮助解决这个问题,因为锥形的尖刺可以有效地通过多次反射吸收能量,就像用于声学测试的消声室墙壁。NASA定于2024年发射的“欧罗巴快船”(Europa Clipper)任务将通过一系列设备来探索木卫二,其雷达测量数据和其他数据将有助于一劳永逸地解决这个问题。

  但就目前而言,月球是我们的下一个目标。月球的熔岩管深处依然保持神秘,但随着时间的推移,它们正变得越来越接近现实。

  在探索其他星球的过程中,任务规划者最担心的便是未知的潜在危险。他们的任务是将价值百科数十亿美元的宇宙飞船送往数百万公里外的外星世界,在这之前,弄清楚哪些环境条件会带来多大的风险,应该如何应对这些风险,都是必不可少的重要工作。

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